付志康,萬蓉,肖艷姣，冷亮，王斌，王芬芬

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205；2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.湖北省咸寧市氣象局，咸寧 437100)

引言

降水在地球天氣系統(tǒng)及全球水循環(huán)中具有重要的作用。降水的滴譜分布作為一種基本的物理參量，既可用于天氣現(xiàn)象判斷(L?ffler-Mang et al.，2000；楊寧等，2018)，又可以反演降水粒子平均直徑、液態(tài)含水量等物理參數(shù)，并用于微物理過程研究及聯(lián)合雷達(dá)進(jìn)行定量降水估測QPE等(Ryzhkov et al.，1995；Boodoo et al.，2015；張揚(yáng)等，2016)。對于高原山地地區(qū)，地形的遮擋往往造成實(shí)際雷達(dá)反射率偏弱，基于地面雨滴譜的Z-R關(guān)系對山地地區(qū)的定量降水估測尤為重要(張鴻發(fā)等，1988；李德俊等，2013；趙城城等,2014；張豐偉等，2019)。因此降水粒子譜信息在暴雨和強(qiáng)天氣的機(jī)理和預(yù)報中的應(yīng)用研究有著重要的意義。

常用的自動化降水滴譜測量設(shè)備主要采用振動法、光學(xué)法等原理進(jìn)行觀測(Kathiravelu et al.，2016)。JWD(Joss-Waldvogel Disdrometer)沖擊式降水滴譜儀是振動法的代表，其通過測量粒子下落時其動量轉(zhuǎn)換的電子脈沖信號大小，在不考慮降水粒子下落時的傾斜角及假設(shè)粒子直徑和下落速度滿足某些關(guān)系的條件下，能夠反演得到粒子直徑(Joss et al.，1967；L?ffler-Mang et al.，2000)，但是該設(shè)備存在著強(qiáng)降水時低估小雨滴數(shù)目，測量精度受環(huán)境噪聲影響、固態(tài)降水粒子測量精度較低等問題(Tokay et al.，2001)。光學(xué)法包括利用光學(xué)圖像識別、光學(xué)散射原理的等方式進(jìn)行的粒子測量方法。二維視頻雨滴譜儀2DVD(Two-dimensional Video Disdrometer)利用光學(xué)圖像識別技術(shù)，設(shè)備采用的兩個線性掃描CCD(Charge Coupled Device)，可測量粒子的直徑、下落速度、形狀等參量，設(shè)備整體觀測精度高，但因其制造成本較高、后期維護(hù)復(fù)雜，目前多用于科學(xué)研究(Kruger et al.，2002；Angulo-Martínez，2015；Park et al.，2017)；采用光學(xué)散射原理的雨滴譜主要有德國的Parsivel型雨滴譜儀、LPM型雨滴譜及我國DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀等，設(shè)備通過測量粒子經(jīng)過觀測截面時的信號振幅及時長來反演粒子直徑大小及下落速度，由于其整體上的測量精度較高，購置和后期運(yùn)行維護(hù)成本較低，適用于業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象及微物理研究的觀測需求(張昊等，2011；Wen et al.，2017；Liu et al.，2019)。

目前我國業(yè)務(wù)天氣現(xiàn)象觀測已經(jīng)逐步被地面天氣現(xiàn)象儀取代，湖北省目前已經(jīng)大量布設(shè)DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀用于代替地面人工觀測。中國氣象局大氣探測中心于2009、2014年分別組織了多種天氣現(xiàn)象儀的平行對比觀測研究，研究結(jié)果認(rèn)為總體上我國現(xiàn)有天氣現(xiàn)象儀在降水現(xiàn)象觀測中具有良好的精度，適用于我國現(xiàn)階段實(shí)際業(yè)務(wù)需求(陳冬冬等,2010)。對于業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀的研究，前人主要基于對降水相態(tài)、降水捕獲率及降水天氣現(xiàn)象判別準(zhǔn)確率的研究，對于設(shè)備觀測的降水粒子譜信息及其反演的微物理參量精度的研究則比較少，而這是業(yè)務(wù)降水滴譜測量信息進(jìn)一步應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀與人工觀測對于大于0.1 mm·h-1雨強(qiáng)的平均捕獲率不低于97%，顯示出與人工觀測良好的一致性，但是在降水時間、降水類型方面存在一定的差異(杜波等，2017；吳宜等，2021)。而Parsivel作為一種目前國際上廣泛使用的降水粒子譜測量設(shè)備，眾多學(xué)者對其滴譜測量精度已經(jīng)有了較多的研究，可以用于其他設(shè)備測量精度的參考(Tokay et al.，2014；Raupach et al.，2015；Park et al.，2017)。

本文利用中國氣象局武漢暴雨研究所在咸寧市黑山氣象觀測站布設(shè)的Parsivel型激光雨滴譜儀與DSG5型業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)，分析降水粒子譜及其反演的相關(guān)微物理參量的一致性及差異，給出設(shè)備滴譜分布反演時偏差的不確定度，為進(jìn)一步擴(kuò)展我國業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供基本參考，探索業(yè)務(wù)雨滴譜觀測的粒子譜信息在降水微物理研究方面的適用性；此外，本研究還對2次雨雪轉(zhuǎn)換過程中的地面人工觀測與兩種滴譜測量設(shè)備觀測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，明確了在快速及反復(fù)雨雪轉(zhuǎn)換條件下儀器與人工觀測天氣現(xiàn)象的差異。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

中國氣象局武漢暴雨研究所以湖北省咸寧暴雨外場試驗(yàn)基地為中心，每年汛期定期開展梅雨鋒暴雨野外科學(xué)試驗(yàn)(Fu et al.，2020；Cui et al.，2021)，這為本研究提供了良好的設(shè)備和觀測基礎(chǔ)。本文基于2018年咸寧黑山觀測站8次液態(tài)降水過程開展不同滴譜觀測設(shè)備反演微物理參量的對比研究，基于2次雨夾雪過程開展不同觀測設(shè)備對雨雪等降水天氣現(xiàn)象的識別差異研究(表1)。同址觀測設(shè)備包括德國OTT Hydromet公司生產(chǎn)的第二代產(chǎn)品Parsivel2型激光雨滴譜儀(以下簡稱Parsivel)、華云升達(dá)DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀(以下簡稱DSG5)、DZZ5型地面自動翻斗式雨量計(以下簡稱AWS)及人工觀測的天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)(以下簡稱人工觀測)。DSG5、AWS與人工觀測均位于咸寧黑山觀測場內(nèi)，Parsivel則位于觀測場外，距離DSG5及AWS約20 m。

表1 研究所選個例時間起止時段及降水類型Table 1 The periods and precipitation type of selected rain events for this study

Parsivel激光雨滴譜儀采用精度更高的傳感器，激光帶的均勻性也得到了提高，使得其觀測降水粒子的精度相對于上代產(chǎn)品有一定的提高。當(dāng)降水粒子經(jīng)過采樣區(qū)時，測量下落粒子通過激光束時信號衰減振幅可以反演出粒子直徑，信號變化的持續(xù)時間反演出粒子下落速度。Parsivel發(fā)射的水平激光束波長為650 nm，采樣區(qū)面積為54 cm2(180 mm×30 mm)，可測量范圍內(nèi)的直徑和速度各分為32檔(表2)，直徑級別的寬度從0.125~3 mm不等，速度級別寬度則由0.1~2.8 m·s-1不等。由于前兩個直徑級別內(nèi)的粒子信噪比較低，Parsivel在數(shù)據(jù)輸出時將前兩檔直徑內(nèi)的粒子數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除(Tokay et al.,2014)，所以其最小可測粒子直徑為0.25 mm?？紤]到液態(tài)降水粒子的形變，對于直徑1 mm以下的粒子被認(rèn)為是球形，1~5 mm之間的粒子被認(rèn)為是扁率為1~0.7線性變化的扁球體，大于5 mm的粒子則被認(rèn)為是扁率為0.7的球體(Battaglia et al.,2010)。設(shè)備頂部配有防濺罩，能夠有效減少降水粒子破碎飛濺引起的觀測誤差。

表2 Parsivel和DSG5滴譜直徑-速度分級Table 1 Classification according to volume-equivalent diameter and velocity

DSG5型降水現(xiàn)象儀由華云升達(dá)研發(fā)，其頂部同樣配有防濺罩以減少降水粒子破碎對觀測的影響。設(shè)備觀測的粒子分為32個直徑與32個速度共計1024個級別，其直徑和速度檔分級與Parsivel的分級標(biāo)準(zhǔn)相同。DSG5根據(jù)設(shè)備自身特點(diǎn)保留了前兩檔上的數(shù)據(jù)，所以其最小可測直徑為0.125 mm。在降水天氣現(xiàn)象輸出方面，Parsivel以WMO規(guī)定的SYNOP 4680表輸出天氣現(xiàn)象代碼，而DSG5型降水現(xiàn)象儀則輸出適合我國目前業(yè)務(wù)運(yùn)行實(shí)際需求的雨、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰等共計11類天氣現(xiàn)象。

翻斗式雨量計為常規(guī)地面業(yè)務(wù)降水觀測設(shè)備，其最小可測累積雨量為0.1 mm。天氣現(xiàn)象地面人工觀測依據(jù)《地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件和記錄簿表格式》中的要求，一般站在每天08∶00—20∶00時(北京時，下同)記錄雨、雪等天氣現(xiàn)象及其起止時間等。雖然人工觀測存在一些缺點(diǎn)，例如主觀性強(qiáng)，對快速變化的天氣現(xiàn)象觀測不全面等，但是人工觀測仍然是目前最可靠的降水現(xiàn)象觀測方法之一。

Parsivel及DSG5都是通過測量降水粒子直徑和下落速度來識別天氣現(xiàn)象以及反演微物理參量，兩種降水滴譜觀測設(shè)備測量原理相同，但由于實(shí)際硬件以及算法上的差異，仍然會造成兩者觀測結(jié)果的差異。Parsivel目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛使用，其優(yōu)缺點(diǎn)很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了充分的討論，所以在本研究中進(jìn)行對比時，以Parsivel作為參考來進(jìn)行后續(xù)的分析討論。同時，在進(jìn)行地面降水及降水現(xiàn)象對比時則以地面業(yè)務(wù)自動站和人工觀測作為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)控

在Parsivel與DSG5兩種滴譜觀測設(shè)備液態(tài)降水過程微物理參量反演前，需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理。自然降水中很少有超過8 mm的雨滴存在，個別超過8 mm的粒子往往是雨滴重疊所產(chǎn)生的，所以首先需要剔除直徑大于8 mm的降水粒子。此外由于降水粒子濺射、大風(fēng)等對觀測的影響(Atlas et al.,1973)，會觀測到一些速度較大的小粒子以及速度較小的大粒子，研究時需要將每分鐘觀測到的降水粒子數(shù)據(jù)根據(jù)理論速度-直徑關(guān)系式進(jìn)行過濾，以剔除速度-直徑理論值之外±50%的粒子；再次對于分鐘樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)其雨強(qiáng)RR＜0.1 mm·h-1或者設(shè)備觀測截面記錄的粒子數(shù)小于10個，可以認(rèn)為是噪聲的影響，也將其進(jìn)行剔除(Kruger et al.,2002;Wen et al.,2016;Angulo-Martínez et al.,2018)。最后采用有效觀測截面代替設(shè)備的物理觀測截面，以減少設(shè)備邊界效應(yīng)對參量反演的影響(Tokay et al.,2013)。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)質(zhì)控后重新計算相關(guān)微物理參量，8次液態(tài)降水過程總計得到Parsivel和DSG5匹配分鐘樣本數(shù)共計1 503對。

1.3 微物理參量計算

地面降水滴譜分布一般可以用雙參數(shù)M-P分布或者三參數(shù)Gamma分布表示。一般認(rèn)為三參數(shù)Gamma分布能夠更好表示地面實(shí)際降水滴譜分布情況(Kozu et al.,1991;Zhang et al.,2001;Smith P L,2003;Brandes et al.,2004)。Gamma分布可以表示為

其中D(單位:mm)是粒子等效體積直徑，N(D)(單位:mm-1·m-3)是單位等效直徑D內(nèi)的粒子數(shù)濃度。N0(單位：mm-1-μ·m-3)、λ(單位:mm-1)、μ分別為截距、斜率及形狀參數(shù)。M-P分布可以看做是Gamma分布在形狀因子μ=0時的特殊情況。

在計算滴譜相關(guān)參量時通常采用階矩法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于降水微物理參量與各個階矩量有一定的對應(yīng)關(guān)系，例如0階矩為雨滴譜總數(shù)濃度Nt，6階矩正比于雷達(dá)反射率因子Z等，n階矩定義如下

因此降水相關(guān)物理量雷達(dá)反射率因子Z(單位:mm6·m-3)、液態(tài)水含量LWC(單位:g·cm-3，簡稱Lwc)、總數(shù)濃度Nt(單位:m-3)及雨強(qiáng)RR(單位:mm·h-1，簡稱RR)可以用下式表示

式中L是粒子直徑分級總個數(shù)，Di是粒子分級中第i個分級的等效體積直徑，ΔDi是第i個分級的等效直徑寬度。V(Di)(單位:m·s-1)是等效直徑Di時的粒子下落速度。

由于N0不是一個獨(dú)立且具有明確物理含義的變量，一般可以采用標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)Nw(單位:m-3·mm-1)進(jìn)行表示，其被定義為與N0含義類似，但是具有與被測量滴譜分布具有相同的LWC和質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm的參量(Testud,2001;Bringi et al.,2003)。因此降水粒子相關(guān)微物理量Dm、Nw及σM(Dm標(biāo)準(zhǔn)差)定義如下

其中ρw為水的密度(1.0 g·cm-3)。

DSG5與Parsivel對比分析時采用相對偏差(Bias)和絕對偏(Abias)，其計算公式如下：

其中n是樣本個數(shù)，xi、yi分別代表不同設(shè)備觀測到的物理量。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積降水對比

降水是地面觀測的重要物理參量，雨滴譜觀測反演的降水精度也可以從側(cè)面反映出其滴譜的測量精度。8次降雨過程AWS、Parsivel和DSG5的小時累計降水量及兩種滴譜設(shè)備反演的分鐘雨強(qiáng)對比如圖1 a—d所示。8次降水過程中AWS、Parsivel和DSG5分別觀測到的降水小時數(shù)為59、64和55 h。AWS觀測到261.8 mm降水，為三種設(shè)備最大值；Parsivel觀測到的降水小時數(shù)最多，共記錄251.5 mm累積降水量，相對于AWS偏小約4.0%，絕對偏差為10.0%，兩者觀測的降水一致性較高(圖1a)。DSG5記錄的累積降水量僅為220.4 mm，其降水小時數(shù)及降水量都是三者中最少的，其相對于AWS低估約17.2%，絕對偏差為21.4%，尤其是對于小時累積10 mm以下的降水，DSG5有比較明顯的低估(圖1b)。與Parsivel的小時累計雨量觀測結(jié)果相比，DSG5偏小約13.2%，絕對偏差為20.7%(圖1c)。兩種滴譜設(shè)備觀測的累積降水都小于地面自動站AWS的觀測。為了進(jìn)一步對比Parsivel和DSG5分鐘降水觀測一致性，其分鐘雨強(qiáng)散點(diǎn)圖如圖1d所示。DSG5相對于Parsivel偏小約12.5%，雨強(qiáng)較小時有較為明顯的低估(尤其是分鐘雨強(qiáng)小于10 mm·h-1)，隨著雨強(qiáng)的增大，兩者的一致性逐漸提高。

圖1 AWS與Parsivel小時累計降水(a,單位:mm)、AWS與DSG5小時累計降水(b,單位:mm)、DSG5與Parsivel小時累計降水(c,單位:mm)及DSG5與Parsivel分鐘雨強(qiáng)(d,單位:mm·h-1)散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter plot of(a)Parsivel and AWS hourly rain(unit:mm),(b)DSG5 and AWS hourly rain(unit:mm),(c)DSG5 and Parsivel hourly rain(unit:mm),and(d)DSG5 and Parsivel rain rate(unit:mm·h-1)

整體來看，兩種滴譜測量設(shè)備Parsivel與DSG5觀測到的累積降水均小于地面AWS，但是Parsivel觀測到的小時降水相對于DSG5降水精度更高，偏差較小。DSG5則相對于Parsivel及AWS都有一定的偏小。而這種偏小主要集中在雨強(qiáng)較小時，隨著雨強(qiáng)的增加，DSG5與其他設(shè)備觀測的一致性也隨之提高。

2.2 微物理參量對比

將上述Parsivel和DSG5匹配的1 503個分鐘降水樣本反演的粒子總數(shù)濃度Nt、質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm等微物理參量進(jìn)行統(tǒng)計(表3)?？傮w上看，Parsivel探測的粒子數(shù)相對較多、粒子直徑相對小。Parsivel粒子總數(shù)濃度Nt是DSG5的3倍，Parsivel歸一化階矩參數(shù)log10Nw為3.60也高于DSG5反演結(jié)果，而Parsivel的質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm為1.56 mm則略微偏小于DSG5的1.69 mm；由兩設(shè)備的Dm的標(biāo)準(zhǔn)差σM相近可以推測兩者反演的Dm的譜寬幾乎相同。Parsivel液態(tài)水含量LWC則略大于DSG5，Parsivel平均雨強(qiáng)RR為10.31mm·h-1略大于DSG5，Parsivel觀測反演的雷達(dá)反射率較DSG5結(jié)果偏大約2.7 dBz?？梢钥闯鯬arsivel觀測到的降水粒子平均尺寸略小于DSG5，但是數(shù)濃度更高，而且從雷達(dá)反射率上看，Parsivel的平均反射率要明顯大于DSG5的觀測結(jié)果。

表3 Parsivel和DSG5分鐘降水反演參量對比Table 3 Minute rain parameters derived by Parsivel and DSG5

為了進(jìn)一步表明兩種設(shè)備Dm、log10Nw、LWC及Z的分布差異，圖2給出了其概率密度PDF(Probability Density Function)和累積概率密度CDF(Cumulative Distribution Function)。兩種設(shè)備Dm的PDF分布形態(tài)相似，盡管Parsivel探測粒子直徑分布峰值位于1.3 mm、而DSG5探測的Dm峰值則位于1.1 mm。對于Dm小于2.3 mm的粒子Parsivel所占比例CDF為0.95高于DSG5的0.85，Parsivel觀測到的小粒子直徑的比例較高(圖2a)。而兩種設(shè)備log10Nw的分布則和Dm相反，DSG5的峰值出現(xiàn)在3.1，Parsivel則出現(xiàn)在3.9，Parsivel觀測到的高粒子數(shù)濃度的比例較高，其分布相對于DSG5整體分布偏向右側(cè)，也就是說兩種觀測設(shè)備中DSG5相對于Parsivel觀測到直徑較大粒子的比例高，但是其觀測的高粒子數(shù)濃度樣本的比例則明顯偏低，在平均值上表現(xiàn)為DSG5的Dm平均值更大，但是總數(shù)濃度Nt及歸一化階矩log10Nw則明顯偏低(圖2(b))。DSG5觀測到的LWC小于0.02 g·m-3及大于1.58 g·m-3樣本比例明顯大于Parsivel觀測結(jié)果，其平均值也略小于Parsivel，這與log10Nw的觀測結(jié)果一致(圖2c)。從雷達(dá)反射率PDF及CDF分布上來看，Parsivel 20~45 dBz反射率比例高于DSG5，而DSG5小于20 dBz回波所占比例明顯大于Parsivel，兩者對于大于45 dBz的反射率相差不大，DSG5僅略高一點(diǎn)(圖2d)。整體上來說，Parsivel雖然測量的平均直徑相對于DSG5小，但是粒子數(shù)濃度卻要高的多，這反而造成了兩者的反射率PDF分布差距并不如濃度分布那么明顯。

圖2 Parsivel和DSG5反演參量質(zhì)量:加權(quán)平均直徑(a;D m,單位:mm)、歸一化階矩參數(shù)(b;log10N w,單位:mm-1·m-3)、液態(tài)水含量(c;LWC,單位:g·m-3)、雷達(dá)反射率(d;Z,單位:dBz)PDF(柱狀圖)與CDF(折線).Fig.2 Probability density functions(PDFs)and cumulative density functions(CDFs)of rain parameters derived from Parsivel(red)and DSG5(blue).(a)mass-weighted mean diameter(D m,unit:mm);(b)logarithm of the generalized intercept parameter(log10N w,unit:mm-1·m-3);(c)rain liquid water content(LWC,unit:g·m-3);and(d)σM(standard deviation of D m,unit:mm)

Parsivel和DSG5匹配的1 503個分鐘降水樣本包括了不同強(qiáng)度的降水，圖3是Dm-RR及Nw-RR散點(diǎn)及擬合圖，可以看出兩個設(shè)備所探測粒子的質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm變化趨勢較為一致，兩者都隨著雨強(qiáng)的增大而增大，Parsivel的擬合結(jié)果始終位于DSG5的下方，在同等雨強(qiáng)情況下Parsivel的觀測Dm總體小于DSG5的觀測（圖3a）；Nw隨著雨強(qiáng)的增大，其增大幅度較為平緩（圖3b），Parsivel與DSG5兩者擬合Nw-RR曲線幾乎平行，在同等雨強(qiáng)情況下Parsivel的觀測Nw總體大于DSG5的觀測。綜合圖3分析，兩種設(shè)備的觀測結(jié)果都顯示：雨強(qiáng)的增大主要來源于降水粒子平均尺寸的增大，粒子數(shù)濃度的增長在雨強(qiáng)增大到一定程度后增幅較為緩慢，對雨強(qiáng)增長貢獻(xiàn)較小。

圖3 Parsivel和DSG5反演參量D m及N w參量隨雨強(qiáng)RR變化關(guān)系(a.D m;b.N w)Fig.3 Relationship between the parameters(a)D m and(b)N w retrieved by parsievel and DSG5 and the rainfall intensity

為了進(jìn)一步明確在不同雨強(qiáng)下兩種設(shè)備觀測的平均滴譜差異，將1 503個樣本按照0.1≤RR＜5.0、5.0≤RR＜10.0、10.0≤RR＜15.0、15.0≤RR＜20.0、RR≥20.0 mm·h-1及整體樣本的降水等級進(jìn)行平均滴譜分布計算(圖4)。隨著雨強(qiáng)的增大，觀測到的粒子數(shù)濃度變大，粒子直徑也隨著變大。相對于Parsivel，在所有等級降水情況下，DSG5對于小(大)粒子的觀測數(shù)濃度低(高)估，這種差異導(dǎo)致兩種觀測反演的平均雷達(dá)反射率相差大約2.7 dBz(表4)，與Tokay(2014)對于Parsivel一代與二代設(shè)備的對比結(jié)論3.4 dBz類似，Tokay將產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)于激光器件的均一性及傳感器精度的差異。對于5≤RR≤20 mm·h-1雨強(qiáng)降水，對于2 mm以下部分的小粒子，Parsivel觀測數(shù)濃度高于DSG5觀測的數(shù)濃度，對于直徑2~3 mm區(qū)間粒子兩種觀測數(shù)濃度兩者趨于一致(圖4b—c)。在雨強(qiáng)為10≤RR≤20 mm·h-1的情況下，Parsivel對于直徑大于4 mm以上大粒端粒子數(shù)濃度觀測低于DSG5(圖4c—d)，對于RR≥20 mm·h-1，Parsivel對小于(大于)粒子直徑3 mm的粒子的數(shù)濃度觀測高于(低于)DSG5的觀測。對于RR≤20 mm·h-1降水觀測，兩種設(shè)備的滴譜都呈現(xiàn)一個下凹的形狀，即在大粒子區(qū)間會產(chǎn)生粒子數(shù)的先減后增的波動，這種原因現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能一方面受降水微物理機(jī)制的影響，大粒子蒸發(fā)效應(yīng)強(qiáng)于其相互間的碰撞破碎效應(yīng)；另一方面設(shè)備觀測噪聲等也是造成這個現(xiàn)象的原因(Sauvageot et al.，1995；Atlas et al.，2000；Tokay et al.，2010)。

圖4 Parsivel和DSG5雨強(qiáng)分級平均滴譜對比(a.0.1≤RR＜5.0;b.5.0≤RR＜10.0;c.10.0≤RR＜15.0;d.15.0≤RR＜20.0;e.RR≥20.0;f.整體樣本)Fig.4 Composite raindrop spectra with different rain rate(a.0.1≤RR＜5.0;b.5.0≤RR＜10.0;c.10.0≤RR＜15.0;d.15.0≤RR＜20.0;e.RR≥20.0;f.All)

為進(jìn)一步探究兩種滴譜設(shè)備觀測差異對反演參量的影響，分析了基于兩種設(shè)備的Z-R關(guān)系差異。關(guān)注中等以上雨強(qiáng)，選取分鐘雨強(qiáng)RR≥6 mm·h-1的樣本，采用最小二乘法分別進(jìn)行Z-R關(guān)系擬合，Parsivel及DSG5擬合結(jié)果分別為

對于同等雨強(qiáng)，相比于Parsivel，DSG5觀測反演的Z偏大，且隨著雨強(qiáng)的增大，兩者的偏差逐漸增大(圖5)。在圖2d中也可以看出，對于大于50 dBz的反射率，DSG5比例比Parsivel高。對于50 dBz的反射率，基于(12)、(13)中各自擬合的Z-R關(guān)系，DSG5大約高估15.9%的降水?；贒SG5觀測擬合的Z-R關(guān)系相對于Parsivel會造成Z高估，雖然DSG5觀測到的中小粒子數(shù)濃度低估會帶來小粒子端反射率的低估，但是從圖4中可以看出，DSG5觀測到的大粒子數(shù)濃度較高，而且雷達(dá)反射率與直徑的6次方成正比，這可能造成在雨強(qiáng)較大時Z值偏大，從而造成Z-R關(guān)系整體高估，雖然從整體上看基于DSG5觀測反演的平均Z低于Parsivel(表3)。

圖5 Parsivel和DSG5兩種觀測設(shè)備Z-R關(guān)系擬合Fig.5 Scatterplots of radar re fl ectivity(Z)and rain rate(RR)from Parsivel and DSG5.The fi tted power law Z-R relationship are shown by red and blue lines

隨著對降水的物理機(jī)制研究的深入，降水粒子的下落速度越來越受人關(guān)注(Gunn et al.，1949；Beard K V，1976；L?ffler-Mang et al.，2000)。研究表明即使在有風(fēng)的情況下雨滴的軌跡可能會偏離垂直方向，但對降雨粒子平均下落速度與理論最終下落速度非常接近(Tokay et al.，2014)。圖6是Parsivel和DSG5兩種雨滴譜儀8次降雨過程平均直徑-落速圖，同時也采用Atlas等(1973)所統(tǒng)計的粒子直徑-下落速度關(guān)系作為理論值計算了對應(yīng)直徑分級的平均速度和標(biāo)準(zhǔn)差。可以看出，對于4 mm以下直徑的降水粒子，兩種設(shè)備觀測的下落速度與理論值都比較接近。Parsivel幾乎在所有直徑上下落速度都略低于理論值，但是與理論值最為接近，而DSG5則顯示相反的趨勢，幾乎在所有的直徑上對應(yīng)的理論速度都略大于理論值，尤其是對于大于4 mm直徑的粒子，其測量的粒子下落速度明顯大于理論值。具體來說Parsivel直徑-下落速度偏差隨著直徑經(jīng)歷了先增大再減小最后增大變?yōu)檎畹倪^程，偏差先從直徑0.3 mm時的-3.0%隨著直徑的增長變大，在1.6 mm時達(dá)到最大偏差-14.5%，之后，隨著直徑的增大偏差又逐漸減小，在6.5 mm時達(dá)到-0.8%，之后偏差轉(zhuǎn)為正偏差。這個結(jié)果和前人研究結(jié)果一致(Tokay et al.,2013;Wen et al.,2017)，考慮到該設(shè)備測量到的粒子直徑和下落速度是歸一化到不同的直徑分級中去的，所以這個誤差在可接受范圍之內(nèi)(Krajewski et al.，2006)。DSG5直徑-下落速度偏差也隨著直徑經(jīng)歷了先增大再減小最后增大過程。不同的是，在1.18 mm以下直徑，落速偏差有一個明顯的增大后再減小的過程，在0.56 mm時達(dá)到41.7%，在2.3 mm時達(dá)到最小1.8%。在中段粒子1.8~3.75 mm與理論值誤差很小。直徑大于4 mm的粒子，其與理論速度的差異較為明顯，而且有明顯偏差隨著直徑增大的趨勢，但是這個結(jié)果仍然好于學(xué)者對Parsivel一代產(chǎn)品的評估結(jié)果(Wen et al.，2017)。DSG5在1.5 mm前的速度增大現(xiàn)象，這可能是降水粒子破碎飛濺導(dǎo)致尺寸較的粒子的下落速度小于理論值(Tokay et al.，2013)。國外學(xué)者的研究表明，Parsivel產(chǎn)品1~3 mm直徑粒子下落速度相比理論值的低估可能是源于廠家軟件上的問題，這種現(xiàn)象在本研究中同樣存在(Tokay et al.，2014；Angulo-Martínez et al.，2018)。而DSG5對于直徑大于4 mm降水粒子下落速度的高估則可能造成該直徑范圍內(nèi)測量的粒子數(shù)濃度的高估(圖4)，從而對微物理參量的反演產(chǎn)生一定的影響。相對于其他微物理參量，雷達(dá)反射率由于和粒子直徑的6次方成正比，該部分高估對Z-R關(guān)系的擬合也將產(chǎn)生一定的影響，尤其是在地面降水較強(qiáng)時，對于其他的微物理參量則因其計算時與直徑和粒子數(shù)濃度關(guān)系的不同而有所差異。對于大粒子，Parsivel探測下落速度小于理論值，DSG5探測的下落速度大于理論值這種現(xiàn)象，值得在今后在資料的應(yīng)用中注意。

圖6 Parsivel和DSG5降水粒子平均直徑-下落速度與理論值誤差Fig.6 The error distribution of average velocity-diameter relationship with the theoretical value for Parsivel and DSG5

2.3 降水天氣現(xiàn)象觀測對比

人工天氣現(xiàn)象觀測依據(jù)地面業(yè)務(wù)觀測規(guī)范《地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件和記錄簿表格式》中的要求，主要記錄包括降水現(xiàn)象、地面凝結(jié)現(xiàn)象、視程障礙現(xiàn)象、雷電現(xiàn)象和其他現(xiàn)象共計34種。業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀僅限于視程障礙現(xiàn)象和降水現(xiàn)象的自動化觀測，包括雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹共計11種，而Parsivel則按照WMO規(guī)定的SYNOP 4680表中規(guī)定的降水類型代碼進(jìn)行記錄。12月7號以及28號兩次過程均為從降雨轉(zhuǎn)換為雨夾雪，最后轉(zhuǎn)換為降雪相態(tài)的降水過程。由于人工和兩種滴譜設(shè)備記錄的降水天氣現(xiàn)象種類并不完全一致，所以根據(jù)兩次天氣過程中的實(shí)際降水情況，將天氣現(xiàn)象主要分毛毛雨(50、51、52、53、57、58)、雨(60、61、62、67)、雨夾雪(68)、雪(70、71、72、85)、霰(87、88)五類。

12月7日降水過程較為復(fù)雜，包含了降雨、降雪以及多次雨雪快速轉(zhuǎn)換過程。從兩種滴譜儀識別的天氣現(xiàn)象上來看，整個轉(zhuǎn)換過程存在較為頻繁的雨和雨夾雪轉(zhuǎn)換(圖7a)。7日08時前Parsivel與DSG5觀測到毛毛雨和雨，人工此時未開始觀測。08∶00—17∶00人工觀測的降水現(xiàn)象以降雨為主，零星包含雨夾雪，而Parsivel則沒有觀測到兩次零星的雨夾雪過程，其觀測以降雨為主，毛毛雨次之，而DSG5則相反以毛毛雨為主，降雨次之。DSG5也觀測到了兩次零星的雨夾雪過程，時間上略超前于人工觀測發(fā)生時間。8日08∶00之前兩個滴譜設(shè)備都觀測到了降雪，08∶00之后人工觀測到雪及雨夾雪，Parsivel則觀測到了雪、雨及毛毛雨，沒有觀測到雨夾雪，DSG5除上述天氣現(xiàn)象外還觀測到了霰，對人工觀測到的雨夾雪也有一定的反應(yīng)，但是觀測時長更短。

12月28—29日過程也是一次雨雪轉(zhuǎn)換過程，該次降水過程中相態(tài)轉(zhuǎn)換過程較為平穩(wěn)(圖7b)。08∶00地面觀測到降雨，09∶24人工觀測到降雪并持續(xù)到17∶52，而Parsivel則在07∶39就觀測到的首次零星的降雪，但是仍然以毛毛雨和雨為主，基本上與人工觀測一致，而09∶33后則觀測到以雨夾雪為主，降雪次之，而雨夾雪是人工觀測記錄中沒有的。DSG5在09∶30前觀測基本上與人工一致，但是有零星的霰，09∶30以后則以降雪為主。此外從13∶50之后，兩種滴譜設(shè)備都記錄了零星的雨及毛毛雨，但是人工觀測明顯忽略了這一點(diǎn)，全部記為降雪。在雨雪轉(zhuǎn)換的開始時間，兩種滴譜設(shè)備觀測到的轉(zhuǎn)換時間都略早于人工觀測，同時對于降雪中間出現(xiàn)的零星不同相態(tài)的降水也可以進(jìn)行良好的記錄，天氣現(xiàn)象的結(jié)束時間也略早于人工觀測。這可能是因?yàn)槿斯ぴ诖_認(rèn)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行記錄時，可能由于觀測原因可能會產(chǎn)生延遲(吳宜等,2021)。

圖7 12月7—8日(a)及12月28日(b)兩次降雪過程人工觀測與Parsivel、DSG5觀測的天氣現(xiàn)象Fig.7 The weather phenomena observed by manual,Parsivel and DSG5 during(a)7 to 8 December and(b)28 December

從實(shí)際數(shù)據(jù)來看，人工觀測的降水類型少于降水現(xiàn)象儀及Parsivel的觀測，而Parsivel觀測的降水現(xiàn)象最多。兩種設(shè)備都出現(xiàn)了毛毛雨和雨頻繁切換的問題，這個可能在未來的算法中綜合臺站濕度、溫度等參量進(jìn)行綜合判別(楊寧等,2018)。兩種滴譜設(shè)備測量的天氣現(xiàn)象相對于人工觀測都有一定的提前，這可能是人工降水現(xiàn)象觀測存在不足，無法高時間分辨率的識別實(shí)時天氣現(xiàn)象，對快速轉(zhuǎn)換的天氣現(xiàn)象記錄存在一定的困難。從整個降水相態(tài)的識別記錄上來看，DSG5記錄的降水現(xiàn)象則更接近于人工地面記錄的結(jié)果，兩者降水類型更為接近。在兩個個例中，DSG5都識別出了霰，但是人工觀測和Parsivel卻沒有觀測到相應(yīng)的降水現(xiàn)象，這可能和設(shè)備的識別算法有關(guān)，后續(xù)仍需廠家進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論與討論

通過Parsivel、業(yè)務(wù)雨滴譜儀DSG5以及地面自動站AWS雨量對比，以及Parsivel和DSG5反演物理特征參量的對比分析表明：

(1)Parsivel觀測到的小時降水與地面自動站AWS觀測到的降水量一致性較高，偏差較小，而DSG5則相對于Parsivel及AWS都有一定的偏小。而這種偏小主要集中在雨強(qiáng)較小時，隨著雨強(qiáng)的增加，DSG5與其他設(shè)備觀測的一致性也隨著提高

(2)從1 503個樣本的分布看，Parsivel探測的粒子數(shù)相對多、粒子直徑相對小；RR、LW C和Z三種物理參量的反演值，Parsivel的較DSG5高。Parsivel的觀測Dm(Nw)總體小(大)于DSG5的觀測。對于RR≥20 mm·h-1的樣本，Parsivel對于粒子直徑小于(大于)3 mm粒子數(shù)濃度高于(低于)DSG5的觀測。

(3)對于4 mm以下直徑的降水粒子，兩種觀測的下落速度與理論值都比較接近。對于大于4 mm直徑的粒子，Parsivel的觀測的落速都略低于理論值，DSG5的觀測的粒子落速明顯大于理論值。

(4)DSG5業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀對降水現(xiàn)象有著良好的觀測，相比于Parsivel，在降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中其天氣現(xiàn)象與人工觀測的降水類型一致性更好，由于設(shè)備相對于人工觀測更高的時間分辨率，可對降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變和結(jié)束時刻記錄的更早更精確。

國內(nèi)目前已經(jīng)大范圍布設(shè)了降水現(xiàn)象儀觀測網(wǎng)，充分利用其觀測的滴譜信息進(jìn)行大范圍降水過程的微物理研究、雷達(dá)Z-R關(guān)系擬合等有良好的應(yīng)用前景。了解不同類型滴譜的觀測特性對于后期資料的應(yīng)用顯得基礎(chǔ)且重要。下一步將基于雨滴譜觀測，對降水粒子下降速度與滴譜的關(guān)系特點(diǎn)做更深入分析研究，并將粒子滴譜和粒子下降速度等觀測特性應(yīng)用于模式物理方案改進(jìn)中。