仝澤鵬，楊蓮梅，曾 勇，李建剛，劉 凡

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002； 2.中亞大氣研究中心，新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

雨滴譜是雨滴數(shù)濃度隨雨滴尺度變化的函數(shù)[1-2]，是表征降水微物理特征的重要參數(shù)，在數(shù)值天氣預報模型的微物理參數(shù)設置以及遙感技術(shù)(雷達或衛(wèi)星)定量估測降水等方面有至關(guān)重要的作用[3-4]。然而，雨滴在下落過程中會受到凝結(jié)、蒸發(fā)、碰并、凝聚、破碎以及上升氣流和下沉氣流、水平風、地形、氣溶膠效應等影響，導致雨滴譜分布在垂直高度上存在一定差異[5]，因此研究不同氣候區(qū)特殊地形下近地面雨滴譜在垂直高度上的變化具有重要意義。

為探究不同海拔高度對雨滴譜的影響，在不同海拔梯度的山坡布設地面雨滴譜儀[6-7]，然而這種觀測手段對觀測區(qū)域選址極為苛刻，不便自定義高度間隔，且僅能獲得幾個固定高度的雨滴譜數(shù)據(jù)。此外，機載雨滴譜儀也可以獲取空中雨滴譜數(shù)據(jù)[8-9]，但飛行時長決定觀測時間，且還會受到降水強度對飛機起飛條件的影響。德國METEK公司生產(chǎn)的微雨雷達(miro rain radar, MRR)可以通過探測下落雨滴的多普勒頻移來反演垂直方向上雨滴譜分布，MRR是一種采用連續(xù)調(diào)頻技術(shù)的雷達，與脈沖式雷達相比，連續(xù)波雷達具有更強的靈敏度和更高的時空分辨率。由于MRR具有便于安裝、耗能低等優(yōu)勢，近年來廣泛用于降水類型識別、雨滴譜及微物理量的垂直分布及演變等方面的研究[10-18]。WEN等[14]利用南京MRR和二維視頻雨滴譜儀觀測數(shù)據(jù)，識別并對比分析層云、對流云和淺層云3類降水的雨滴譜垂直分布特征，發(fā)現(xiàn)南京地區(qū)夏季層云降水的發(fā)生頻率最高，對流云降水對降水量的貢獻最大，而淺層云降水不存在冰相過程，導致雨滴平均直徑偏低。因?qū)α餍越邓a(chǎn)生的風阻效應導致分裂出更多的多普勒頻譜，致使MRR對實際雨滴尺寸檢索出錯，因此MRR對層狀云降水數(shù)據(jù)反演質(zhì)量更好[19-20]。我國關(guān)于微雨雷達的研究多集中在東部沿海地區(qū)，這些地區(qū)水汽來源充足，降水豐富，對流性降水時有發(fā)生，而西北干旱半干旱區(qū)降水較少，但在全球變暖背景下極端降水事件明顯增多，給當?shù)厣鐣?jīng)濟造成巨大損失，因此有必要了解干旱半干旱區(qū)降水過程雨滴譜的垂直分布及演變特征，對提高天氣雷達定量估測降水精度有重要意義。天山西部的伊犁河谷，因特殊的開口向西的“喇叭谷”地形[21]，受大西洋水汽影響，河谷降水充沛，年均降水量為400～800 mm。為此，本文針對伊犁河谷伊寧地區(qū)2019年9月30日一次降水過程的MRR、OTT-PARSIVEL雨滴譜儀和地面雨量筒觀測數(shù)據(jù)，對比檢驗MRR數(shù)據(jù)的可靠性，并基于MRR資料分析降水過程各微物理量的垂直分布特征，以及不同雨強階段不同尺度雨滴對數(shù)濃度和雨強在垂直方向上的貢獻，以期進一步認識中亞干旱半干旱區(qū)降水微物理特征，從而為數(shù)值模式的云降水物理參數(shù)化方案提供一些觀測基礎。

1 資料及處理

1.1 觀測儀器與數(shù)據(jù)

研究個例為2019年9月30日04:30—12:30(北京時，下同)伊寧地區(qū)的一次降水過程。使用了MRR、OTT-PARSIVEL雨滴譜儀以及翻斗式雨量筒(RG)的觀測資料，3種儀器均布設在伊寧站，相互間隔不超過25 m。MRR垂直方向共31個高度梯度，試驗選取的高度分辨率為35 m，最高觀測高度為1085 m，時間分辨率為1 min，可以測量的液滴尺寸為0.2～6 mm，通過獲取的多普勒功率譜，并利用降水粒子下落速度與直徑的經(jīng)驗公式[22-23]，反演不同高度的雨強Ri(mm·h-1)、液態(tài)水含量LWC(g·m-3)、雷達反射率因子Z(dBZ)和粒子下降速度W(m·s-1)，MRR主要參數(shù)如表1所示。OTT-PARSIVE雨滴譜儀基于激光系統(tǒng)測量降水粒子的尺度和速度[24]，試驗選取的時間分辨率為1 min，可測量的液滴尺寸為0.2～8 mm，通過降水粒子對激光遮擋計算粒子直徑與下落速度，以及反演雨強和雷達反射率因子等參數(shù)。

1.2 降水概況及環(huán)流形勢

新疆干旱半干旱氣候背景特殊，降水量級標準與中國大部地區(qū)有所不同。新疆降水量級業(yè)務標準[25-26]：12.0≤R(日降水量)<24.0 mm為大雨，R≥24.0 mm為暴雨，結(jié)合表2降水概況，此次降水為一次大雨過程。

表1 MRR主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of MRR

表2 2019年9月30日伊寧地區(qū)降水過程參數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Statistics of parameters during the rainfall process on 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

2019年9月28日08:00，500 hPa高度場(圖略)上，歐亞中高緯地區(qū)為“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，歐洲和貝加爾湖為高壓脊區(qū)，西西伯利亞為低槽活動區(qū)。隨著歐洲脊發(fā)展，脊前北風帶建立，并引導冷空氣南下，西西伯利亞低槽向南加深，與中緯度短波槽疊加，槽底伸至40°N附近；29日夜間，受極地不穩(wěn)定小槽入侵，歐洲脊向東南方向衰退，并推動西西伯利亞低槽、強鋒區(qū)東移南下，降水臨近前30日02:00(圖1)，伊寧地區(qū)逐漸受東移低槽前部西南氣流影響，隨后04:30開始出現(xiàn)降雨過程。

圖1 2019年9月30日02:00 500 hPa 位勢高度場(藍色實線，單位：dagpm) 和風場(風矢桿，單位：m·s-1)分布 (黑點代表伊寧站，彩色陰影代表急流)Fig.1 The distribution of 500 hPa geopotential height field (blue solid lines, Unit: dagpm) and wind field (wind shafts, Unit: m·s-1) at 02:00 BST 30 September 2019 (the black dot for the location of Yining station, and the color shadows for 500 hPa jet stream)

2 結(jié)果與分析

2.1 3種儀器觀測結(jié)果對比

將MRR近地面35、70、105 m高度層的小時雨量與OTT-PARSIVEL雨滴譜儀、RG的觀測值進行比對，發(fā)現(xiàn)3種儀器對此次大雨過程的雨量觀測結(jié)果具有較好的一致性，但在部分時段表現(xiàn)略有差異(圖2)。雨滴譜儀04:30—05:30的降水量高于雨量筒，其他時段均低于雨量筒，這與雨量筒本身對弱降水探測性能不敏感有關(guān)[27]。從MRR的觀測結(jié)果來看，08:30—11:30時段3個高度層的小時雨量均明顯增大，但數(shù)值存在一定差異，這是因為MRR是以假定大氣垂直速度為零的環(huán)境條件來反演降水微物理量的[28]，當降水強度增大時實際大氣的下沉風會增大雨滴的下落速度，導致MRR高估雨滴大小及散射截面，從而影響降水過程中各微物理量反演的準確性。MRR的70、105 m高度降水量相近，整體高于其他儀器，而35 m高度的降水量明顯低于其他2個高度層，在降雨初期04:30—05:30時段甚至低于雨量筒的觀測值，造成這一現(xiàn)象的原因可能是MRR在35 m高度的探測結(jié)果受近地面影響較大[14]。

圖2 2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū) OTT-PARSIVEL雨滴譜儀、雨量筒和微雨 雷達不同高度的小時雨量變化Fig.2 The evolutions of hourly precipitation of MRR at different heights, OTT-PARSIVEL and RG from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

為進一步驗證微雨雷達數(shù)據(jù)的可靠性，對降水期間MRR的3個高度層雨強與OTT-PARSIVEL雨滴譜儀的雨強進行線性擬合(圖3)。整體來看，MRR各高度層的雨強均高于OTT-PARSIVEL雨滴譜儀，尤其是70、105 m高度層。從斂散程度來看，當雨強低于3 mm·h-1時，MRR各高度層雨強與雨滴譜儀雨強的散點更加收斂，而當雨強高于5 mm·h-1時，2種儀器的雨強值更加離散。從線性擬合來看，MRR各高度雨強與雨滴譜儀反演值均具有較好的相關(guān)性，決定系數(shù)分別為0.9233、0.9289和0.9186。

圖3 2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū)微雨雷達35 m(a)、70 m(b)和105 m(c) 高度層的雨強與OTT-PARSIVEL雨滴譜儀的雨強散點分布及線性擬合Fig.3 Scatters distribution and linear fitting of retrieved rainfall intensity between MRR at 35 m (a), 70 m (b), 105 m (c) height layers and OTT-PARSIVEL from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

2.2 降水過程期間微物理量的時空演變

圖4是2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū)MRR的雷達反射率因子Z、液態(tài)水含量LWC、雨強Ri、雨滴下落速度W的時間-高度剖面以及地面OTT-PARSIVEL雨滴譜儀雨強隨時間的變化。根據(jù)地面OTT-PARSIVEL雨滴譜儀的雨強，將降水劃分為低、中、高3個雨強階段，分別對應Ri≤2 mm·h-1、24 mm·h-1。

圖4 2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū)MRR雷達反射率因子(a，單位：dBZ)、 液態(tài)水含量(b，單位：g·m-3)、雨強(c，單位：mm·h-1)、雨滴下落速度 (d，單位：m·s-1)的時間-高度剖面，以及地面雨滴譜儀的雨強逐分鐘演變(e，灰色區(qū)域為中雨強區(qū))Fig.4 Time-height sections of radar reflectivity factor (a, Unit: dBZ), liquid water content (b, Unit: g·m-3), rainfall intensity (c, Unit: mm·h-1) and raindrop falling speed (d, Unit: m·s-1) of MRR, and the minutely evolution of ground rain intensity of OTT-PARSIVEL (e, the gray area for moderate rain intensity) from 04:30 BST and 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

低雨強階段分別出現(xiàn)于降水初期的04:30—06:31、中期的07:43—08:20、08:37—08:49和末期的11:41—12:30。降水初期Z、LWC、Ri平均為21.73 dBZ、0.07 g·m-3、0.99 mm·h-1，變化范圍為19.40～21.85 dBZ、0.07～0.08 g·m-3、0.93～1.07 mm·h-1，且3個物理量均隨高度降低而減小，表明在濕度較低的環(huán)境下雨滴在下落過程中不斷蒸發(fā)，越靠近地面蒸發(fā)作用越明顯；降水末期Z、LWC、Ri值較初期略低，平均值分別為20.51 dBZ、0.06 g·m-3、0.96 mm·h-1，變化范圍分別為19.38～21.51 dBZ、0.06～0.07 g·m-3、0.61～1.01 mm·h-1，隨著此前強降水降落，雨區(qū)上空缺乏持續(xù)的水汽和動力供應，Ri隨高度降低減小，加之受蒸發(fā)影響較小，LWC和Z在垂直方向上沒有明顯變化；降水中期Z、LWC、Ri值明顯高于其他2個時期，平均值分別為24.92 dBZ、0.11 g·m-3、1.54 mm·h-1，該時期雖降水較弱，但環(huán)境濕度較大、蒸發(fā)較小，Z、LWC、Ri隨高度變化很小。需要注意的是，降水初期、末期W都隨高度降低而增大，分別在4.38～4.71、4.79～5.33 m·s-1之間變化，但中期W卻隨高度降低而減小，在5.45～5.83 m·s-1之間變化。

中雨強階段，對應于06:59—07:30、08:21—08:36、08:50—10:14、11:06—11:37時段，4個時段內(nèi)Z、LWC、Ri、W均值分別為31.74 dBZ、0.24 g·m-3、4.02 mm·h-1、6.29 m·s-1，Z、LWC、Ri值在70～1050 m高度隨高度降低而增大，最大值均出現(xiàn)在70 m高度層，這與雨滴在近地面高度層發(fā)生碰并增長有關(guān)，而W隨高度變化不明顯，在6.21～6.39 m·s-1之間波動。

高雨強階段，對應于06:37—06:40、06:55—06:58、07:11—07:13、10:15—10:22、10:39—10:42、10:53—11:05時段，6個時段Z、LWC、Ri、W的均值分別為35.90 dBZ、0.45 g·m-3、7.67 mm·h-1、7.02 m·s-1，且Z隨高度降低而增大，當雨強增大時，雨滴下落過程的碰并作用顯著，在10:17、10:57和10:59對應的70、105、140 m高度層Z值均高于40 dBZ；伴隨著較強的雷達回波，LWC和Ri波動范圍增大，分別為0.32～0.63 g·m-3和5.92～8.79 mm·h-1，且在450 m以下隨高度降低而增大，而W隨高度變化不大，其值在6.81～7.29 m·s-1之間波動。

綜上所述，不同雨強階段降水微物理量在垂直分布上有所差異。低雨強階段，降水初期受蒸發(fā)影響較大，Z、LWC、Ri都隨高度降低而減??；中期，降水較弱但環(huán)境濕度較大，Z、LWC、Ri隨高度變化不大；末期，由于空中缺乏持續(xù)的水汽和動力供應，Ri隨高度降低而減小。中雨強階段，受雨滴碰并增長的影響，Z、LWC、Ri在70～1050 m高度隨高度降低而增大，而W隨高度變化不大。高雨強階段，近地面層受雨滴碰并增長作用顯著，在70、105、140 m高度層出現(xiàn)40 dBZ以上的較強雷達回波，LWC、Ri隨高度降低而增大，而W變化不大。

為進一步探究此次降水過程不同雨強階段降水微物理量特征的差異，對3個階段微物理量平均值的垂直分布(圖5)進行對比分析?？傮w來看，不同高度上各微物理量平均值隨雨強的增強而增大。從圖5(a)和圖5(b)看出，中、高雨強階段Z、Ri在垂直分布上相對于低雨強階段波動較大，且Z和Ri基本隨高度降低而增大，Z值分別由30.88、32.2 dBZ增加到33.38、34.86 dBZ，Ri分別由3.61、4.56 mm·h-1增加到4.93、6.37 mm·h-1；低雨強階段，在105 m高度以上Z、Ri隨高度降低有所增大，分別由20.77 dBZ、1.11 mm·h-1增加到21.95 dBZ、1.31 mm·h-1，而105 m高度以下近地面層受蒸發(fā)作用明顯，Z和Ri隨高度降低略有減小，與中、高雨強階段的變化特征正相反。此外，低雨強階段的LWC隨高度變化不明顯，而中、高雨強階段的LWC隨高度降低有一定的增大，分別從0.22、0.28 g·m-3增加到0.30、0.35 g·m-3[圖5(c)]。3個雨強階段的W都隨高度變化不明顯[圖5(d)]，這與MRR設定的空間分辨率為35 m、最高測量高度為1085 m有關(guān)，1085 m一般低于降水云的高度，使得觀測的雨滴沒有因相態(tài)轉(zhuǎn)換而引起W發(fā)生變化。

2.3 雨滴對數(shù)濃度和雨強的貢獻率垂直分布

為揭示MRR探測的不同尺度雨滴在不同雨強階段其數(shù)濃度百分比以及對總雨強的貢獻，依照雨滴直徑D，將雨滴分為小雨滴(D≤1 mm)、中雨滴(13 mm)。由圖6可見，低雨強階段，小雨滴平均數(shù)濃度占總數(shù)濃度的96.81%，對雨強的貢獻率為36.33%，且其數(shù)濃度占比整體均隨高度降低而減小，表明小雨滴在低雨強下受近地面蒸發(fā)作用明顯；中雨滴數(shù)濃度僅占總數(shù)濃度的3.17%，但對雨強的貢獻率達61.95%，且在770 m高度以下隨高度降低貢獻率逐漸增大；大雨滴數(shù)濃度占比極小，對雨強貢獻率僅為1.72%，且隨高度變化不大。

圖5 2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū)不同雨強階段MRR的平均雷達反射率因子(a)、 雨強(b)、液態(tài)水含量(c)和雨滴下落速度(d)的垂直分布Fig.5 The vertical distributions of average radar reflectivity factor (a), rain intensity (b), liquid water content (c) and raindrop falling speed (d) of MRR at different stages of rain intensity from 04:30 BST to 12:30 BST on 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

中雨強階段，小雨滴平均數(shù)濃度占總數(shù)濃度的94.61%，在805 m高度以下其數(shù)濃度占比隨高度降低而減小，變化范圍為85.58%～98.92%，對雨強的貢獻率平均為29.69%，且在105 m高度以上隨高度降低逐漸減??；中雨滴數(shù)濃度占比在805 m高度以下隨高度降低逐漸減小，由13.69%減小到1.13%，對雨強的貢獻最大，達66.36%，且在105 m高度以上隨高度降低逐漸增大；大雨滴數(shù)濃度占比仍最小，對總雨強的貢獻率為3.95%，且隨高度變化不大。

高雨強階段，小雨滴平均數(shù)濃度占總數(shù)濃度的90.88%，整體上其數(shù)濃度占比隨高度降低而減小，對雨強的貢獻率為25.52%，且隨高度降低貢獻率逐漸增大；中雨滴數(shù)濃度占比在近地面層較低，35 m高度層其數(shù)濃度占比為17.22%，對雨強貢獻最大，貢獻率整體隨高度降低逐漸增大，平均貢獻率達67.32%；大雨滴數(shù)濃度在多個高度層均有占比，但均不足1%，對雨強的貢獻率平均僅為7.17%，且在525 m高度以下貢獻率隨高度降低有所增加，其中在35、70 m高度層的貢獻率超過10%。

綜上所述，在各檔降水強度下，小雨滴在各高度層的數(shù)濃度占比均最大，高達80%以上，且隨高度降低其數(shù)濃度占比逐漸減??；中雨滴對總雨強的貢獻最大，且隨高度降低其貢獻率明顯增大，而大雨滴的數(shù)濃度占比及對總雨強的貢獻均最小。

圖6 2019年9月30日04:30—12:30伊寧地區(qū)MRR探測的不同尺度雨滴在不同降水強度下 數(shù)濃度占比(a、b、c)及對雨強的貢獻率(d、e、f)Fig.6 The percentages of raindrops number concentration of MRR (a, b, c) with different diameters to total number concentration and contribution rates to rain intensity (d, e, f) under different intensities of rainfall from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

3 結(jié) 論

(1)MRR與OTT-PARSIVEL雨滴譜儀和雨量筒的小時雨量具有較好的一致性。當雨強小于3 mm·h-1時，MRR各高度層(35、70、105 m)的雨強與雨滴譜儀的雨強斂散程度更高，擬合程度較好，決定系數(shù)分別為0.9233、0.9289、0.9186。

(2)不同雨強階段，MRR探測的降水微物理量的垂直分布存在差異。低雨強階段，降水初期環(huán)境濕度較低，受蒸發(fā)作用影響較大，Z、LWC、Ri隨高度降低而減??；降水中期，環(huán)境濕度較大，受蒸發(fā)作用較小，Z、LWC、Ri隨高度變化不大；降水末期，空中水汽和動力供應不足，Ri隨高度降低而減小，同時受蒸發(fā)影響較小，LWC和Z隨高度變化不明顯。另外，低雨強階段，降水初、末期W隨高度降低而增大，而降水中期W隨高度降低而減小。中、高雨強階段，雨滴間碰并作用較大，尤其在高雨強階段，Z、LWC、Ri整體隨高度降低而增大，W隨高度變化不大。

(3)伊寧地區(qū)此次大雨過程主要以小雨滴為主，各雨強階段小雨滴平均數(shù)濃度占比均在90%以上，且基本隨高度降低而減小，而中雨滴對雨強的貢獻最大，各雨強階段的貢獻率均在60%以上，且貢獻率隨高度降低而增大；大雨滴數(shù)濃度占比及對雨強的貢獻均最小，但隨著雨強由低到高，其對雨強的貢獻率逐漸增大。

本文針對伊寧地區(qū)一次大雨過程的微物理量垂直演變特征進行了細致分析，但有些結(jié)論僅限于現(xiàn)象描述，如在低雨強條件下，降水初、末期W隨高度降低而增大，而降水中期W隨高度降低而減小，這一現(xiàn)象還需要結(jié)合其他觀測儀器(風廓線雷達、微波輻射計、激光云高儀、二維視頻雨滴譜儀、探空等)和更多的降雨個例，從天氣動力分析的角度加以分析與解釋。