蔡 釗，劉九夫，廖愛(ài)民，廖敏涵，劉宏偉，王 歡，馬 濤，卓 鵬

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

降水測(cè)量是水循環(huán)、水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、生態(tài)文明建設(shè)、氣候變化等研究的基石[1]，翻斗式、虹吸式、稱重式雨量計(jì)等降水測(cè)量?jī)x器為水文氣象的試驗(yàn)研究以及日常業(yè)務(wù)觀測(cè)都提供了良好的保證，但這些傳統(tǒng)的雨量計(jì)無(wú)法捕捉雨滴的微觀特征。近年來(lái)雨滴譜儀、測(cè)雨雷達(dá)等新技術(shù)的應(yīng)用，豐富了降雨測(cè)量的手段[3]，也為研究降雨的微觀特征提供了更為便捷的手段。雨滴譜儀有二維視頻雨滴譜儀、激光式雨滴譜儀等多種不同類(lèi)型設(shè)備[6]。在國(guó)內(nèi)，胡子浩等[8]進(jìn)行了基于雨滴譜儀測(cè)量降雨的比對(duì)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)雨滴譜儀在降水測(cè)量中的作用評(píng)估以及改進(jìn)提出了建議。在國(guó)外，Villermaux等[11]指出雨滴在下落過(guò)程中存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及與鄰近雨滴的相互作用。大雨滴在下落的過(guò)程中，存在其本身動(dòng)力學(xué)上的不穩(wěn)定而造成的破碎，以及雨滴之間的合并[14]。合并后的雨滴以原來(lái)兩個(gè)雨漏中較大的速度下落，而大雨滴破碎產(chǎn)生的小雨滴，則以相同的速度下落[15]。Guillermo等[16]在研究中利用光學(xué)圖像的方法，證實(shí)了大雨滴在下落過(guò)程中產(chǎn)生的破碎小雨滴，其尾速比通常的認(rèn)知要大。Larsen等[17]也通過(guò)對(duì)雨滴譜儀的持續(xù)觀測(cè)，得出降雨發(fā)生后小直徑的雨滴占比較高的結(jié)論。

先前研究主要側(cè)重于雨滴譜儀與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)和誤差來(lái)源分析，以及雨滴的物理特性分析等，對(duì)雨滴本身的特性與雨強(qiáng)的關(guān)系，到達(dá)地面后的尾速和直徑的關(guān)系，不同雨強(qiáng)下雨滴直徑分布情況的分析較少。因此筆者利用Parsivel(OTT)雨滴儀對(duì)2019年5—10月和2020年梅雨季的降雨進(jìn)行雨滴特性分析，深入探究雨滴的微觀特性，得到雨滴到達(dá)地面時(shí)的尾速、直徑及其兩者之間的關(guān)系特征，并探究不同雨強(qiáng)范圍雨滴直徑的分布情況，為雨滴特性的進(jìn)一步研究，以及雨滴譜儀在水文試驗(yàn)和觀測(cè)的資料分析以及數(shù)據(jù)對(duì)比分析提供參考，可為未來(lái)雨量計(jì)的標(biāo)定提出新的建議。

1 研究方法

1.1 場(chǎng)地位置

本研究在南京水利科學(xué)研究院滁州水文實(shí)驗(yàn)基地(118°12′E，32°17′N(xiāo))內(nèi)開(kāi)展，氣象場(chǎng)內(nèi)布置了2個(gè)間距2 m的Parsivel(OTT)型雨滴儀：SL3-1型0.1 mm雨量計(jì)，JDZ型0.2 mm、0.5 mm雨量計(jì)，以及其他眾多水文實(shí)驗(yàn)儀器[18]，見(jiàn)圖1。圖1中D01、D02為2臺(tái)雨滴譜儀，J01、J03、J05分別為分辨率0.1 mm、0.5 mm、0.2 mm的雨量計(jì)(每種分辨率的雨量計(jì)為2對(duì))。

圖1 滁州水文實(shí)驗(yàn)基地儀器布置

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及降水資料

Parsivel(OTT)型雨滴儀主要利用光學(xué)原理[19]，測(cè)量到達(dá)儀器測(cè)量范圍內(nèi)的雨滴的粒徑、速度、能量、雨滴類(lèi)型等參數(shù)。本研究中雨滴譜儀雨強(qiáng)為0.001～ 9 999.9 mm/h,粒徑為0.2～ 24.5 mm,速度為0.2～20 m/s，其中雨滴直徑譜在雨滴的橫向和縱向(D和V方向)進(jìn)行了32個(gè)分級(jí)。用于比對(duì)的雨量計(jì)分別為0.1 mm分辨率的SL3-1型雨量計(jì)和0.5 mm分辨率的JDZ型雨量計(jì)，且這兩種雨量計(jì)在安裝前均進(jìn)行了嚴(yán)格的標(biāo)定試驗(yàn)，將雨量計(jì)的計(jì)量誤差控制在±4%以內(nèi)。為滿足雨滴譜儀、滁州水文實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)X波段雙偏振測(cè)雨雷達(dá)和雨量計(jì)的試驗(yàn)研究要求，滁州水文實(shí)驗(yàn)基地所有的雨量計(jì)、雨滴譜儀的數(shù)據(jù)記錄頻率均為1 min/次，高于行業(yè)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)5 min/次。

降雨資料使用2019年5—10月和2020年梅雨季的降水?dāng)?shù)據(jù)，由于2019年降水量較少，其梅雨季期非常短，而2020年梅雨季降雨量較多，因此分別進(jìn)行了雨滴特性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨滴譜儀與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

對(duì)比2019年5—10月0.1 mm和0.5 mm雨量計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖2)可知，它們?cè)诮涤昕偭康牟东@中差別很小，僅相差2 mm左右，但從降雨量的累計(jì)差異可看出，在7月份之后的降雨中，每場(chǎng)降雨均存在0.1 mm雨量計(jì)測(cè)量值略大于0.5 mm雨量計(jì)的情況。特別是在7月6日和8月2日的降雨測(cè)量中，0.1 mm雨量計(jì)每分鐘的測(cè)量值明顯偏大，這與之前有關(guān)雨量計(jì)特性試驗(yàn)結(jié)果一致[21]，即SL3型0.1 mm雨量計(jì)誤差和穩(wěn)定性方面的要求均不如JDZ型0.5 mm雨量計(jì)。

圖2 2019年5—10月0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)觀測(cè)值對(duì)比

2019年5—10月中，2臺(tái)雨滴譜儀D01和D02的累積雨量和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)已標(biāo)定的0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)測(cè)量的累積雨量的對(duì)比如圖3所示。圖3反映了雨滴譜儀數(shù)據(jù)的變化以及與雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異：2臺(tái)雨滴譜儀測(cè)得的雨量和0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)的觀測(cè)值整體趨勢(shì)基本一致，除去圖2中4個(gè)點(diǎn)的雨量累計(jì)值不一致外，雨量基本一致，說(shuō)明雨滴譜儀在雨量測(cè)量中有一定的可信度。另外，2臺(tái)雨滴譜儀在降雨發(fā)生后的雨量數(shù)據(jù)趨勢(shì)、雨量計(jì)量等方面的差距很小，說(shuō)明其儀器在自身差異化方面有一定的保證。

圖3 2019年5—10月雨滴譜儀累積雨量和0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)測(cè)量的累積雨量對(duì)比

針對(duì)存在差異的4個(gè)點(diǎn)(A～D點(diǎn))進(jìn)行單獨(dú)分析，A處和C處雨滴譜儀數(shù)據(jù)大于0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)測(cè)量值的主要原因是雨量計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸素材(CR1000)在2019年5月26日凌晨6點(diǎn)左右出現(xiàn)了短暫的供電缺失造成的數(shù)據(jù)缺失。B處和D處雨滴譜儀數(shù)據(jù)小于0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)測(cè)量值的主要原因是2019年8月2日實(shí)驗(yàn)基地出現(xiàn)供電問(wèn)題，導(dǎo)致雨滴譜儀出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，缺失值在10 mm左右。

2.2 雨滴譜儀粒徑分析

對(duì)2019年5—10月和2020年梅雨季的雨滴粒徑統(tǒng)計(jì)如圖4、圖5所示，由于雨滴譜儀的測(cè)量數(shù)據(jù)在進(jìn)行內(nèi)部分組時(shí)，0～1.25 mm直徑范圍的分組間隔為0.125 mm，1.25～2.5 mm分組間隔為0.25 mm；依次類(lèi)推，因此圖4中柱狀圖的寬度代表了分組間隔的大小，圖中0～1.25 mm柱狀的寬度小于1.25～2.5 mm的寬度。從雨滴譜儀測(cè)量的雨滴直徑結(jié)果可看出雨滴的直徑分布呈現(xiàn)“雙峰”分布的形態(tài)，在0.438～0.562 mm和1.25～1.5 mm直徑處出現(xiàn)了2個(gè)柱狀峰值，這可能與不同降雨類(lèi)型(降雨雨強(qiáng))下不同直徑雨滴的占比有關(guān)。

圖4 2019年5—10月2臺(tái)雨滴譜儀的雨滴直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 2020-06-10—2020-07-21梅雨季雨滴譜儀的雨滴直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖4可知在2019年5—10月中頻率最高的為0.5 mm直徑左右的雨滴，占比超過(guò)20%；0.7 mm直徑以下的雨滴占比約65%，1 mm直徑以下的雨滴占比更是接近83%。說(shuō)明在夏秋季節(jié)滁州實(shí)驗(yàn)基地的降雨主要以小直徑的雨滴為主，大雨滴的直徑占比很小，這與Larsen等[17]的研究相吻合：即雨滴在下落過(guò)程中存在破碎過(guò)程，到達(dá)地面的雨滴主要以小直徑的雨滴為主。

由圖5可知2020年梅雨季中雨滴的直徑分布在整體上與2019年5—10月基本相似：統(tǒng)計(jì)頻率圖中出現(xiàn)2個(gè)峰值，且降雨雨滴的直徑集中在1 mm以下。但梅雨季也有不同之處：2個(gè)峰值集中在0.375～0.5 mm和1.187～1.25 mm之間，分別占比14.86%和6.98%，遠(yuǎn)高于2019年此分布區(qū)間的占比。造成此現(xiàn)象的原因可能是梅雨季云層中形成的雨滴初始直徑較大，在下落過(guò)程中發(fā)生了更多的破碎和碰撞。

滁州實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)布置的雨量計(jì)記錄頻次均為1 mm/min，可真實(shí)反映出自然降雨的每分鐘雨強(qiáng)。圖6為使用0.1 mm雨量計(jì)觀測(cè)的2019年5—10月和2020年梅雨季的雨強(qiáng)分布頻率直方圖。由圖6可清晰看出，無(wú)論是2019年還是2020年的梅雨季，降雨雨強(qiáng)在0.5 mm/min以下的頻率超過(guò)了90%，雨強(qiáng)在0.3 mm/min以下的頻率超過(guò)了80%，即大部分的自然降雨為小雨強(qiáng)，這與通常的認(rèn)知有些許區(qū)別，也為未來(lái)雨量計(jì)的標(biāo)定提出了新要求：雨量計(jì)在出廠標(biāo)定時(shí)必須在小雨強(qiáng)下將誤差控制在±4%以內(nèi)，以滿足全年降水計(jì)量誤差控制需求。

圖6 2019年5—10月和2020年梅雨季0.1 mm雨量計(jì)記錄的雨強(qiáng)分布直方圖

由不同雨強(qiáng)區(qū)間內(nèi)雨滴直徑分布情況(圖7、圖8)可知，在不同雨強(qiáng)范圍內(nèi)雨滴直徑的分布呈現(xiàn)不同的特征，在較小雨強(qiáng)下(0～0.3 mm/min)，小直徑的雨滴占比較多，集中在0.2～0.6 mm之間，占比40%左右，且并未出現(xiàn)“雙峰”的分布形態(tài)；隨著雨強(qiáng)的增大(0.3～0.6 mm/min)，雨滴粒徑占比較多的集中在1.5 mm左右(圖7中A、B兩點(diǎn))。隨著雨強(qiáng)的繼續(xù)增大，直徑在1.5 mm左右的雨滴占比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，分布直方圖呈現(xiàn)出較為明顯的“雙峰”現(xiàn)象。這可能與雨滴下落過(guò)程中的碰撞破碎以及雨滴之間的合并有關(guān)，在小雨強(qiáng)下雨滴以小直徑為主；隨著雨強(qiáng)的增大，在一定雨強(qiáng)范圍內(nèi)雨滴的破碎量變小或者雨滴融合較多，造成較大直徑的雨滴占比較多；隨著雨強(qiáng)繼續(xù)增大，雨滴之間的碰撞增多，以及大雨滴破碎為小直徑雨滴的概率增大，進(jìn)而出現(xiàn)分布中的“雙峰”現(xiàn)象。

圖7 2019年5—10月不同雨強(qiáng)范圍內(nèi)雨滴直徑的分布直方圖

圖8 2020年梅雨季不同雨強(qiáng)范圍內(nèi)雨滴直徑的分布直方圖

2.3 不同雨型下雨滴直徑分布分析

自然界中不同雨型對(duì)應(yīng)的雨滴譜存在不同的特性，圖9給出了2019年6場(chǎng)不同雨型的降雨雨滴直徑分布。6場(chǎng)降雨中，小雨、中雨各2場(chǎng)，大雨和暴雨各1場(chǎng)。對(duì)不同雨型的直徑分析可得到：①無(wú)論任何雨型，直徑占比最大的始終是0.5 mm左右直徑的雨滴。②雨滴直徑直方圖一般存在“雙峰”現(xiàn)象；但在不同雨型的情況下，“雙峰”的形態(tài)有很大的變化，有可能出現(xiàn)“三峰”(圖9(d))，甚至可能消失變?yōu)椤皢畏濉?圖9(f))的現(xiàn)象。在中雨和大雨雨型下，雨滴直徑的直方圖均呈現(xiàn) “雙峰”現(xiàn)象。隨著雨強(qiáng)的增大，變?yōu)楸┯陼r(shí)，則會(huì)出現(xiàn)第3個(gè)較為突出的峰值，這可能是由于在暴雨發(fā)生時(shí)，降雨雨滴的初始直徑較大，存在較多的碰撞和融合。隨著降雨雨強(qiáng)的減小，則會(huì)只出現(xiàn)0.5 mm左右直徑占比最大的“單峰”現(xiàn)象(圖9(f))，這可能與雨滴形成的初始直徑較小有關(guān)，雨滴在下落的過(guò)程中，存在較多的碰撞，但雨滴融合較少。

圖9 2019年5—10月不同雨型時(shí)雨滴直徑的分布直方圖

2.4 雨滴譜粒徑與速度關(guān)系分析

雨滴譜儀測(cè)量雨滴的直徑和速度關(guān)系如圖10所示，并在圖中給出了置信水平95%的置信橢圓。由圖10可知：①降雨雨滴的最大速度可達(dá)10 m/s，且出現(xiàn)最大速度的雨滴直徑均在1 mm以下，這可能與雨滴在空中下落時(shí)的破碎有關(guān)。大雨滴在下落時(shí)產(chǎn)生破碎，生成更多小直徑的雨滴，這些小雨滴破碎后的速度與大雨滴相同；而在小雨滴下落過(guò)程中承受空氣阻力較小，因此在到達(dá)地面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的尾速度。②雨滴直徑均小于5 mm，且95%的雨滴樣本落在速度0～7 m/s、直徑0.4～3.8 mm之間。在降雨量較大的2020年6—7月梅雨季，置信橢圓整體顯得更為“消瘦”，即降雨雨滴的粒徑范圍更為集中，且速度分布的范圍更廣。③大直徑雨滴(大于3 mm)的尾速范圍穩(wěn)定在1～4 m/s之間；而尾速較大(大于7 m/s)的雨滴，直徑普遍在2 mm以下，且集中在1～2 mm區(qū)間之內(nèi)，原因可能與大直徑雨滴破碎產(chǎn)生小雨滴的下落速度較大有關(guān)。

圖10 2019年5—10月和2020年6—7月雨滴直徑和速度分布以及基于正態(tài)分布的置信水平95%置信橢圓

3 結(jié) 論

a.2019年5—10月出現(xiàn)頻率最高的是0.5 mm左右直徑雨滴，占比超過(guò)20%；0.7 mm直徑以下的雨滴占65%左右；直徑1 mm以下的雨滴占83%左右。雨滴的直徑分布呈現(xiàn)“雙峰”分布形態(tài)，在2020年6—7月的表現(xiàn)更為明顯，其占比集中在0.375～0.5 mm和1.187～1.25 mm之間，分別為14.86%和6.98%。

b.在中雨、大雨雨型的情況下，雨滴直徑直方圖的“雙峰”較為明顯，但隨著降雨雨強(qiáng)的增大，在暴雨雨型下有可能出現(xiàn)“三峰”的情況；而在小雨雨型時(shí)則更容易出現(xiàn)“單峰”現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)基地0.1 mm、0.5 mm雨量計(jì)和雨滴譜儀降雨量的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)了雨滴譜儀在降水量的反演中有一定的可信度，同時(shí)0.1 mm雨量計(jì)在大雨強(qiáng)下存在觀測(cè)值略大于0.5 mm雨量計(jì)的情況。

c.2019年5—10月和2020年梅雨季，雨強(qiáng)在0.5 mm/min以下的頻率超過(guò)90%，雨強(qiáng)在0.3 mm/min以下的頻率超過(guò)了80%。這為未來(lái)雨量計(jì)的標(biāo)定提出了新的要求，即雨量計(jì)在出廠標(biāo)定時(shí)必須在小雨強(qiáng)下進(jìn)行標(biāo)定，將誤差控制在±4%以內(nèi)，以滿足全年降水測(cè)量的誤差控制需求。

d.降雨雨滴的最大速度可達(dá)10 m/s，且出現(xiàn)速度最大值的雨滴直徑均在1 mm以下；雨滴直徑均小于5 mm，且95%的雨滴樣本落在速度0～7 m/s、直徑0.4～3.8 mm之間。大直徑的雨滴(大于3 mm)的尾速范圍穩(wěn)定在1～4 m/s之間；而尾速較大(大于7 m/s)的雨滴，直徑普遍在2 mm以下，且集中在1～2 mm之內(nèi)。