陳捷雄，陳美玲，陳思，徐楚忠，吳曉鑫，霍倩嵐

（1.惠州市氣象局，廣東惠州 516000；2.廣東省氣象局，廣東廣州 510080；3.惠東縣氣象局，廣東惠東 516100；4.博羅縣氣象局，廣東博羅 516100）

惠州位于廣東東南部，是粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點城市。臺風(fēng)是對惠州影響最大的氣象災(zāi)害之一，每年約有3～5個臺風(fēng)對惠州造成風(fēng)雨影響。雨滴譜是表征云微物理結(jié)構(gòu)的重要參量，研究不同類型云的雨滴譜特征能加深理解降水結(jié)構(gòu)和云的內(nèi)部微物理過程，對于臺風(fēng)降水預(yù)報和臺風(fēng)暴雨的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

不同氣候背景下，地面雨滴譜特征具有較大差異，特別是大陸性氣候背景下雨滴總體的平均粒徑偏大、雨滴濃度偏低，海洋性氣候背景下雨滴的平均粒徑較小、濃度偏高［1-2］。積雨云、混合云和層狀云等不同云狀降水的雨滴譜特征也存在差異，如鋒面過程降水和臺風(fēng)過程降水雨滴譜表現(xiàn)不盡相同［3-5］。降水粒子直徑分布不同在相同的回波強(qiáng)度下可以得到不同的降雨強(qiáng)度，研究雨滴譜特征可以有效改善雷達(dá)估測降水精度［6-10］。雨滴譜的分布模型常用的有3種，即指數(shù)模型（M-P模型）、雙參數(shù)型和三參數(shù)的Г分布模型；Г模型有效提高了指數(shù)模型的擬合精度，也較接近實際觀測模型。

本研究所使用雨滴譜數(shù)據(jù)來自Parsivel激光雨滴譜監(jiān)測儀，其數(shù)據(jù)與地面雨量有較好對應(yīng)關(guān)系［11-13］。2016年強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”嚴(yán)重影響惠州，本研究利用位于惠州市中心城區(qū)的惠陽觀測站獲取的“妮妲”過程的雨滴譜數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)降水微物理結(jié)構(gòu)特征，以期更深入了解臺風(fēng)降水的類型、雨滴譜特征及演變過程，為今后臺風(fēng)影響預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 研究資料和方法

本研究所使用雨滴譜數(shù)據(jù)來自惠陽國家基本觀測站安裝的Parsivel激光雨滴譜監(jiān)測儀，采用發(fā)射頻率為50 kHz的激光對降水粒子進(jìn)行觀測記錄，儀器取樣截面為18 cm×3 cm，雨滴等效體積直徑和雨滴速度分為32×32檔，共計1 024個數(shù)據(jù)類別，雨滴譜取樣間隔為60 s，雨滴直徑和落速的測量精度為±5%。

本研究將針對2016年第4號強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程降水，利用惠陽觀測站的激光降水粒子雨滴譜儀所獲取觀測資料開展研究。根據(jù)臺風(fēng)從外圍螺旋雨帶至臺風(fēng)眼壁不同部位，分析臺風(fēng)降水過程的雨滴譜特征演變；對觀測樣本進(jìn)行分類，分析不同部位雨滴譜的譜型和粒子濃度的時間序列變化，并對獲取的觀測數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行檢驗分析。本研究在表征雨滴譜特征時參考了劉紅燕等［5］對雨滴直徑的定義，即計算了平均直徑（Dm）、眾數(shù)直徑（Dd）、平均體積直徑（Dv）、優(yōu)勢直徑（Dp）、中數(shù)直徑（Dnd）、中數(shù)體積直徑（Dn）。

2 強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程基本情況

2016年第4號強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”（NIDA）是2016年第一個登陸廣東的臺風(fēng)，具有“移動速度快、近海加強(qiáng)急、臺風(fēng)眼區(qū)大、風(fēng)雨范圍廣”的特點?！澳萱А庇?月30日17：00（北京時，下同）在菲律賓馬尼拉東偏北方約510 km的西北太平洋洋面上生成，31日08：00加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，23：00加強(qiáng)為臺風(fēng)；8月2日02：00加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，近岸擦過惠州市惠東縣稔平半島，2日03：35強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”在深圳大鵬半島沿海地區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級（42 m／s，強(qiáng)臺風(fēng)級），登陸后向西北偏西行，2日07：00于深圳寶安減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，于11：00在佛山境內(nèi)減弱為熱帶風(fēng)暴，并逐漸移出廣東省，中心遠(yuǎn)離惠州（圖1）。

圖1 201604號強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”8月1日00：00—2日23：00路徑

惠陽站在整個臺風(fēng)過程測得雨量97.8 mm，實測雨量值從8月2日01：00開始獲取雨量數(shù)據(jù)，最大時雨量14.6 mm出現(xiàn)在2日08：00。其中，8月2日01：00—19：00為臺風(fēng)本體降水；3月2日02：00—19：00為臺風(fēng)減弱后的低壓外圍環(huán)流降水。

3 強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”雨滴譜特征

圖2給出了8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴譜儀監(jiān)測的瞬時雨強(qiáng)和雨滴數(shù)濃度的分鐘時間序列。由圖2可知，臺風(fēng)期間共獲取706個有效分鐘樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)計算分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)，“妮妲”期間最大瞬時降雨強(qiáng)度為96 mm／h，最大雨滴數(shù)濃度為28 662 m-3，平均雨滴數(shù)濃度為6 917 m-3，雨滴直徑普遍小于4.75 mm，小于0.5 mm的雨滴占總濃度的57.69%；小于1 mm的雨滴占總濃度的91.08%。從時間演變上來看，臺風(fēng)登陸前，雨滴濃度逐漸增加，降雨強(qiáng)度也逐漸增大。到臺風(fēng)登陸時，約03：35—04：00有一段雨滴濃度低值區(qū)和降雨強(qiáng)度低值區(qū)。隨后，降雨強(qiáng)度基本為小于40 mm／h。約06：45后，出現(xiàn)降水強(qiáng)度大于40 mm／h的降水，從雨滴濃度變化上可以看出小雨滴濃度急劇增大，達(dá)到104m-3，雨滴直徑大于1 mm的雨滴濃度也明顯增加。09：00以后降雨強(qiáng)度減小。到10：35以后臺風(fēng)本體降水基本結(jié)束，13：00—14：00、16：00—17：00、18：00還出現(xiàn)了短時降水，其中13：00—14：00和16：00—17：00為對流性強(qiáng)降水。

圖2 8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴譜儀監(jiān)測的瞬時雨強(qiáng)（a）和雨滴濃度的分鐘時間序列（b）

3.1 雨滴譜微物理特征參量

圖3展示了臺風(fēng)過程雨滴的分鐘平均直徑（Dm）、眾數(shù)直徑（Dd）、平均體積直徑（Dv）、優(yōu)勢直徑（Dp）、中數(shù)直徑（Dnd）、中數(shù)體積直徑（Dn）。從圖3可知，臺風(fēng)過程平均雨滴直徑Dm為0.5 mm左右，最大平均直徑為1.3 mm。眾數(shù)直徑Dd最大為0.437 mm，其次為0.312 mm，較大直徑的偏少，說明臺風(fēng)降水中小雨滴偏多。強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”雨滴平均體積直徑Dv在0.5～1 mm，平均體積直徑的平均值為0.723 mm。中數(shù)直徑大多在0.312 mm，其次是0.437 mm。優(yōu)勢直徑Dp即對含水量貢獻(xiàn)最大的直徑，優(yōu)勢直徑中最多的為1.375 mm的雨滴，其次是0.937和1.625 mm直徑的雨滴。超大雨滴較少，最大的為9.5、7.5、4.75 mm，都僅出現(xiàn)一次。而中數(shù)體積直徑集中在1.062、1.187和1.375 mm，大于2.125 mm的中數(shù)體積直徑極少存在。根據(jù)劉紅燕等［5］的研究指出，雨滴譜的平均體積直徑大于1.20 mm和中數(shù)體積直徑大于1.5 mm的降水是對流云降水。數(shù)據(jù)對比可知，強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程的雨滴譜分布的平均體積直徑和中數(shù)體積直徑均小于該閾值，說明強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”的降水以非對流性降水為主，即以層狀云降水或混合降水為主。

圖3 8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴各種直徑的時間序列

3.2 臺風(fēng)不同區(qū)域雨滴譜特征

該次臺風(fēng)過程，惠陽站由臺風(fēng)的第4象限轉(zhuǎn)第1象限，距離臺風(fēng)中心位置最近僅52.9 km，為了更清晰區(qū)分出不同階段臺風(fēng)的雨滴譜特征，按逐小時重新計算平均雨滴譜數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4臺風(fēng)各階段的雨滴譜特征來看，臺風(fēng)各階段雨滴譜多呈多峰結(jié)構(gòu)。圖4a中01：00和02：00惠陽站位于臺風(fēng)的第4象限，從01：00到02：00是一個小雨滴增多而大雨滴減少的過程，尤其是大于2 mm以上的雨滴。而隨著接近臺風(fēng)中心，即03：00大雨滴和小雨滴濃度均急劇增加并且出現(xiàn)了大于6.5 mm的大滴。04：00臺風(fēng)登陸過程中，大小雨滴濃度均呈下降趨勢，隨后05：00轉(zhuǎn)為第1象限，小雨滴濃度達(dá)到最高峰。圖4b中，06：00—08：00小雨滴保持高濃度，大于1.375 mm 以上的雨滴在08：00達(dá)到最高峰；09：00—10：00大雨滴濃度明顯減小，10：00大雨滴最大直徑小于3 mm，小雨滴濃度小于103m-3，而09：00有幾個大于6 mm以上的雨滴，可能是由于雨滴的飛濺作用產(chǎn)生的異常值。圖4c中11：00雨滴濃度和雨滴直徑繼續(xù)下降。12：00、15：00無降水。13：00出現(xiàn)強(qiáng)降水，小雨滴濃度大于103m-3，雨滴直徑最大為4.75 mm，但從其分布來看，雨滴大小和濃度均小于08：00。圖4d中16：00也出現(xiàn)了較強(qiáng)降水，小雨滴濃度大于103m-3，雨滴直徑最大為4.25 mm。17：00降水明顯減弱，大雨滴數(shù)急劇減少。18：00和19：00大小雨滴數(shù)略增多，但最大直徑均小于3 mm，小雨滴濃度小于103m-3。20：00無有效降水，忽略不計。

圖4 8月2日惠陽站逐時平均雨滴譜（12：00、15：00無降雨）

3.3 臺風(fēng)雨滴譜參數(shù)擬合

為分析臺風(fēng)雨滴譜特征，本研究按照指數(shù)分布和Γ分布兩種函數(shù)對臺風(fēng)過程的平均雨滴譜分別進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果可以看出，指數(shù)分布為N（D）＝2 981exp（-2.5D），Gamma分布為N（D）＝2 502D-3.2×exp（-2.339D）。兩者的標(biāo)準(zhǔn)差分別為167、503，指數(shù)分布擬合效果略優(yōu)于Gamma分布。根據(jù)前人研究的結(jié)果層狀云降水的雨滴譜趨向呈指數(shù)分布，而對流云降水更趨向Γ函數(shù)分布，認(rèn)為強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程降水更接近層狀云降水，或者說以層狀云降水居多。

4 結(jié)論

1）強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程期間，最大雨滴濃度為28 662 m-3，最大瞬時降雨強(qiáng)度不超過96 mm／h，以小雨滴居多，小于1 mm的雨滴占總濃度數(shù)的91.08%。

2）強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”過程平均雨滴直徑Dm位于0.5 mm左右，眾數(shù)直徑Dd最多為0.437 mm，較大直徑的偏少，平均體積直徑Dv的平均值為0.723 mm，優(yōu)勢直徑中最多的為1.375 mm的雨滴，中數(shù)體積直徑集中在1.062、1.187和1.375 mm之間，強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”的降水以非對流性降水為主，即以層狀云降水或混合降水為主。

3）隨著強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”登陸靠近，大小雨滴的濃度均急劇增加，出現(xiàn)少量大于6.5 mm的大滴；接近臺風(fēng)中心后呈下降趨勢，隨后又增加并保持一段時間的較高濃度小雨滴；臺風(fēng)遠(yuǎn)離減弱后雨滴濃度和直徑均減小。

4）應(yīng)用指數(shù)分布和Γ分布分別對臺風(fēng)過程雨滴譜進(jìn)行擬合，結(jié)果表明指數(shù)分布擬合效果略優(yōu)。