黃彥彬 李春鸞 葉彩榮 邢峰華

（1 海南省人工影響天氣中心，海口 570203；2 ?？谑袣庀缶郑？?570203；3 海南省氣象服務(wù)中心，?？?570203；4 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

0 引言

雨滴譜的時空變化對于認識降雨的微物理特征和雷達定量降水評估有著重要影響。雨滴譜（raindrop size distribution）是指單位體積中雨滴的數(shù)濃度隨其尺度的分布，也是研究降雨微物理特征的重要手段。雨滴譜觀測研究可以反映降水形成的云微物理過程，改進數(shù)值模式中的微物理過程參數(shù)化方案，提高模式對云微物理過程的模擬能力，提高遙感探測降水的能力，改進空-地基測雨雷達反演降水精度。

南海位于中國南大門，海域遼闊，常規(guī)氣象資料不足。Rosenfeld等發(fā)現(xiàn)相比于大陸性降水，海洋性降水小滴數(shù)量多而大滴數(shù)量少，大陸性降水雨滴較大是由于大陸性降水云的冷云過程更加顯著，在冷云過程中產(chǎn)生的冰相粒子可以生長到的較大的尺度而不破碎。隨著觀測技術(shù)的提高，海洋降水的觀測研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。Karev等利用主成分分析的方法對韓國雨季風(fēng)期間海洋性降水雨滴譜變化特征進行分析。胡子浩等分析了南海地區(qū)一次對流云降水個例的雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)海上降水小粒子數(shù)濃度較高。

近些年來，隨著南海資源的開發(fā)，人為活動在南海也逐漸增多，因此研究南海海域降水微物理特征量是十分必要的。2017年中國氣象局開始在全國主要氣象觀測站布設(shè)激光粒子譜測量儀，并改稱降水現(xiàn)象儀。作為南海海域現(xiàn)有常規(guī)業(yè)觀測站中最主要的海洋島嶼站，位于西沙群島的三沙市永興島和珊瑚島降水現(xiàn)象儀2018年7月投入業(yè)務(wù)，截至2019年6月30日獲得了將近1年的連續(xù)觀測資料。本文利用三沙市永興島、珊瑚島海洋站近1年的降水現(xiàn)象儀資料反演的雨滴譜數(shù)據(jù)，并對同期海南本島最南端的三亞市海岸站資料進行統(tǒng)計分析，研究海洋站、海岸站降水云系的雨滴微物理特征，對提高海洋降水特征的研究提供支撐。

1 雨滴譜觀測概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 雨滴譜觀測地點

三沙市永興島和珊瑚島均位于海南島東南部，永興島位于南海西北部廣闊的海面上，面積為2.6 km，平均海拔高度為5 m，直線距離海南本島最南端的三亞市為339 km，是西沙地區(qū)唯一具有較長時間序列歷史資料的常規(guī)氣象測站；珊瑚島位于南中國海西沙群島永樂群島的永樂環(huán)礁西部，面積為0.31 km，最高點海拔9 m，直線距離三亞市為295 km，為有人值守的氣象觀測站。兩個海島站直線距離88 km，降水現(xiàn)象儀布設(shè)在島上的氣象觀測站內(nèi)。

降水現(xiàn)象儀是以激光為基礎(chǔ)的新一代粒子測量傳感器，當(dāng)有降水粒子穿越采樣空間時，光學(xué)接受光電陣列傳感器將降水粒子圖像轉(zhuǎn)化成電子信號，通過記錄遮擋物的寬度和穿越時間計算降水粒子的尺度和速度（圖1）。粒子尺度測量范圍為0～26 mm，按非等間距間隔將尺度范圍分為32個通道，速度測量范圍為0～22.4 m/s，同樣按非等間距分為32個速度通道。每一次采樣時間間隔60 s，一次采樣間隔內(nèi)的粒子譜數(shù)據(jù)為32×32=1024個。

圖1 降水現(xiàn)象儀觀測位置Fig. 1 Observation location of precipitation instrument

1.2 雨滴譜參數(shù)計算

首先，利用下式可以將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雨滴的粒子數(shù)濃度

N

(

D

)：

式中，

N

(

D

) （單位：mm·m）是第

i

級尺度通道的單位體積單位間隔的雨滴數(shù)濃度；

n

是儀器在第

i

級尺度通道，第

j

級速度通道記錄到的雨滴個數(shù)；

T

（單位：s）為采樣時間； 為第

i

級尺度通道的間隔；

S

(

D

)（單位：m）為有效采樣面積，計算方法為：

降水積分參數(shù)，包括雷達反射率因子

Z

（mm·m）、雨強

R

（mm·h）、含水量

W

（g·m）和總雨滴數(shù)濃度

N

（mm），可以利用DSD觀測數(shù)據(jù)通過下式進行計算：

雨滴的特征直徑也可以較好地反映降水的結(jié)構(gòu)特征，本文涉及到的特征直徑和特征參數(shù)包括：平均直徑

D

（mm）、中數(shù)體積直徑

D

（nn）、質(zhì)量加權(quán)平均直徑

D

（mm）和標準化階距參數(shù)

N

（mm·m），計算方法為：

其中， 為水的密度，取1 g·cm。

1.3 資料處理

利用中國氣象局布網(wǎng)的業(yè)務(wù)化的降水現(xiàn)象儀基數(shù)據(jù)，研發(fā)了降水微物理數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)PrADS?；鶖?shù)據(jù)從CIMISS實時采集，系統(tǒng)采用前端采集模塊，配置相關(guān)信息后，對降水現(xiàn)象儀站點信息數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸、存儲；導(dǎo)出描述降水過程微物理結(jié)構(gòu)的特征物理量數(shù)濃度、雨水含量、雨強、雷達反射率因子、降雨動能通量以及描述降水粒子群的尺度平均量算術(shù)平均、均方根、峰值、體積中值、質(zhì)量加權(quán)平均和有效直徑等，對導(dǎo)出的數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制、誤差修正，利用該系統(tǒng)可以綜合分析降水的微物理過程。

海南本島以及南海各站具有明顯的熱帶氣候特點。西沙永興島降水量和雨日的氣候特征，降水主要出現(xiàn)在夏秋季，冬春季偏低。1—4月降水量較少，基本在50 mm以下，6月份以后進入汛期，降水量明顯增多，直到10月達到最大，9月和10月南海西沙海域熱帶氣旋影響頻繁，降水強度大。10月后降水量迅速下降，11月以后西沙永興島的降水量逐步下降，冬半年南海西沙海域盛行旱季風(fēng)，永興島維持陰雨天氣，雨日偏多，但多以小雨為主，降水量偏小。利用自主研發(fā)的PrADS系統(tǒng)，收集整理了2018年7月12日—2019年6月30日的三沙市永興島、珊瑚島以及海南本島三亞市處理后的雨滴譜資料，包括永興2004份、珊瑚5272份、三亞14691份共計21967份有效分鐘降水雨滴譜數(shù)據(jù)。

圖2 為三站不同雨強分檔雨滴譜特征分布圖。對于10 mm/h以上強度降水，海岸站三亞的降水中段（1～4 mm）粒子濃度要比另外兩塊地區(qū)同強度降水高，但永興島降水的小滴峰值濃度要比珊瑚、三亞降水大，約為2×10m·mm。隨著雨強的增大，NWP海域降水中＜0.7 mm的雨滴濃度反而有減小的趨勢，尤其是40 mm/h以上強降水，減小的更明顯。該區(qū)各檔雨強降水的最大峰值濃度均在10m·mm以下。永興島在20～40 mm/h檔出現(xiàn)了6 mm以上雨滴，其他檔雨強降水中并未出現(xiàn)，這與珊瑚、三亞變化趨勢不同。

圖2 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）雨強分檔雨滴譜特征Fig. 2 Raindrop spectrum characteristics of different rain intensity in Yongxing (a), Shanhu (b) and Sanya (c)

雨強的增大一般與對流強度增強有關(guān)，對流越強粒子碰撞破碎作用就越強烈，小粒子的數(shù)量就應(yīng)該更多，永興島降水就符合這種變化規(guī)律，但是珊瑚和三亞則不明顯，這說明3個站降水粒子作用的微物理機制存在一定差異。

給出了不同雨強下三站降雨微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的平均值（表1）。其中，

M

為有效樣本數(shù)、

R

為雨強、

D

、

D

、

D

、

D

分別為平均直徑、質(zhì)量加權(quán)平均直徑、體積中值直徑、平均最大直徑，

N

為粒子數(shù)濃度，

W

為含水量，

Z

為反射率因子?？紤]不同雨強降水的雨滴譜分布特點。按照雨強將觀測樣本分為6檔：

R

≤2 mm/h，2＜

R

≤5 mm/h，5＜

R

≤10 mm/h；10＜

R

≤20 mm/h，20＜

R

≤40 mm/h，

R

＞40 mm/h。不同雨強下的平均雨滴譜分布如圖2所示。可以看出，密度隨著雨強增大，各粒徑段的粒子濃度都在增大，滴譜變寬。雨強在2 mm/h以下時，三站的雨滴濃度在小粒子端有所下降，濃度峰值大約出現(xiàn)在0.4～0.6 mm；對于

R

＞40 mm/h強降水，濃度峰值出現(xiàn)在3～4 mm，說明在強降水條件下，3～4 mm降水粒子的貢獻占比最大，而且三亞站大滴的粒子濃度峰值遠遠大于永興、珊瑚兩站，說明在相近的雨強條件下，海岸站降水的大粒子濃度更高。另外，永興、珊瑚和三亞站在不同雨強下降水平均雨滴譜分布具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，三站大滴端粒子濃度迅速減小，譜型整體呈上凸趨勢。隨著雨強的增大，降水中3 mm以上的較大滴端粒子濃度不斷增加，這些大雨滴濃度的升高是雨強逐漸增大主要原因。但是，隨著雨強的增大，珊瑚島降水的峰值直徑基本穩(wěn)定在3 mm左右，變化較小。1.7～2.3 mm段粒子濃度基本穩(wěn)定，保持在10m·mm左右；與珊瑚島降水明顯不同的是，隨著雨強的增大，三亞地區(qū)降水的0.5～1.0 mm段粒子的濃度是不斷增大的，最大峰值濃度也在10m·mm以上。

表1 雨強分檔情況下降水的微物理參量平均值Table1 Mean values of microphysical parameters of precipitation under different rainfall intensity

2 降水的微物理特征

2.1 不同雨強下Gamma分布

微物理量的差異反映在雨滴譜上就是Gamma分布譜參量

N

、

μ

和

λ

的不同。利用階矩法對各檔雨強平均譜進行擬合。表2給出了不同雨強下Gamma分布擬合的3個參數(shù)平均值，

N

=log(

N

)是標準化的截距參數(shù)，

μ

則代表了形狀參數(shù)，

μ

越大，曲線越向中間彎曲；

λ

代表了斜率參數(shù)，

λ

的值越大，曲線衰減越快。

表2 雨強分檔情況下降水的Gamma分布譜參數(shù)平均值Table 2 Average values of gamma distribution spectrum parameters of precipitation under different rainfall intensity

從表2中可見，隨著雨強的增大，三亞站降水的譜型參數(shù)

N

以10 mm/h為界先減小后增大，

μ

和

λ

則逐步減?。挥琅d島降水的譜型參數(shù)

N

和

λ

呈一直減小趨勢，

μ

呈先減小后增大趨勢；珊瑚島降水的譜型參數(shù)

N

先減小后增大，

μ

則先增大后減小，

λ

呈一直減小趨勢。相同強度降水條件下，

R

≤2 mm/h的降水，永興島降水雨滴譜參數(shù)

μ

最大，

λ

值三亞站最大；但＞2 mm/h以上各檔降水，珊瑚島

μ

和

λ

值反而最大。 對于

N

，除了5＜

R

≤10 mm/h永興島略大于其他兩站，其余雨強分檔的

N

值珊瑚島都大于其他兩站。

2.2 Dm －Nw分布特征

質(zhì)量加權(quán)直徑

D

和標準化截距參數(shù)

N

是兩個物理意義明確、代表性較好的雨滴特征參量。圖3和圖4為三站降水

D

和log

N

的頻率分布直方圖。對海岸站三亞降水來說，log

N

的平均值大于永興、珊瑚；平均

D

最大為永興島。

圖3 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）的log10Nw的頻率分布直方圖Fig. 3 Frequency distribution histogram of log10Nw of Yongxing (a), Shanhu (b) and Sanya (c)

圖4 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）的Dm的頻率分布直方圖Fig. 4 Frequency distribution histogram of Dm in Yongxing(a), Shanhu (b) and Sanya (c)

3 結(jié)論

1）按雨強分檔的情況下，隨著雨強增大，各粒徑段的粒子濃度都在增大，滴譜變寬。海洋站永興和珊瑚降雨的譜分布具有小滴端銳減、大滴段上翹的特征，在相同雨強檔內(nèi)，大雨滴濃度更高，這導(dǎo)致降水的

D

、

D

等特征直徑也比三亞要大，且在前4檔內(nèi)，三亞降雨的總雨滴數(shù)

N

也高于永興、珊瑚。

2）本研究僅僅收集了不到一年的雨滴譜資料，由于雨滴譜特征受不同天氣系統(tǒng)、地形和環(huán)境等影響較大，需要在以后的研究中按不同天氣系統(tǒng)、不同云的類型等進行細分，進一步揭示總結(jié)南海降水規(guī)律。