◎文/李俠麗 潘先潔 黃國(guó)貴 姚祎

（安徽省壽縣氣象局 淮南市氣象局）

雨滴譜是單位體積中雨滴的個(gè)數(shù)的分布情況，主要研究云和降水的微物理結(jié)構(gòu)特征[1]。雨滴譜中含有豐富的微物理降水特質(zhì)，在雷達(dá)定量估測(cè)降水、成雨機(jī)制及反射率因子（Z）和雨強(qiáng)（I）的關(guān)系等方面有著普遍的應(yīng)用[2]。因此，利用雨滴譜的測(cè)量方法來(lái)研究降水的微物理結(jié)構(gòu)特征，有著十分重要的意義。

上世紀(jì)60年代初，我國(guó)氣象學(xué)家顧震潮等人進(jìn)行了云降水的觀測(cè)和研究，但由于觀測(cè)條件以及技術(shù)水平限制，未進(jìn)行雨滴譜的連續(xù)測(cè)量[2]。云降水雨滴譜的連續(xù)觀測(cè)始于20世紀(jì)80年代，通過(guò)大量學(xué)者的觀測(cè)研究，得出可供雷達(dá)定量估測(cè)降水時(shí)參考和應(yīng)用的Z-I關(guān)系等[2]。胡亞敏等[3]通過(guò)對(duì)河南省臨穎、孟津兩站的層狀云降水天氣進(jìn)行地面雨滴譜觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)河南層狀云降水的雨滴平均直徑為0.1mm，大雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率較大。張?jiān)品錥2]研究哈爾濱雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)層狀云、積雨云和積層混合云降水的譜寬存在差異，積層混合云的降水譜寬較寬。

本文從傳統(tǒng)雨滴譜的觀測(cè)方法出發(fā)，并利用激光雨滴譜儀來(lái)分析雨滴譜的觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，分析激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應(yīng)用。

一、雨滴譜的測(cè)量方法

初期雨滴譜的測(cè)量方法有動(dòng)力學(xué)法、面粉球法、濾紙色斑法、浸潤(rùn)法和快速攝影法[4]。動(dòng)力學(xué)法是根據(jù)雨滴下落引發(fā)的動(dòng)能來(lái)測(cè)量雨滴的大小，這種方法測(cè)量較大譜寬的雨滴結(jié)果誤差較大；濾紙色斑法通過(guò)雨滴落在濾紙上形成的圓形色斑大小反推出雨滴直徑；面粉球法是在一個(gè)廣口容器內(nèi)裝上面粉，雨滴在接觸到面粉后會(huì)迅速形成一個(gè)小球，通過(guò)烘干稱重測(cè)量出雨滴的直徑和重量；快速攝影法利用攝像機(jī)拍攝降落的雨滴后把照片放在顯微鏡下觀測(cè)雨滴大小；浸潤(rùn)法是將雨水接到盛有油料的容器內(nèi)，雨水會(huì)在油料中形成水珠，通過(guò)測(cè)量計(jì)算出雨滴的粒徑。幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[4]，從中可見(jiàn)，初期雨滴譜的測(cè)量方法操作繁瑣、工作量大、測(cè)量精度低、成本高，無(wú)法自動(dòng)完成測(cè)量分類，并非理想的測(cè)量方法。

二、新型測(cè)量技術(shù)

上世紀(jì)90年代后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光、聲、雷達(dá)、遙感等技術(shù)應(yīng)用到雨滴譜的觀測(cè)方法中[5]，光陣雨滴譜儀、聲雨滴譜儀、激光雨滴譜儀等新設(shè)備的應(yīng)用克服了早期方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雨滴譜自動(dòng)化連續(xù)觀測(cè)。

光陣雨滴譜儀[6]是利用光陣排列的方法，對(duì)降水全譜觀測(cè)獲取雨滴譜資料。樊玲[7]等人使用光陣雨滴譜儀分析積雨云降水的微結(jié)構(gòu)特征，研究發(fā)現(xiàn)積雨云的降水強(qiáng)度大于層狀云，1～3mm的雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率超過(guò)了60%。聲雨滴譜儀依據(jù)雨滴碰擊傳感器所引起的沖擊力而產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴的測(cè)量[1]。劉紅燕和雷恒池[8]利用聲雨滴譜儀分析了北京地區(qū)層狀云和對(duì)流云降水的特征。但這兩種雨滴譜儀只能測(cè)量降水粒徑和雨滴個(gè)數(shù)，不能測(cè)量粒子的下落速度。

目前在雨滴譜測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛的Parsivel激光雨滴譜儀是以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)量?jī)x器[4]，可同時(shí)測(cè)量降雨中的液態(tài)以及固態(tài)粒子的粒徑和降落速度[9]。它采用平行激光束和光電管組合模式，當(dāng)雨滴穿過(guò)激光雨滴譜儀的采樣空間時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)記錄下雨滴所遮擋的寬度，并通過(guò)雨滴穿越時(shí)間來(lái)計(jì)算雨滴的粒徑和速度；可用數(shù)字顯示降水強(qiáng)度、液態(tài)含水量、降水粒子總數(shù)、降水粒徑、累積降水量及雷達(dá)反射因子[2]。它能夠提供高時(shí)間分辨率的降水粒子譜數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可信度較高。對(duì)于凍雨、雨、雪、冰雹等降水類型識(shí)別準(zhǔn)確率大于97%。

表1 幾種雨滴譜測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)

三、激光雨滴譜儀在降水分析中的應(yīng)用

激光雨滴譜儀主要應(yīng)用于降水估測(cè)，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.不同云系降水的雨滴譜特點(diǎn)。降水云系最常見(jiàn)的劃分方法為對(duì)流云、層狀云和層積混合云，通過(guò)對(duì)不同降水云系的研究，可以提高降水觀測(cè)精度。雨滴譜譜型是雨滴譜曲線的型式，不同云型的雨滴譜型也有所不同[8]。研究發(fā)現(xiàn)層狀云、對(duì)流云、層積混合云譜型一般分別呈指數(shù)型、多峰型、單峰型分布[7]。

2.不同下墊面降水的雨滴譜特點(diǎn)。傳統(tǒng)云物理學(xué)根據(jù)下墊面不同，可將降水云系劃分為大陸云系和海洋云系[9]。海洋云合并活動(dòng)快，降水過(guò)程一般由暖云過(guò)程決定；大陸云中的小雨滴濃度較大，常常由冷云而演化成水滴。在同樣降雨強(qiáng)度下，與云滴合并活躍的海洋云降水相比，大陸云降水的大雨滴較多[9]。

3.不同海拔高度降水的雨滴譜特點(diǎn)。隨著海拔高度的不同，降水過(guò)程也會(huì)隨之發(fā)生變化。雨滴在下落過(guò)程中會(huì)受到碰并、增長(zhǎng)、破碎、蒸發(fā)等一系列物理變化的影響，這些變化在雨滴譜上會(huì)有直接的體現(xiàn)[10]。因此研究雨滴譜隨海拔的變化特點(diǎn)，對(duì)于了解降水微物理變化的進(jìn)程有著非常重要的意義。

4.不同降水過(guò)程的雨滴譜特點(diǎn)。如鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水的雨滴譜特征，這種雨滴譜特征在淮河流域最為常見(jiàn)。

四、激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應(yīng)用

淮河流域地處北亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)域，四季分明、雨量適中、光照充足，是暖溫帶向亞熱帶過(guò)渡的氣候類型，冷暖空氣交匯頻繁，時(shí)常受臺(tái)風(fēng)、暴雨、洪澇等災(zāi)害性天氣影響。同時(shí)淮河流域又是我國(guó)“梅雨”天氣系統(tǒng)的主要活動(dòng)區(qū)和我國(guó)降水變率最大地區(qū)之一，梅雨鋒降水和臺(tái)風(fēng)降水是淮河流域降水的主要天氣系統(tǒng)，激光雨滴譜儀對(duì)于研究梅雨鋒降水和臺(tái)風(fēng)降水的微物理結(jié)構(gòu)特征有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

鋒面降雨主要發(fā)生在雨層云，它是鋒面云系中最厚的云層，又是冷暖空氣交匯而成的，上部是冰晶，下部是水滴，冰水共存于云系的中部，可起到合并作用，又因云層較厚，有利于形成降水，多屬于積層混合云降水。雷達(dá)圖上往往表現(xiàn)為大面積的層狀云系中嵌有回波較強(qiáng)的對(duì)流性云塊或大面積對(duì)流性雨帶，積層混合云相比于積雨云的譜型分布較寬，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。而積云降水時(shí)間短、降水強(qiáng)度大，一般降水過(guò)程越強(qiáng)，譜型就越寬。不同部位雨滴譜的譜型分布有著明顯差異，鋒面降水過(guò)程中雨滴譜的譜寬較寬，并且強(qiáng)降水時(shí)期常常呈雙峰、多峰型分布[11]。激光雨滴譜儀對(duì)于測(cè)量譜分布較寬的降水準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。

臺(tái)風(fēng)降水是熱帶海洋上非常巨大的濕熱氣團(tuán)帶來(lái)的降水，臺(tái)風(fēng)區(qū)的水汽非常豐富，具有很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，日最大降水量可達(dá)800mm以上，主要是間歇性降水。臺(tái)風(fēng)降水的雨滴空間數(shù)濃度和直徑較大，但其最大瞬時(shí)雨強(qiáng)小于鋒面降水。不同性質(zhì)的降水雨滴譜的特征參量不同，對(duì)流性降水的雨滴粒徑較大，雨滴的數(shù)濃度也相對(duì)較大，大雨滴對(duì)降水貢獻(xiàn)率較大，雨滴譜儀能捕捉到降水的瞬間變化。鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水中常常伴隨著雷電、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，通過(guò)對(duì)鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水的雨滴譜變化特征的研究，也為雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣的微物理結(jié)構(gòu)特征，以及雷電和降水關(guān)系的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)[10]。

通過(guò)對(duì)不同降水類型的研究，可以提高降水的觀測(cè)精度。由于不同類型降水的熱量、水汽含量、上升運(yùn)動(dòng)等不同，激光雨滴譜儀對(duì)研究降水內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征有著重要的理論和實(shí)踐意義。