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        登陸臺(tái)風(fēng)不同強(qiáng)度降水的雨滴譜特征對(duì)比*

        2022-02-14 12:24:54張慶池劉子賀李靜怡王珂瑋
        氣象 2022年12期
        關(guān)鍵詞:特征

        張慶池 呂 翔 劉子賀 李靜怡 王珂瑋 郭 晞

        1 江蘇省徐州市氣象局,徐州 221002 2 江蘇省氣象局,南京 210008 3 中國氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,南京 210041

        提 要: 利用江蘇省徐州、新沂兩站架設(shè)的Parsivel第2代激光雨滴譜資料對(duì)2018—2019年影響江蘇的臺(tái)風(fēng)溫比亞和利奇馬造成的不同階段降水進(jìn)行對(duì)比分析和研究。結(jié)果表明:雨強(qiáng)較小時(shí),以中、小雨滴為主;雨強(qiáng)增大時(shí),大雨滴增多。強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)數(shù)量較多的大雨滴?!袄骜R”降水主要由高濃度的中、小雨滴構(gòu)成,具有熱帶臺(tái)風(fēng)降水的低質(zhì)心特征;“溫比亞”降水存在濃度較高的大雨滴,回波發(fā)展高度高,更偏于溫帶臺(tái)風(fēng)降水特征。兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降水階段都對(duì)應(yīng)大的譜寬和雨滴直徑,不僅大雨滴多,中、小雨滴也多,在大雨滴處呈多峰現(xiàn)象,符合Gamma分布,表現(xiàn)為對(duì)流云降水特征。弱降水階段“溫比亞”譜寬和最大雨滴直徑較大,但雨滴平均直徑不大,大小雨滴懸殊,基本符合Gamma分布,為混合云降水特征;弱降水階段“利奇馬”譜寬和雨滴直徑較小,有更多的小雨滴,平均譜型較平緩,符合Marshall-Palmer分布,為層狀云降水特征。兩個(gè)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)弱降水時(shí)間段的雷達(dá)反射剖面圖與雨滴譜也有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,回波伸展越高,35 dBz有效降水回波越寬廣,高空形成更多更大的雨滴,下落的雨滴不斷碰并,雨滴數(shù)濃度增大,直徑增大,弱降水時(shí)間段則相反。造成強(qiáng)降水的主要是由大直徑雨滴構(gòu)成的對(duì)流云降水,混合云降水也會(huì)形成強(qiáng)降水,層狀云降水較弱。層狀云降水中的中小雨滴數(shù)量最多且對(duì)降水起主要貢獻(xiàn),對(duì)流云降水的中小雨滴數(shù)量雖多,但起主要貢獻(xiàn)的為更大直徑雨滴?!皽乇葋啞睆?qiáng)、弱降水階段的Z-R關(guān)系接近一致,降水類型相近,與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系相比系數(shù)偏小,雷達(dá)估測降水偏小?!袄骜R”強(qiáng)、弱降水階段Z-R關(guān)系差別較大,屬于不同降水類型,與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系相比指數(shù)偏大,雷達(dá)估測降水偏大。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系并不適用于不同降水過程,總結(jié)適用于各地、各季不同降水類型的Z-R關(guān)系很有必要。

        引 言

        臺(tái)風(fēng)是形成于熱帶海洋大氣中強(qiáng)烈的暖性渦旋系統(tǒng),往往伴隨著大風(fēng)、暴雨和巨浪等現(xiàn)象,是全球最具有破壞性的自然災(zāi)害之一。西北太平洋是全球臺(tái)風(fēng)生成最多的海域,每年平均大約有7個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸中國沿海地區(qū),使中國成為受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的國家之一。近年來,臺(tái)風(fēng)登陸中國沿海后北上造成的極端強(qiáng)降水引起更多的重視,其帶來的城市、農(nóng)田積澇和流域洪水有著巨大的災(zāi)害性。臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑、暴雨落區(qū)及形成機(jī)理都是預(yù)報(bào)中需要重點(diǎn)關(guān)注的(陳聯(lián)壽等,2017;任福民和楊慧,2019)。目前,國內(nèi)研究臺(tái)風(fēng)降水,主要是環(huán)流診斷分析、天氣雷達(dá)、數(shù)值模擬等(高拴柱,2020;梁軍等,2019;楊舒楠等,2019;2021;董林等,2020;朱紅芳等,2019)。臺(tái)風(fēng)降水定量估測大多通過雷達(dá)反射率因子Z和雨強(qiáng)R的關(guān)系(馮婉悅等,2021;Atlas et al,1973),即Z-R關(guān)系,研究表明,經(jīng)典的Z-R關(guān)系并不適用于所有降水情況,其受地域、降水類型等因素的影響很大,因此Petersen et al(1999)、Vieux and Bedient(1998)都建立了不同地區(qū)特定的Z-R關(guān)系。隨著觀測技術(shù)設(shè)備的發(fā)展,雨滴譜成為研究降水云物理過程的重要內(nèi)容(Battaglia et al,2010;Niu et al,2010;李景鑫等,2010;張昊等,2011;朱亞喬和劉元波,2013;梅海霞等,2017),一些學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)(楊俊梅等,2016;趙城城等,2021)、不同降水類型(羅俊頡等,2012;謝媛等, 2015;周黎明等,2015;金祺等,2015)、不同天氣系統(tǒng)(周黎明等,2017;梅海霞等,2020)、不同高度降水天氣(袁野等,2016;李慧等,2018;程鵬等,2021)等作出了細(xì)致研究。通過分析雨滴譜特征,可以深入探究臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的云降水物理過程及內(nèi)在機(jī)制。Ulbrich and Lee(2002)分析了2000年臺(tái)風(fēng)Helene降水的雨滴譜特征,證明了影響過程中Z-R關(guān)系的不穩(wěn)定。Tokay et al(2008)分析2004—2006年大西洋7個(gè)臺(tái)風(fēng)過程,研究雨滴譜中各參數(shù)變化和對(duì)降水的作用,發(fā)現(xiàn)熱帶臺(tái)風(fēng)降水主要由高濃度的中、小雨滴構(gòu)成,而溫帶臺(tái)風(fēng)則存在濃度較高的大雨滴。Chen et al(2012),林文等(2016)先后分析了登陸臺(tái)風(fēng)莫拉克、麥德姆不同部位的雨滴譜特征。朱紅芳等(2020)對(duì)比分析了1211號(hào)臺(tái)風(fēng)??绊戇^程中不同站點(diǎn)在本體降水階段與冷空氣入侵降水階段的雨滴譜特征差異。馮婉悅等(2021)對(duì)比分析了1818號(hào)臺(tái)風(fēng)溫比亞外圍云系影響區(qū)域的雨滴譜儀數(shù)據(jù)計(jì)算的Z-R關(guān)系與雷達(dá)實(shí)測、雨量計(jì)實(shí)測的差異。申高航等(2020;2021)在1909號(hào)臺(tái)風(fēng)利奇馬的臺(tái)風(fēng)暖區(qū)、臺(tái)風(fēng)與西風(fēng)槽相互作用區(qū)及西風(fēng)槽影響區(qū)分別挑選 4 個(gè)極端強(qiáng)降水中心,利用雨滴譜資料分析了不同站點(diǎn)和不同降水時(shí)段的雨滴譜特征。以往研究多是利用雨滴譜資料對(duì)單個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的不同部位、不同階段的特征分析,對(duì)不同登陸臺(tái)風(fēng)造成的階段性降水特征對(duì)比分析較少。

        2018—2019年先后有臺(tái)風(fēng)溫比亞和利奇馬在中國東部沿海登陸北上,具有生命史長、影響范圍廣、風(fēng)雨強(qiáng)度大、災(zāi)情嚴(yán)重等共同點(diǎn),影響歷史罕見。同時(shí)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)又各具特點(diǎn):“溫比亞”近海生成,登陸強(qiáng)度弱,登陸后向西北深入內(nèi)陸,強(qiáng)度長時(shí)間維持,降水階段性特征明顯;“利奇馬”登陸強(qiáng)度強(qiáng),登陸后沿我國東部沿海地區(qū)北上,降水階段性特征不明顯。江蘇徐州地處內(nèi)陸黃淮地區(qū)、蘇魯豫皖四省交界,歷史上少有登陸臺(tái)風(fēng)直接影響,在這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過程中先后受到臺(tái)風(fēng)外圍、臺(tái)風(fēng)倒槽、臺(tái)風(fēng)本體等階段影響,出現(xiàn)了極端強(qiáng)降水。本文利用架設(shè)在江蘇徐州、新沂兩站的雨滴譜探測儀收集到的觀測資料,對(duì)這兩個(gè)登陸北上、影響嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)造成的階段性降水微物理特征進(jìn)行分析,比較其雨滴譜演變特征及不同階段的微物理特征差異,分析臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)降水中對(duì)流云降水、層狀云降水以及混合云降水的特征,得出不同降水強(qiáng)度下臺(tái)風(fēng)系降水的雨滴譜特征、各尺度雨滴對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的貢獻(xiàn)以及各自的Z-R關(guān)系。

        1 臺(tái)風(fēng)概況與天氣背景

        圖1為臺(tái)風(fēng)溫比亞和利奇馬的路徑,數(shù)據(jù)來自中國氣象局最佳路徑數(shù)據(jù)集(Ying et al,2014;Lu et al,2021)。“溫比亞”于2018年8月15日生成,17日凌晨登陸上海,經(jīng)江蘇蘇州進(jìn)入太湖后一路西行進(jìn)入安徽境內(nèi),逐漸轉(zhuǎn)向西北方向移動(dòng),傍晚進(jìn)入河南境內(nèi),19日進(jìn)入山東,強(qiáng)度逐漸減弱,20日凌晨在山東北部變性為溫帶氣旋。受其影響,16日夜間至19日,江蘇陸續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)雨天氣,尤其是江蘇西北部的徐州地區(qū),大部分縣(市)出現(xiàn)大暴雨,位于蘇魯豫皖交界的豐縣、沛縣以及徐州市區(qū)部分地區(qū)達(dá)到特大暴雨,最大累計(jì)降水量為534.4 mm,創(chuàng)下歷史極值。

        圖1 臺(tái)風(fēng)溫比亞(黑色)和利奇馬(灰色)移動(dòng)路徑與徐州站(+)、新沂站(O)位置(下同)Fig.1 Observed tracks of typhoon “Rumbia”(black) and “Lekima” (gray)(Symbols “+” and “O” indicate the locations of Xuzhou Station and Xinyi Station, the same below)

        “利奇馬”于2019年8月4日生成,7日晚加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),10日凌晨在浙江溫嶺沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為16級(jí)(52 m·s-1,超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)),中心最低氣壓為930 hPa,是2019年登陸中國的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng),在1949年以來登陸中國大陸的臺(tái)風(fēng)中強(qiáng)度排名第五。登陸后穿過浙江、江蘇移入黃海西部海域,隨后在山東青島沿海再次登陸,穿過山東半島后進(jìn)入渤海,之后受到西北氣流和臺(tái)風(fēng)羅莎的共同影響,在萊州灣附近徘徊,13日08時(shí)(北京時(shí),下同)減弱為熱帶低壓?!袄骜R”持續(xù)時(shí)間長,北上影響范圍廣,陸地滯留時(shí)間長達(dá)44 h。受其影響,浙江、山東、江蘇等地均出現(xiàn)極端強(qiáng)降雨天氣,江蘇全省平均過程雨量為117.6 mm,僅次于歷史上6214號(hào)和6513號(hào)臺(tái)風(fēng),是近54年來影響江蘇雨量最大的臺(tái)風(fēng)。

        臺(tái)風(fēng)降水的復(fù)雜性決定了即使在同一系統(tǒng)影響過程中也可能存在明顯的變化,不同的影響時(shí)間,或者受臺(tái)風(fēng)不同部位影響,可能對(duì)應(yīng)不同的降水類型(朱亞喬和劉元波,2013),其降水云物理特征也存在一定差異,本文選取兩個(gè)臺(tái)風(fēng)影響徐州過程中的不同階段來分析不同雨強(qiáng)的雨滴譜特征。由于其移動(dòng)路徑、環(huán)流形勢都存在較大差異,致使不同階段的主要影響系統(tǒng)也不相同,圖2、圖3給出了兩個(gè)臺(tái)風(fēng)不同降水階段的500 hPa平均高度場,研究采用ERA5資料。

        圖2 2018年8月(a)17日08時(shí)至18日08時(shí),(b)18日17時(shí)至19日02時(shí)的500 hPa平均高度場(單位:dagpm)Fig.2 The averaged geopotential height field (unit: dagpm) at 500 hPa from (a) 08:00 BT 17 to 08:00 BT 18 and (b) 17:00 BT 18 to 02:00 BT 19 August 2018

        圖3 2019年8月(a)10日11—17時(shí),(b)11日11—17時(shí)的500 hPa平均高度場(單位:dagpm)Fig.3 The averaged geopotential height field (unit: dagpm) at 500 hPa in (a) 11:00-17:00 BT 10 and (b) 11:00-17:00 BT 11 August 2019

        2018年8月16日08時(shí),臺(tái)風(fēng)溫比亞位于東海上,副熱帶高壓(以下簡稱副高)勢力強(qiáng)大,在副高西南側(cè)東南氣流的引導(dǎo)下,“溫比亞”向西偏北方向移動(dòng),受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響,徐州開始出現(xiàn)分布不均勻的雷陣雨。17日20時(shí),副高勢力減弱,“溫比亞”進(jìn)一步向西北移動(dòng),徐州位于臺(tái)風(fēng)倒槽右側(cè),受副高西南側(cè)的東南風(fēng)急流影響,水汽輸送十分有利,17日后半夜降水開始加強(qiáng),此階段對(duì)流不是很強(qiáng),以低質(zhì)心降水為主,降水效率較高,最大小時(shí)雨強(qiáng)為21.9 mm·h-1,總體雨量達(dá)大到暴雨。18日,副高減弱東退至洋面,“溫比亞”由于缺少引導(dǎo)氣流在河南境內(nèi)移動(dòng)緩慢,隨著西風(fēng)槽東移,槽后攜帶的冷空氣與臺(tái)風(fēng)倒槽右側(cè)東南暖濕急流交匯,引發(fā)強(qiáng)烈的輻合抬升和不穩(wěn)定能量釋放,在蘇魯豫皖交界處造成了持續(xù)性強(qiáng)降水。

        2019年8月10日,“利奇馬”登陸后沿副高西側(cè)向偏北方向移動(dòng),由于副高減弱,引導(dǎo)氣流減弱,移速變慢,受其北側(cè)倒槽影響,強(qiáng)降水集中在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)本體的江蘇北部,徐州以東穩(wěn)定維持一條南北向的螺旋雨帶,有明顯列車效應(yīng),出現(xiàn)了大暴雨(郭云謙等,2020;向純怡等,2020)。11日,隨著“利奇馬”繼續(xù)北上,低壓環(huán)流中心穿越江蘇北部,此時(shí)產(chǎn)生降水為本體降水,強(qiáng)度明顯減弱,強(qiáng)降水集中在臺(tái)風(fēng)倒槽和冷空氣疊加影響的山東地區(qū)。

        2 雨滴譜數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制

        Parsivel雨滴譜儀目前布設(shè)在江蘇各個(gè)人工觀測站點(diǎn),是以激光測量為基礎(chǔ)的粒子測量傳感器,能夠測量地面降水的通量譜(金祺等,2015)。它能提供11種時(shí)間分辨率(10 s~1 h)、32個(gè)直徑通道和32個(gè)速度通道的測量數(shù)據(jù),測量直徑范圍為0.2~25.0 mm,落速范圍為0.2~20.0 m·s-1。本文數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min,為減小誤差,對(duì)收集到的雨滴譜數(shù)據(jù)采用Battaglia et al(2010)的軸比訂正法進(jìn)行訂正。另外,對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,剔除前兩個(gè)尺度檔和訂正后雨滴直徑大于8 mm的數(shù)據(jù),以及雨滴下落速度與Atlas et al(1973)的經(jīng)典下落速度相差大于5 m·s-1的數(shù)據(jù)。

        為對(duì)雨滴譜譜型及分布函數(shù)進(jìn)行分析,需要將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位體積、單位尺度間隔內(nèi)的雨滴數(shù)濃度:

        (1)

        式中:nij表示直徑位于第i個(gè)尺度區(qū)間內(nèi)同時(shí)下落速度介于第j個(gè)速度區(qū)間的雨滴數(shù),A是儀器的采樣面積(單位:m2),Δt是采樣時(shí)間間隔(單位:s),Di和ΔDi分別表示第i個(gè)尺度區(qū)間的中心直徑和該區(qū)間的尺度間隔(單位:mm),Vj表示第j個(gè)速度區(qū)間的中心速度(單位:m·s-1)。N(Di)表示直徑介于Di與Di+ΔDi的單位體積單位尺度間隔內(nèi)的雨滴數(shù)(單位:mm-1·m-3)。

        根據(jù)雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算得到質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm、雨強(qiáng)R(單位:mm·h-1)和雨水含量Z(單位:mm6·m-3)的計(jì)算公式為

        (2)

        (3)

        (4)

        Niu et al(2010)研究表明,對(duì)于層狀云和對(duì)流云降水的雨滴譜,Gamma函數(shù)的擬合效果都優(yōu)于Marshall-Palmer函數(shù),因此選用有三個(gè)可變參數(shù)的Gamma函數(shù)對(duì)雨滴譜進(jìn)行擬合:

        N(D)=N0Dμexp(-ΛD)

        (5)

        式中:D是雨滴直徑(單位:mm),N0是截距參數(shù)(單位:mm-1-μ·m-3),μ是形狀因子,Λ是斜率參數(shù)(單位:mm-1)。

        為驗(yàn)證雨滴譜資料的可靠性,李林等(2022)采用雨滴譜計(jì)算出的雨強(qiáng)值R與漏斗雨量器觀測值數(shù)據(jù)對(duì)比相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.985,圖4為“利奇馬”過程兩種不同觀測儀器對(duì)雨強(qiáng)的對(duì)比,分析兩次臺(tái)風(fēng)過程中計(jì)算值R是否能夠大致反映真實(shí)降雨的變化趨勢,從“利奇馬”過程中兩種數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出其變化趨勢、量級(jí)大小基本處于一致,相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.986,有較好的相關(guān)性,說明雨滴譜資料可以用來表示降雨的變化。“溫比亞”過程對(duì)比有相同的結(jié)論(圖略)。

        圖4 2019年8月10—12日臺(tái)風(fēng)利奇馬過程雨滴譜計(jì)算降水強(qiáng)度(紅線)與漏斗雨量器觀測值(黑線)對(duì)比Fig.4 Comparison between the precipitation intensity derived from raindrop spectrum (red line) and the rain gauge observed value (black line) during the rainfall process caused by Typhoon Lekima during 10-12 August 2019

        3 臺(tái)風(fēng)降水雨滴譜演變特征

        3.1 雨滴譜時(shí)間變化特征

        “溫比亞”影響期間,徐州站出現(xiàn)大暴雨,雨滴譜觀測計(jì)算得到的雨強(qiáng)R變化顯示,出現(xiàn)兩個(gè)明顯的階段,前一階段(17日08時(shí)至18日08時(shí))雨強(qiáng)較小,大部分時(shí)段不超過10 mm·h-1,后一階段(18日17時(shí)至19日02時(shí))雨強(qiáng)增大,大部分在10 mm·h-1以上,還出現(xiàn)了20 mm·h-1以上持續(xù)性的短時(shí)強(qiáng)降水,過程最大雨強(qiáng)也出現(xiàn)在這個(gè)階段。結(jié)合形勢分析,該站在兩個(gè)階段分別處于臺(tái)風(fēng)不同部位,前一階段“溫比亞”向西偏北移動(dòng),受外圍螺旋云帶影響,以低質(zhì)心暖云降水為主,后一階段“溫比亞”停滯少動(dòng)趨于轉(zhuǎn)向,冷空氣與臺(tái)風(fēng)倒槽暖濕氣流結(jié)合,降水顯著加強(qiáng)。對(duì)比分析弱降水階段P1(17日08時(shí)至18日08時(shí))和強(qiáng)降水階段P2(18日17時(shí)至19日02時(shí))的雨滴譜時(shí)間演變(圖5),兩個(gè)階段雨滴數(shù)濃度存在明顯差別,其濃度高低與雨強(qiáng)大小關(guān)系密切,弱降水階段對(duì)應(yīng)較低的雨滴數(shù)濃度,強(qiáng)降水階段雨滴數(shù)濃度顯著增大,同時(shí)雨滴數(shù)濃度大值也主要對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)陡增時(shí)段。從雨滴大小分布看,第一階段降水主要由中小雨滴構(gòu)成,第二階段雨滴直徑明顯增大。與第一階段相比,數(shù)量不斷增多的大雨滴形成第二階段的降水,導(dǎo)致雨強(qiáng)、回波強(qiáng)度均顯著增大。相關(guān)系數(shù)分析表明,雨滴數(shù)濃度和雨滴直徑兩者共同作用與雨強(qiáng)相關(guān)性最好,達(dá)到0.95,此外雨滴數(shù)濃度和雨強(qiáng)的單獨(dú)相關(guān)性也達(dá)到0.90,明顯高于雨滴直徑和雨強(qiáng)的相關(guān)性。

        圖5 2018年8月17—19日臺(tái)風(fēng)溫比亞影響期間徐州站雨滴譜時(shí)間序列(a)雨滴數(shù)濃度N(D),(b)雨強(qiáng)R,(c)質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm,(d)反射率因子ZFig.5 Time series of (a) raindrop number concentration N(D), (b) rainfall intensity R, (c) raindrop diameter Dm and (d) radar reflectivity factor Z at Xuzhou Station under the influence of Typhoon Rumbia during 17-19 August 2018

        對(duì)比處于強(qiáng)降水階段(18日21時(shí))和弱降水階段(17日12時(shí))徐州站附近的雷達(dá)垂直剖面可以看到(圖6),強(qiáng)降水階段中存在大范圍的對(duì)流云回波,且對(duì)流發(fā)展旺盛,出現(xiàn)多個(gè)45 dBz以上的強(qiáng)中心,回波伸展高度達(dá)到10 km以上,對(duì)應(yīng)更多更大的雨滴分布。而弱降水階段,回波較為分散,雖有小塊對(duì)流發(fā)展,但范圍小,組織化較弱,伸展高度也不高,站點(diǎn)上空以較弱的層狀云回波為主,整體對(duì)應(yīng)濃度較低的中小雨滴分布。

        圖6 2018年8月臺(tái)風(fēng)溫比亞影響期間徐州站(a)18日17時(shí)至19日02時(shí)強(qiáng)降水,(b)17日08時(shí)至18日08時(shí)弱降水時(shí)間段雷達(dá)回波剖面圖Fig.6 Radar echo profile during (a) heavy precipitation from 17:00 BT 18 to 02:00 BT 19 and (b) weak precipitation at Xuzhou Station from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 18 August 2018 under the influence of Typhoon Rumbia

        而“利奇馬”登陸后其外圍云系較早影響江蘇,但對(duì)江蘇影響以臺(tái)風(fēng)倒槽和本體降水為主,對(duì)流不強(qiáng),降水階段性不明顯。選取利奇馬過程中出現(xiàn)大暴雨的新沂站,選取前后兩個(gè)階段:強(qiáng)降水階段P1(10日11—17時(shí))、弱降水階段P2(11日11—17時(shí))。P1階段雨強(qiáng)陡增,普遍超過10 mm·h-1,20 mm·h-1以上的短時(shí)強(qiáng)降水也持續(xù)出現(xiàn),P2階段雨強(qiáng)明顯減弱,大部分時(shí)段在10 mm·h-1以下。對(duì)應(yīng)形勢場,強(qiáng)降水階段新沂站處于臺(tái)風(fēng)倒槽附近,弱降水階段由于“利奇馬”逐漸北上處于臺(tái)風(fēng)環(huán)流附近,以本體降水為主。分析前后兩個(gè)階段降水的雨滴譜特征演變(圖7),可以看出在兩個(gè)階段的雨滴數(shù)濃度比較接近,但對(duì)應(yīng)的雨滴直徑存在明顯的差別,分別為1.37 mm和0.67 mm,表明第一階段降水主要由大雨滴構(gòu)成,第二階段雨滴直徑明顯較小,因而造成雨強(qiáng)和回波強(qiáng)度上的顯著差異。從相關(guān)系數(shù)分析也表明,雨滴數(shù)濃度和雨滴直徑兩者共同作用與雨強(qiáng)相關(guān)性最好,達(dá)到0.91,明顯高于二者與雨強(qiáng)的單獨(dú)相關(guān)。對(duì)比影響時(shí)強(qiáng)、弱兩個(gè)降水階段新沂站點(diǎn)附近的雷達(dá)剖面發(fā)現(xiàn)(圖8),強(qiáng)降水階段對(duì)應(yīng)大范圍的強(qiáng)回波發(fā)展,回波伸展高度較高,但強(qiáng)回波中心高度基本在5~6 km以下,低質(zhì)心特征相比溫比亞影響時(shí)更為明顯。而弱降水階段為大范圍的層狀云降水回波,性質(zhì)比較均一,整體強(qiáng)度較弱,伸展高度較低,低質(zhì)心特征更加明顯,對(duì)應(yīng)中小雨滴較為集中。

        圖7 2019年8月10—11日臺(tái)風(fēng)利奇馬影響期間新沂站雨滴譜時(shí)間序列(a)雨滴數(shù)濃度N(D),(b)雨強(qiáng)R,(c)質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm,(d)反射率因子ZFig.7 Time series of raindrop (a) number concentration N(D), (b) rainfall intensity R, (c) raindrop diameter Dm and (d) radar reflectivity factor Z at Xinyi Station under the influence of Typhoon Lekima during 10-11 August 2019

        圖8 2019年8月臺(tái)風(fēng)利奇馬影響期間新沂站(a)10日11—17時(shí)強(qiáng)降水,(b)11日11—17時(shí)弱降水時(shí)間段雷達(dá)回波剖面Fig.8 Radar echo profile at Xinyi Station during (a) heavy precipitation in 11:00-17:00 BT 10 and (b) weak precipitation in 11:00-17:00 BT 11 August 2019 under the influence of Typhoon Lekima

        兩次臺(tái)風(fēng)降水過程中,當(dāng)雨強(qiáng)較小(<10 mm·h-1)時(shí),雨滴直徑分布在0.5~1.5 mm,說明以數(shù)量眾多的中小雨滴為主;當(dāng)雨強(qiáng)>10 mm·h-1時(shí),粒徑普遍超過1.5 mm,且雨滴直徑隨雨強(qiáng)增大而增大。與之前呂童(2018)得出雨強(qiáng)越大,大雨滴數(shù)量越少的結(jié)論不同的是,在這兩次臺(tái)風(fēng)過程中,大雨滴數(shù)量并沒有明顯減小,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)增大的趨勢,也就是說強(qiáng)降水大都對(duì)應(yīng)數(shù)量較多的大雨滴。

        表1給出了具體的雨滴譜特征平均值對(duì)比,在雨強(qiáng)接近的情況下,“利奇馬”的平均雨滴數(shù)濃度N和含水量W明顯大于“溫比亞”,質(zhì)量平均直徑Dm和平均直徑Da相對(duì)偏小,尤其在弱降水階段。因此,“利奇馬”降水是由數(shù)量更多的中小雨滴構(gòu)成,而“溫比亞”降水則更多的是由大雨滴構(gòu)成。

        表1 臺(tái)風(fēng)溫比亞和利奇馬不同降水階段的雨滴譜特征平均值Table 1 The averaged microphysical parameters in different precipitation periods between typhoons “Rumbia” and “Lekima”

        3.2 平均譜和Gamma擬合分布特征

        為進(jìn)一步分析兩次臺(tái)風(fēng)降水過程中不同階段的平均譜分布特征,通過對(duì)各直徑區(qū)間雨滴數(shù)濃度進(jìn)行平均計(jì)算出徐州和新沂站在“溫比亞”雨滴直徑-雨滴數(shù)濃度譜分布(圖9)。可以看到,“溫比亞”兩個(gè)階段平均譜分布比較接近,都具有較大的譜寬,最大雨滴直徑超過5 mm;數(shù)濃度大值區(qū)主要集中在0.44~1.05 mm,強(qiáng)降水階段最大數(shù)濃度為103mm-1·m-3,高于弱降水階段,且在各雨滴段都具有更大的數(shù)濃度,大雨滴段呈多峰結(jié)構(gòu);而弱降水階段各直徑大小的雨滴都較少,且呈單峰型。

        圖9 臺(tái)風(fēng)(a)溫比亞和(b)利奇馬不同降水階段的平均譜分布(虛線)、Gamma擬合分布(實(shí)線)Fig.9 The averaged raindrop spectrum (dotted line), Gamma fitting (solid line) distribution characteristics between typhoons (a) “Rumbia” and (b) “Lekima” in different precipitation periods

        “利奇馬”平均譜呈現(xiàn)Gamma分布,在強(qiáng)降水階段具有更寬的譜寬,直徑在0.56~1.05 mm范圍內(nèi)的雨滴數(shù)濃度較高,呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu);在此以外,隨著雨滴直徑增大或減小,數(shù)濃度均為減小的趨勢,最大降水雨滴直徑可達(dá)到4 mm。在弱降水階段,直徑在0.56~1.05 mm的降水雨滴數(shù)濃度更高,甚至高于強(qiáng)降水階段,呈“單峰型”;隨著雨滴直徑的增大或減小,數(shù)濃度也呈減小趨勢,但譜寬較窄,且大直徑雨滴數(shù)濃度顯著小于強(qiáng)降水階段,最大降水雨滴直徑僅為2 mm左右。

        對(duì)比兩次臺(tái)風(fēng)降水不同階段的雨滴譜譜型特征可以發(fā)現(xiàn),“溫比亞”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)弱兩個(gè)階段降水型特征較為一致,強(qiáng)降水階段雨強(qiáng)大,雨滴譜更寬,回波強(qiáng)度大,Dm較大,不僅大雨滴多,中小雨滴也多,在大雨滴處呈多峰現(xiàn)象,Gamma分布符合對(duì)流云降水特征;弱降水階段譜寬較寬,最大雨滴直徑較大,但平均直徑不大,大小雨滴懸殊,基本符合 Gamma分布,為層積混合云降水特征。“利奇馬”前后兩個(gè)階段降水對(duì)比更加明顯,強(qiáng)降水階段同時(shí)具有較大的譜寬、雨強(qiáng)和回波強(qiáng)度,Dm較大,大雨滴處呈多峰現(xiàn)象,表現(xiàn)出顯著的對(duì)流云降水特征;弱降水階段有較多的小雨滴,雨滴平均譜譜型較為平緩,譜寬較窄,基本符合 Marshall-Palmer擬合分布,為明顯的層狀云降水特征。這與前人所得到的不同降水雨滴譜的譜型分布特征基本吻合。

        平均譜對(duì)比分析再次表明,“利奇馬”降水過程雨滴數(shù)濃度高于“溫比亞”,尤其是中小雨滴;而“溫比亞”譜寬更大,存在更大直徑雨滴?!袄骜R”降水主要由高濃度的中、小雨滴構(gòu)成,“溫比亞”則存在濃度較高的大雨滴。且無論大雨滴是否存在,中雨滴及小雨滴都占絕對(duì)多數(shù)。分析環(huán)流背景和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑,“利奇馬”海上發(fā)展時(shí)間長,登陸強(qiáng)度強(qiáng),登陸后沿海北上,沒有深入內(nèi)陸,海洋水汽通道維持,影響江蘇時(shí)沒有明顯變性,降水對(duì)流性不強(qiáng),更多表現(xiàn)出熱帶臺(tái)風(fēng)降水特征;而“溫比亞”在海上快速發(fā)展,登陸強(qiáng)度不強(qiáng),登陸后深入內(nèi)陸,與冷空氣結(jié)合,逐漸變性為溫帶氣旋,降水對(duì)流性更強(qiáng)。因此得出熱帶臺(tái)風(fēng)降水和溫帶臺(tái)風(fēng)降水明顯不同的譜特征,和Tokay et al(2008)的研究結(jié)論相一致。

        3.3 不同直徑雨滴對(duì)降水的貢獻(xiàn)率

        通過對(duì)比不同直徑雨滴所構(gòu)成的雨強(qiáng)和貢獻(xiàn)率(圖10)可以看出,“溫比亞”的強(qiáng)降水階段數(shù)濃度主要集中在0.56~1.05 mm直徑雨滴段,但降水主要集中在1.34~2.70 mm直徑雨滴段,其對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率占73%以上;在弱降水階段數(shù)濃度和雨強(qiáng)都集中在1.05~2.39 mm 雨滴段,降水占74%以上?!袄骜R”在強(qiáng)降水階段數(shù)濃度也主要集中在0.56~1.05 mm直徑雨滴段,但降水主要集中在1.3~2.3 mm雨滴段,貢獻(xiàn)率達(dá)到70%以上;弱降水階段雨強(qiáng)和數(shù)濃度主要集中在0.56~1.05 mm雨滴段,降水占80%以上。

        圖10 (a,b)“溫比亞”,(c,d)“利奇馬”各階段不同直徑雨滴構(gòu)成的(a,c)雨強(qiáng)及(b,d)貢獻(xiàn)率Fig.10 (a, c) The rain intensity and (b, d) the contribution rate of different diameter raindrops between (a, b) “Rumbia” and (c, d) “Lekima” in different precipitation periods

        3.4 Z-R關(guān)系討論

        對(duì)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)降水的Z-R關(guān)系分別進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)(圖11),“溫比亞”前后兩個(gè)階段曲線較為接近,具有大體一致的Z-R關(guān)系,因此推斷降水類型也相近,根據(jù)之前分析可知,兩個(gè)階段雨滴譜型特征接近,混合云降水兼具對(duì)流性降水特征。Z-R關(guān)系為Z=213.1R1.4,與標(biāo)準(zhǔn)Z=300R1.4系數(shù)略偏小,指數(shù)一致,用標(biāo)準(zhǔn)Z-R關(guān)系估測降水會(huì)偏小。對(duì)“利奇馬”強(qiáng)、弱降水階段分別進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),兩個(gè)階段的Z-R關(guān)系中指數(shù)相同,系數(shù)相差較大,導(dǎo)致曲線差別較大,因此對(duì)應(yīng)兩種不同的降水類型,這和前面的分析結(jié)論一致。也說明前后階段的相同雨強(qiáng)下,對(duì)流性降水的回波強(qiáng)度更強(qiáng),同樣在相同回波強(qiáng)度下,對(duì)流性降水的雨強(qiáng)相對(duì)較小。這和對(duì)流云降水具有更高濃度的大雨滴有關(guān)。擬合得出“利奇馬”降水階段的Z-R關(guān)系為Z=107.6R1.5,與標(biāo)準(zhǔn)的Z=300R1.4相比較而言指數(shù)偏大,因此用標(biāo)準(zhǔn)Z-R關(guān)系估測雷達(dá)回波的降水會(huì)偏大。為改進(jìn)雷達(dá)估測降水精度,后續(xù)需要繼續(xù)開展不同地點(diǎn)、不同季節(jié)或降水類型的雷達(dá)反射率因子Z和雨強(qiáng)R的關(guān)系。

        圖11 (a)“溫比亞”,(b)“利奇馬”Z-R關(guān)系擬合曲線及強(qiáng)降水、弱降水階段對(duì)比Fig.11 Relationship of Z-R and comparison of heavy precipitation and weak precipitation of typhoons (a) “Rumbia” and (b) “Lekima”

        4 結(jié) 論

        對(duì)2018—2019年影響江蘇的“溫比亞”、“利奇馬”的不同位置造成的不同強(qiáng)度降水和雨滴譜特征進(jìn)行了對(duì)比分析和研究,結(jié)果表明:

        (1)雨強(qiáng)較小時(shí),以中、小雨滴為主;雨強(qiáng)增大時(shí),大雨滴增多。強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)數(shù)量較多的大雨滴。

        (2)“利奇馬”降水過程雨滴數(shù)濃度高于“溫比亞”,尤其是中小雨滴;而“溫比亞”譜寬更大,存在更大直徑雨滴。表明“利奇馬”臺(tái)風(fēng)降水主要由高濃度的中、小雨滴構(gòu)成,具有熱帶臺(tái)風(fēng)降水特征;“溫比亞”則存在濃度較高的大雨滴,更偏于溫帶臺(tái)風(fēng)降水特征。這從兩次過程強(qiáng)、弱降水階段的雷達(dá)垂直剖面對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn),“溫比亞”降水回波發(fā)展高度更高,尤其是強(qiáng)降水階段;而“利奇馬”不管是強(qiáng)降水還是弱降水階段回波均呈現(xiàn)低質(zhì)心特征。

        (3)通過對(duì)比分析兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)、弱降水階段得出臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)降水中對(duì)流云降水、層狀云降水及混合云降水的特征?!皽乇葋啞鼻昂蠼邓A段譜型特征較為一致,譜寬和最大雨滴直徑均較大,但強(qiáng)降水階段不僅大雨滴多,中小雨滴也多,在大雨滴處呈多峰現(xiàn)象,Gamma分布符合對(duì)流云降水特征;弱降水階段雨滴平均直徑不大,大小雨滴懸殊,基本符合 Gamma 分布,為混合云降水特征?!袄骜R”前后階段對(duì)比更為明顯,強(qiáng)降水階段表現(xiàn)出顯著的對(duì)流云降水特征;弱降水階段有較多的小雨滴,雨滴平均譜譜型較為平緩,譜寬較窄,基本符合 Marshall-Palmer分布,為層狀云降水特征。

        (4)分析不同降水強(qiáng)度下臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)降水的雨滴譜和各直徑雨滴對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的貢獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),造成強(qiáng)降水的主要是由大直徑雨滴(大于1.3 mm)構(gòu)成的對(duì)流云降水;混合云降水也會(huì)形成強(qiáng)降水;層狀云降水較弱。層狀云降水,直徑為0.5~1.05 mm的中小雨滴數(shù)量最多,對(duì)降水也起最主要貢獻(xiàn);對(duì)流云降水,雖然也是直徑為0.5~1.05 mm的中小雨滴數(shù)量最多,但對(duì)降水起主要貢獻(xiàn)的為更大直徑的雨滴。

        (5)“溫比亞”強(qiáng)、弱降水階段的Z-R關(guān)系接近一致,具有相近的降水類型,與標(biāo)準(zhǔn)的Z-R關(guān)系相比系數(shù)偏小,指數(shù)一致,雷達(dá)估測降水偏小。“利奇馬”強(qiáng)、弱降水階段Z-R關(guān)系差別較大,對(duì)應(yīng)兩種不同的降水類型,與標(biāo)準(zhǔn)的Z-R關(guān)系相比指數(shù)偏大,雷達(dá)估測降水偏大。為改進(jìn)雷達(dá)估測降水精度,有必要開展不同地點(diǎn)、不同季節(jié)或降水類型的Z-R關(guān)系研究。

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