王智敏，馮婉悅，李圓圓，李 斌，周雅蔓，海 倫

（1.新疆人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象技術(shù)裝備保障中心，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

降雪云系是云和降水物理學(xué)的重要研究對(duì)象之一。充分了解烏魯木齊地區(qū)降雪云結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，可以為人工增雪催化作業(yè)提供理論指導(dǎo)。近年來(lái)，隨著觀測(cè)設(shè)備的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)于冬季降雪過(guò)程的微物理特征展開(kāi)了許多研究。如Gunn等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提出，雨與雪的滴譜分布相適用；Imai等[2]和Battan等[3]分別得到了融化狀態(tài)下的雪滴譜分布。定量估測(cè)降水是雷達(dá)氣象學(xué)的重要課題之一，估測(cè)降水的方法便是確定降水強(qiáng)度R和雷達(dá)反射率Z的關(guān)系。然而，影響Z-R關(guān)系準(zhǔn)確性的重要因素是降水粒子譜形的變化[4-5]，通過(guò)滴譜的確定可以改進(jìn)本地化的Z-R關(guān)系。Marshall等[6]和Langille等[7]通過(guò)雪滴譜的特征分布，擬合得出了Z=200R1.6的關(guān)系式。Brandes等[8]用一部地基雨滴譜儀觀測(cè)了科羅拉多州的降雪滴譜分布情況，并反演了雪密度和粒子體積直徑中值之間的關(guān)系，并且修訂了降雪粒子譜的Gamma參數(shù)。Yuter等[9]基于PARSIVEL數(shù)據(jù)的粒子分布和下落速度分布情況來(lái)識(shí)別出雨和濕雪，對(duì)降雪過(guò)程進(jìn)行初步的相態(tài)識(shí)別研究。

國(guó)內(nèi)也對(duì)冬季降雪滴譜觀測(cè)開(kāi)展了不少研究。如游來(lái)光等[10]于20世紀(jì)80年代在烏魯木齊地區(qū)利用一系列機(jī)載設(shè)備和地面遙感探測(cè)對(duì)降雪微物理特征進(jìn)行了觀測(cè)分析，獲取了新疆地區(qū)降雪過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)和其變化涉及的過(guò)程，認(rèn)為凝華—聚并是雪增長(zhǎng)的重要過(guò)程；蔣年沖等[11]發(fā)現(xiàn)安徽大別山區(qū)降雪和凍雨的數(shù)濃度為雙峰型，其他降水為單峰型，降水粒子尺度譜主要分布在0.125～1.00mm。尹麗云等[12]對(duì)云南一次雨夾雪天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，得出雪粒子平均直徑小于雨粒子平均直徑，雪粒子的直徑集中在0.6～0.8 mm附近。李德俊等[13-14]分析了一次由降雨、雨夾雪到純降雪組成的暴雪天氣過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在降雪階段粒子最大直徑為4.5 mm，粒子數(shù)濃度為2～5429 m-3·mm-1，雨滴譜呈雙峰分布，其中，降雪強(qiáng)度與雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算的回波強(qiáng)度、平均直徑、降雪粒子水含量和數(shù)濃度成正相關(guān)。賈星燦等[15]基于北京山區(qū)冬季降雪粒子譜結(jié)合云雷達(dá)和地面粒子成像儀的結(jié)果，獲得了海坨山地區(qū)冬季過(guò)冷水、霰、雪、混合態(tài)降水的下落速度和粒子譜特征。李遙等[16]分析了南京3次暴雪天氣的雪滴譜特征，發(fā)現(xiàn)Gamma分布在降雪的各階段擬合優(yōu)度較好，得出Z-I關(guān)系為Z=1708I1.51。翟亮等[17]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)反射率因子亮帶消失后，雨滴譜反射率因子序列出現(xiàn)先降后升的小幅波動(dòng)，降水相態(tài)則轉(zhuǎn)為降雪。

烏魯木齊為干旱半干旱地區(qū)，目前對(duì)烏魯木齊地區(qū)降雪滴譜的研究工作開(kāi)展較少。為了定量研究烏魯木齊地區(qū)降雪的雪滴譜特征，本文利用烏魯木齊市國(guó)家基本觀測(cè)站的激光雨滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)烏魯木齊市冬春季的兩次降雪個(gè)例的微觀物理參量特征進(jìn)行深入分析，為了解烏魯木齊地區(qū)的降雪機(jī)制，為人工增雪催化作業(yè)提供科學(xué)參考。

1 資料來(lái)源與處理方法

1.1 雨滴儀及其數(shù)據(jù)

文中研究所用的Parsivel雨滴譜儀是一種基于現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，它采用平行激光束為采樣空間，OTT光電管陣列為接收傳感器，當(dāng)有降水粒子穿越采樣空間時(shí)，自動(dòng)記錄遮擋物的寬度和穿越時(shí)間，從而計(jì)算降水粒子的尺度和速度。儀器測(cè)量的通道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為0.2～25 mm，粒子速度測(cè)量通道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為0.2～20 m/s。儀器的采樣間隔可以設(shè)為10 s～2 h，每一次采樣間隔內(nèi)的粒子譜測(cè)量數(shù)據(jù)都有32×32=1024個(gè)。儀器設(shè)計(jì)時(shí)考慮了雨滴的形變，降水過(guò)程中儀器連續(xù)采樣，采樣頻率為1 min。液態(tài)降水類(lèi)型粒徑的測(cè)量范圍為0.2～6 mm，固態(tài)降水類(lèi)型粒徑測(cè)量范圍為0.2～25 mm。

本文中選取了烏魯木齊氣象站的雨滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)、觀測(cè)站點(diǎn)的小時(shí)降水資料、對(duì)應(yīng)的新一代多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)和靜止衛(wèi)星資料，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，挑選出了2018年3月17—18日和12月1日的兩次具有代表性的暴雪天氣過(guò)程。

1.2 數(shù)據(jù)處理

文中首先對(duì)雨滴譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，剔除了數(shù)據(jù)中的奇異值，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理：（1）每1分鐘的總粒子個(gè)數(shù)≥15、分鐘雨強(qiáng)≥0.1 mm/h的降水過(guò)程，篩選為1個(gè)降水個(gè)例，去除了持續(xù)時(shí)間＜30 min的降水過(guò)程；（2）去除儀器探測(cè)的第1檔數(shù)據(jù)；（3）每10個(gè)樣本進(jìn)行一次平均以減少突變?cè)斐傻恼`差。計(jì)算得出多個(gè)雨滴譜特征量，包括平均雨滴譜、總粒子數(shù)濃度、降水粒子含水量、分鐘雨強(qiáng)、雷達(dá)反射率因子，加權(quán)平均直徑和廣義截距參數(shù)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒子總數(shù)濃度特征

降水粒子的物理特性是云內(nèi)熱力和動(dòng)力過(guò)程作用的結(jié)果，觀測(cè)降水粒子并分析其物理特征，對(duì)研究成云致雨條件，監(jiān)測(cè)人工影響天氣條件具有重要作用。個(gè)例1（3月18日）和個(gè)例2（12月1日）降雪天氣中烏魯木齊站24 h累計(jì)降水分別為15.6、12.4 mm，均達(dá)到了暴雪量級(jí)，小時(shí)最大降雪量分別為2.5、3.4 mm/h，個(gè)例1中選取了3月17日21—22時(shí)開(kāi)始到18日16—17時(shí)結(jié)束，一共14個(gè)逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)；個(gè)例2中選取了12月1日6—7時(shí)開(kāi)始到17—18時(shí)結(jié)束，其中14—15時(shí)，15—16時(shí)和16—17時(shí)無(wú)降水，一共9個(gè)逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。圖1給出了兩個(gè)個(gè)例地面雨量計(jì)直接觀測(cè)和雨滴譜儀反演的小時(shí)雨強(qiáng)的散點(diǎn)圖，并給出了對(duì)應(yīng)的擬合曲線(xiàn)分別為y=0.54x+0.18和y=0.72x+0.09，確定系數(shù)為0.73和0.87，證明了雨滴譜儀反演雨強(qiáng)的準(zhǔn)確性。

圖1 地面雨量計(jì)和雨滴譜反演雨強(qiáng)散點(diǎn)圖

根據(jù)雨滴儀實(shí)測(cè)的1 min降水粒子濃度的平均值，其中個(gè)例1中的有效樣本總數(shù)是840個(gè)數(shù)據(jù)；個(gè)例2中的有效樣本總數(shù)為482個(gè)數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，12月1日的個(gè)例中每分鐘的粒子數(shù)（842 L-1）是3月17—18日那場(chǎng)天氣（330 L-1）的2.5倍，表明12月暴雪過(guò)程的降雪強(qiáng)度大于3月暴雪過(guò)程，這與雨量計(jì)的觀測(cè)結(jié)果也較為吻合。

表1 降雪粒子譜的樣本數(shù)

2.2 滴譜寬度分布

研究表明，降水強(qiáng)度的不同導(dǎo)致降水粒子譜存在較大差異，圖2中分析了兩次降雪過(guò)程的雨滴譜的譜寬（最大直徑）特征后，發(fā)現(xiàn)兩次降雪均表現(xiàn)為單峰分布的特征，且粒子濃度峰值都在低譜寬段，個(gè)例1中的雪滴譜寬度為0.42～4.63 mm，平均譜寬為0.75 mm，個(gè)例2中的雪滴譜寬度為0.55～6.78 mm，平均譜寬為1.73 mm。其中降雪粒子最大直徑大于云南中部[12]一次以雨夾雪為主的降雪天氣的最大粒子直徑1.27 mm，小于安徽大別山一次雨雪天氣粒子譜[11]0.125～9.00mm的最大粒徑。通過(guò)對(duì)所有時(shí)刻的粒子數(shù)濃度譜進(jìn)行平均計(jì)算，獲得了兩次降雪過(guò)程的平均降雪譜特征，發(fā)現(xiàn)個(gè)例2中的雪滴譜寬度和粒子數(shù)濃度均大于個(gè)例1（圖2）。3月17日夜間至18日白天700 hPa高度烏魯木齊站存在T-Td＜2℃的飽和濕區(qū)，濕度條件好，且根據(jù)自動(dòng)站數(shù)據(jù)，3月17日烏魯木齊降水天氣前，24 h平均相對(duì)濕度為70.8%，降水過(guò)程中平均相對(duì)濕度為94.5%。12月1日夜間700 hPa高度烏魯木齊站存在T-Td≤2℃的飽和濕區(qū)，且根據(jù)自動(dòng)站數(shù)據(jù)，12月1日降水天氣前，烏魯木齊24 h平均相對(duì)濕度為47.3%，降水過(guò)程中平均相對(duì)濕度為81.2%。在研究中發(fā)現(xiàn)降雪滴譜類(lèi)型呈雙峰型分布的天氣多在南方等濕潤(rùn)地區(qū)，而在北方如潘佩翀等[18]和張治等[19]研究發(fā)現(xiàn)青海地區(qū)和沈陽(yáng)地區(qū)的雪滴譜類(lèi)型為單峰型，南方地區(qū)相對(duì)北方地區(qū)的云中水汽充沛，冰水含量較大，大粒子數(shù)濃度較多，所以南方等地的雪滴譜類(lèi)型多為雙峰型，北方區(qū)域雪滴譜類(lèi)型多為單峰型，這與本文所得出的結(jié)論較為一致。

圖2 降雪天氣的平均粒子數(shù)濃度分布

2.3 微物理特征參量

通過(guò)對(duì)所有時(shí)刻平均的粒子數(shù)濃度譜進(jìn)行計(jì)算，得出了兩次降雪過(guò)程的平均滴譜的微物理參量信息（表2），其中NT為粒子總數(shù)濃度，Dm為粒子質(zhì)量加權(quán)平均直徑值，Dmax為粒子最大數(shù)濃度所在直徑值，表示粒子數(shù)濃度最大值對(duì)應(yīng)的粒子直徑，lg NW為對(duì)數(shù)單位的廣義截距參數(shù)，MD為粒子的算術(shù)平均值，Z為對(duì)數(shù)單位的反射率因子，R為降水率，W為液水含量。

從表2中各個(gè)譜參數(shù)平均值可以看出，兩次降雪過(guò)程整體平均粒子總數(shù)濃度值分別為242.02、742.72 m-3，根據(jù)Chen等[20]的理論，個(gè)例1的粒子總數(shù)濃度量值位于層狀云總數(shù)濃度值（約200 m-3）附近，個(gè)例2的量值大于積層混合云總數(shù)濃度值（>500 m-3），說(shuō)明個(gè)例1的天氣過(guò)程中降雪云偏向于層狀云類(lèi)型，個(gè)例2中的降雪云偏向積層混合云類(lèi)型；兩個(gè)個(gè)例的質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm分別為0.75 mm和1.73 mm，表明整體降雪過(guò)程主要以直徑為0.75 mm和1.73 mm的尺度粒子為主，基于Chen等[20]的理論結(jié)果，一般層狀云Dm約為1 mm，而積層混合云Dm>1.5 mm，所以進(jìn)一步證實(shí)個(gè)例1為層狀云降雪，個(gè)例2為積層混合云降雪。

根據(jù)Bringi等的[21]結(jié)論，較大的lg NW值而較小Dm值表明云體主要為小尺寸霰粒子和淞附粒子為主，而較小lg NW值和較大Dm值表明云體主要為尺寸較大的干雪花為主，結(jié)合兩次降雪的lg NW值和Dm值之間的大小關(guān)系可以用于初步識(shí)別云體中的粒子成分。從表2得出，個(gè)例1的lg NW=4.02接近4，且Dm=0.75，＜1.5 mm，屬于較大的lg NW而較小的Dm值范圍，表明此次降雪主要是由較小尺寸的霰或者凇附的冰相粒子組成，而個(gè)例2中l(wèi)g NW=3.67，＜4，且Dm=1.73 mm，＞1.5 mm，表明此次降雪主要以尺寸較大的干雪花為主。

表2 所有時(shí)刻平均降雪譜參數(shù)

2.3.1 平均粒子譜主要譜參數(shù)特征

為了解降雪過(guò)程的詳細(xì)演變情況，文中給出了兩個(gè)例的降雪譜各參數(shù)的時(shí)序分布，如圖3～6所示，圖3為降雪期間粒子數(shù)濃度的時(shí)序變化，圖4～6為降雪譜參數(shù)的粒子總數(shù)濃度NT、液水含量W，降雪率R與雷達(dá)反射率因子Z、質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm和對(duì)數(shù)廣義截距參數(shù)lg NW等的時(shí)序變化圖。個(gè)例1中地面雨量計(jì)的降水主要集中在17日21時(shí)—18日00時(shí)和18日08—12時(shí)兩個(gè)時(shí)段，個(gè)例2中地面雨量計(jì)的降水時(shí)段主要在12月1日08—13時(shí)，發(fā)現(xiàn)降雪譜各特征參量與降雪強(qiáng)度變化較為一致。從圖3中可以看出在主要的降雪時(shí)段，粒子數(shù)濃度維持在較高的水平，最大值分別達(dá)到了10000 m-3和16000 m-3，這是北京海坨山[22]降雪過(guò)程中最大的粒子數(shù)濃度8000 m-3的1.25倍和2倍；圖4中的粒子總數(shù)濃度、液水含量和地面主要降水時(shí)段的變化趨勢(shì)較為一致。由圖4可以看出，個(gè)例1中的粒子總數(shù)濃度分布在0～1600 m-3，主要的粒子總數(shù)濃度在100～600 m-3。兩次降雪天氣的液水含量分別在0～0.2 g/m3和0～0.7 g/m3，平均值為0.05 g/m3和0.21 g/m3。如圖5所示，個(gè)例1反射率因子最小值為5 dBZ，最大值為33 dBZ，平均值為20 dBZ，個(gè)例2中的反射率因子主要分布在15～35 dBZ之間，最強(qiáng)反射率因子為40 dBZ，平均值為25 dBZ。這與北京海坨山[22]降雪過(guò)程的平均雷達(dá)反射率因子在20～30 dBZ的結(jié)果較為一致。

圖3 粒子數(shù)濃度時(shí)序圖

圖4 總數(shù)濃度和液水含量時(shí)序圖

圖5 降雪率和反射率因子時(shí)序圖

微物理參量中的lg NW和Dm可以反映降水的形成和演變機(jī)制。在圖6中個(gè)例1的Dm最小值為0.5 mm，最大值為3 mm，有超過(guò)84%的Dm粒子＜1 mm，個(gè)例2中粒子Dm分布在0.5～6.5 mm，有超過(guò)60%的Dm＜1 mm。兩場(chǎng)天氣的Dm平均值分別大于云南中部[12]一次強(qiáng)降雪過(guò)程中的Dm值（0.79mm）和湖北地區(qū)[14]兩次降雪的Dm值（0.68 mm和0.53mm）。

圖6 粒子質(zhì)量權(quán)重平均直徑值和取對(duì)數(shù)的廣義截距參數(shù)

在個(gè)例1中對(duì)數(shù)廣義截距參數(shù)lg NW范圍在3～5.2，主要分布在3.5～4.5，平均值為4.02，個(gè)例2中l(wèi)g NW分布在0.5～5，主要分布在3.5～5，平均值為3.67。lg NW的變化范圍隨質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm的增加而減小，這與Islam等[23]結(jié)合英國(guó)奇爾波頓地區(qū)的雨滴譜數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論一致。

2.3.2 微物理參量的關(guān)系擬合

圖7為兩次降雪過(guò)程中的Dm和lg NW的演變過(guò)程散點(diǎn)圖和二者的擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)，個(gè)例1擬合的lg NW-Dm關(guān)系經(jīng)驗(yàn)多項(xiàng)式公式為：lg NW=0.281.89Dm+5.35，曲線(xiàn)擬合度為0.56。個(gè)例2擬合的lg NW-Dm關(guān)系經(jīng)驗(yàn)多項(xiàng)式公式為：lg NW=0.081.1Dm+5.13，曲線(xiàn)擬合度為0.92。從圖7中兩個(gè)擬合的曲線(xiàn)可以看出，lg NW-Dm兩條曲線(xiàn)呈現(xiàn)出非常明顯的相反的變化關(guān)系，即lg NW增大時(shí)Dm減小，反之亦然。根據(jù)Bringi等[21]的研究成果：lg NW值較大而Dm值較小時(shí)，降雪中粒子的主要組成為小尺度的霰、凇附雪晶粒子；lg NW值較小而Dm值較大時(shí)降雪中粒子主要由較干的大尺度的雪花組成。

圖7 降雪粒子譜lgNW-D m散點(diǎn)圖和擬合的經(jīng)驗(yàn)多項(xiàng)式曲線(xiàn)

雷達(dá)定量估測(cè)降水主要是通過(guò)Z-R關(guān)系來(lái)反演降水強(qiáng)度，在不同地區(qū)這一公式會(huì)有所不同[24]，不同類(lèi)型的降水也會(huì)有不同的Z-R關(guān)系。其中Z-R關(guān)系的不確定性是雷達(dá)定量測(cè)量降水的主要誤差來(lái)源[25]，使用該方法時(shí)需要將雷達(dá)反射率因子Z代入事先確定的Z-R關(guān)系公式（Z=ARB）中得到降水強(qiáng)度R，這就對(duì)事先確定的系數(shù)A、冪指數(shù)B的準(zhǔn)確性有較高的要求。圖8列出了烏魯木齊地區(qū)兩次降雪下的Z-R關(guān)系式，分別為Z=171.7R2.22和Z=518.7R2.27，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.75和0.92。von Lerber等[26]分析了2014年BAECC（Biogenic Aerosols-Effects on Clouds and Climate）期間的降雪Z-R關(guān)系，認(rèn)為系數(shù)A在53～782之間變化，系數(shù)B在1.19～1.61之間變化，烏魯木齊地區(qū)的降雪的Z-R關(guān)系式因子A符合von Lerber等[26]的研究結(jié)果。新一代天氣雷達(dá)定量估測(cè)降水的傳統(tǒng)公式為Z=300R1.4，文中得出的烏魯木齊地區(qū)降雪的Z-R關(guān)系式與傳統(tǒng)的表達(dá)式有顯著區(qū)別。

基于Gamma譜假設(shè)前提下，對(duì)兩個(gè)個(gè)例降雪過(guò)程的粒子數(shù)濃度譜進(jìn)行擬合，獲得了降雪過(guò)程Gamma兩個(gè)參數(shù)μ和Λ的擬合值。圖9給出了μ-Λ散點(diǎn)圖及二者的多項(xiàng)式關(guān)系曲線(xiàn)，擬合關(guān)系式為：個(gè)例1為Λ=0.01μ2+1.75μ+3.37，擬合度為0.92，Λ=0.01μ2+1.79μ+5.02，擬合度為0.98。

圖9 μ-Λ散點(diǎn)圖及擬合曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文利用地基激光雨滴譜儀對(duì)烏魯木齊地區(qū)兩次暴雪天氣的平均粒子譜分布特征和譜參數(shù)的演變情況進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）兩次降雪過(guò)程的雨滴譜表現(xiàn)為單峰分布的特征，且粒子濃度峰值都在低譜寬段，分別為0.42～4.63 mm和0.55～6.78 mm。

（2）兩次降雪過(guò)程整體平均粒子總數(shù)濃度值分別為242.02 m-3和742.72 m-3，個(gè)例1的天氣過(guò)程中降雪云偏向于層狀云類(lèi)型，降雪主要是由較小尺寸的霰或者凇附的冰相粒子組成，個(gè)例2中的降雪云偏向積層混合云類(lèi)型，降雪主要以尺寸大的干雪花為主。降雪譜反演得到的平均反射率因子值分別為20、25 dBZ，與前人雷達(dá)觀測(cè)降雪的結(jié)果相符。

（3）兩次降雪過(guò)程中的Dm和lg NW的擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：lg NW=0.28Dm2-1.89Dm+5.35，和lg NW=0.08Dm2-1.1Dm+5.13，兩個(gè)擬合的曲線(xiàn)呈現(xiàn)出非常明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即lg NW增大時(shí)Dm減小，反之亦然。

（4）兩次降雪下的Z-R關(guān)系式，分別為Z=171.7R2.22和Z=518.7R2.27，確定系數(shù)分別達(dá)到了0.75和0.92。與傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)Z-R關(guān)系公式Z=300R1.4有顯著區(qū)別；基于Gamma譜假設(shè)前提下，μ-Λ擬合多項(xiàng)關(guān)系式為：Λ=0.01μ2+1.75μ+3.37和Λ=0.01μ2+1.79μ+5.02。

雨滴譜的演變主要與一系列的微物理過(guò)程有關(guān)，僅由觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法得到微物理機(jī)制對(duì)雨滴譜演變的影響，今后的研究將借助模式手段對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析。