摘要：短時(shí)強(qiáng)降水和持續(xù)性強(qiáng)降水的雨滴譜特征因冷云和暖云過(guò)程不同有時(shí)會(huì)存在較大差異，分析兩者雨滴譜特征的差異有助于深入了解不同類(lèi)型強(qiáng)降水的微物理特征，對(duì)提高雷達(dá)定量估測(cè)降水精度起到一定作用。以2018年6月湖北省一次由西南低渦產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水（SHR）和持續(xù)性強(qiáng)降水（PHR）過(guò)程為例，利用自動(dòng)站氣象站資料、CINRADA/SA多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品、DSG5型降水現(xiàn)象儀雨滴譜資料以及ERA5再分析資料，對(duì)比分析了SHR 和PHR 的雨滴譜特征及其擬合的雷達(dá)反射率因子（Z）-雨強(qiáng)（R）關(guān)系（Z=aRb）的差異。結(jié)果表明：（1） SHR過(guò)程的對(duì)流云降水各粒徑（D）平均數(shù)濃度高且粒徑大，與其內(nèi)部活躍的冰相過(guò)程和暖云層中的雨滴碰并、碰撞-破碎微物理過(guò)程相關(guān)；PHR過(guò)程的層狀云降水小粒徑（D ＜2 mm）平均數(shù)濃度高而中、大粒徑的平均數(shù)濃度低。（2）歸一化 Gamma譜截距參數(shù)（lgNw）和質(zhì)量加權(quán)平均直徑（Dm）分布顯示SHR過(guò)程的譜型分布更廣，具有較大的Dm 和較小的lgNw， 對(duì)流、層狀云降水分離線的斜率更小。（3） SHR 和PHR過(guò)程對(duì)流云降水的Z-R擬合關(guān)系式分別為Z=183.33R1.56和Z=169.74R1.49，大雨強(qiáng)（R ＞60 mm·h-1）時(shí)SHR對(duì)流云降水Z-R擬合關(guān)系式Z=428.38R1.37與多普勒天氣雷達(dá)經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水Z-R關(guān)系式（Z=300R1.40）相比，其b值更加接近而a 值偏大。給定Z，利用SHR過(guò)程Z-R擬合關(guān)系式估測(cè)的雨強(qiáng)偏弱，主要是因其存在少量大粒子所致。

關(guān)鍵詞：短時(shí)強(qiáng)降水；持續(xù)性強(qiáng)降水；雨滴譜；Z-R關(guān)系

中圖法分類(lèi)號(hào)：P426.61+1"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" DOI：10.12406/byzh.2022-119

Comparative analysis on characteristics of raindrop spectrum of short-term and persistent heavy rain

LI Shanshan1， 2， WANG Xiaofang1， 2， LI Guoping3， GAO Yuan1， ZHOU Wen1

（1. Hubei Key Laboratoryfor Heavy Rain Monitoring and Warning Research， Institute of Heavy Rain， CMA， Wuhan 430205;2. Three Gorges National Climatological Observatory， Yichang 443099;3. College of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225）

Abstract： There are sometimes great differences in the raindrop spectrum characteristics between short-term heavy rain （SHR） and persis- tent heavy rain （PHR） due to the different of cold cloud and warm cloud processes. Analyzing the difference of raindrop spectrum characteris-tics between SHR and PHR is helpful to understand the microphysical characteristics of the different types of heavy precipitation， which can play an important role in improving the estimation accuracy of radar quantitative precipitation. Taking an event with SHR and PHR process- es caused by the Southwest China vortex in June 2018 in Hubei as an example， based on the observations from the automatic weather sta- tions， CINRADA/SA Doppler weather radar data， raindrop spectrum from DSG5 precipitation phenomenon instruments， and the ERA5 re- analysis data， we comparatively analyzed the raindrop spectrum characteristics between SHR and PHR， and discussed their difference in the radar reflectivity （Z）-rainfall （R） relationship （Z=aRb） by fitting analysis. Results are as follows.（1） In the SHR process of this event， the aver- age number concentration （ND） in the each particle size （D） is high， and the particle size is large for the convective cloud precipitation， which is related to the active ice phase process in the internal and the coalescence and collision-breakup process of raindrops in the warm cloud layer. While in the PHR process of this event， the ND" of small particle size （D ＜2mm） is high but the ND" of medium and large particle size is low for the stratiform cloud precipitation.（2） Distribution of the normalized Gamma spectral intercept parameter （lgNw） and the mass weighted average diameter （Dm） shows that the SHR process has a wider raindrop spectrum，" larger Dm" and smaller lgNw， and the slope of separationline of convective-stratiform cloud precipitation is smaller.（3） The Z-R fitting formulas for the convective cloud precipitation in the SHR and PHR processes are Z=183.33 R1.56 and Z=169.74 R1.49， respectively. When the rain intensity （R） is greater than 60 mm·h-1， compared with the typical Z-R fitting formula （Z=300R1.40） for Doppler weather radar， the Z-R fitting formula （Z=428.38R1.37） for the convective cloud precipitation in the SHR process have a similar b value but a larger a value. If given Z， the R estimated by the Z-R fitting formula of SHR is weaker than that of PHR， which is caused by the existence of a small number of large particles.

Key words： short-term heavy rain; persistent heavy rain; raindrop spectrum; Z-R fitting formula

引言

雨滴譜是云中微物理過(guò)程與動(dòng)力過(guò)程相互作用的最終產(chǎn)物，其形狀反映降雨形成的微物理過(guò)程，雨滴譜資料的參數(shù)化是其定量應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)降水現(xiàn)象儀大量布設(shè)，這有助于深入理解降水形成的微物理機(jī)制以及觀測(cè)資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、云數(shù)值模式和雷達(dá)定量估測(cè)降水中的應(yīng)用。不同類(lèi)型的降水云團(tuán)，其降水強(qiáng)度差異很大，其雨滴譜特征也會(huì)不同。研究表明，對(duì)流冷云主導(dǎo)型降水的雨滴譜寬最大，對(duì)流暖云主導(dǎo)型和混合型降水的次之，層狀云降水的最?。ㄖx媛，2014）；短時(shí)強(qiáng)降水的暖云微物理過(guò)程對(duì)形成多樣雨滴譜譜型有重要影響，冰雹云的冷云過(guò)程對(duì)大雨滴的形成至關(guān)重要（王俊等，2021）。Chen等（2019）對(duì)比分析不同系統(tǒng)降水的地面雨滴譜特征指出，颮線活躍的冰相過(guò)程產(chǎn)生的雨滴直徑較大，短時(shí)極端強(qiáng)降水會(huì)導(dǎo)致小雨滴的數(shù)濃度升高，梅雨鋒和臺(tái)風(fēng)相對(duì)弱的冰相過(guò)程產(chǎn)生的雨滴直徑較小而數(shù)濃度較高。周黎明等（2017）分析山東省不同天氣系統(tǒng)影響下暴雨雨滴譜特征表明，氣旋暴雨中雨滴數(shù)濃度、降水強(qiáng)度、含水量和最大直徑明顯低于低槽冷鋒和切變線暴雨。然而，暖云層中復(fù)雜的微物理過(guò)程（如碰并、碰撞-破碎和蒸發(fā)）與動(dòng)力學(xué)過(guò)程也會(huì)影響雨滴譜的形狀，如梅雨鋒上由暖云過(guò)程主導(dǎo)的位于層狀云區(qū)域和對(duì)流云區(qū)域的對(duì)流單體雨滴譜特征也明顯不同（Oue et al.， 2010）。不同類(lèi)型降水對(duì)應(yīng)的雨滴譜分布差別較大，也對(duì)應(yīng)不同的雷達(dá)反射率因子（Z）與雨強(qiáng)（R）關(guān)系（Uijlenhoet et al.，2003）。因此，對(duì)不同類(lèi)型降水開(kāi)展雨滴譜特征和Z-R關(guān)系研究，可以減小雷達(dá)估測(cè)降水的不確定性（勾亞彬等，2015；張揚(yáng)等，2016；王瑾等，2020）；此前相關(guān)研究所用的雨滴譜資料基本上都源于單個(gè)或數(shù)個(gè)站點(diǎn)（江新安和王敏仲，2015；張揚(yáng)等，2016；朱紅芳等，2019；Bao et al.，2019），而利用多站雨滴譜儀數(shù)據(jù)則能實(shí)現(xiàn)Z-R關(guān)系的實(shí)時(shí)擬合（馮婉悅等，2021）。

2018年6月17—19日湖北省中西部出現(xiàn)一次西南低渦引發(fā)的大范圍暴雨過(guò)程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“18·6”湖北暴雨過(guò)程），其中，鄂中當(dāng)陽(yáng)等站3 h雨量超過(guò)50 mm，屬短時(shí)強(qiáng)降水；同時(shí)，鄂西北出現(xiàn)持續(xù)性降水，雨強(qiáng)雖弱，24 h累計(jì)雨量也達(dá)到暴雨量級(jí)，屬持續(xù)性強(qiáng)降水。本文對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的定義采用中央氣象臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，即指1 h雨量≥20 mm的降水；持續(xù)性強(qiáng)降水是指1 h雨量較弱但其影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且過(guò)程累積雨量達(dá)到暴雨量級(jí)的降水。盡管上述過(guò)程鄂中和鄂西北的雨強(qiáng)不同，但兩地強(qiáng)降水均伴有雷電、大風(fēng)，并造成山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。為揭示該過(guò)程鄂中和鄂西北兩類(lèi)強(qiáng)降水的微物理特征差異，利用自動(dòng)站資料、多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品、DSG5型降水現(xiàn)象儀雨滴譜和ERA5再分析資料，分析了短時(shí)強(qiáng)降水和持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程中的對(duì)流云和層狀云降水的雨滴譜特征和 Z-R 關(guān)系，以期深入了解不同類(lèi)型強(qiáng)降水微物理特征，為提高雷達(dá)定量估測(cè)降水精度提供參考。

1觀測(cè)儀器與數(shù)據(jù)處理

本研究使用資料包括湖北省及周邊地區(qū)14828個(gè)自動(dòng)氣象站、湖北省8部CINRADA/SA多普勒天氣雷達(dá)（圖1中藍(lán)色三角所示）、79站 DSG5型降水現(xiàn)象儀（圖1中紅色圓圈所示）雨滴譜觀測(cè)資料以及ERA5再分析資料（0.25°×0.25°）。其中，DSG5型降水現(xiàn)象儀為我國(guó)自主研發(fā)的高精度降水探測(cè)設(shè)備，其輸出數(shù)據(jù)包括分鐘降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)和分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可用來(lái)分析降水粒子的雨滴直徑、數(shù)濃度、下落速度等微物理特征量（杜波等，2018；李山山等，2020；Wang et al.，2021）。

使用分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)時(shí)，采取如下質(zhì)量控制方法：（1）雨滴譜數(shù)據(jù)為32個(gè)直徑通道和32個(gè)速度通道數(shù)據(jù)，其中前兩個(gè)通道（直徑通道1、2）因信噪比較低未采用，且自然界中很少存在直徑8.1 mm以上雨滴粒子（Tokay et al.，2014）。剔除前兩個(gè)尺度檔和直徑大于8.0 mm的雨滴；（2）參考Jaffrain和Berne （2011）的方法，剔除粒子下落速度超過(guò)理論下落速度（ V9.6510.3e0.6D ）值±60%范圍外的雨滴（Atlas et al.，1973；付志康等，2022；陳剛等，2022；周丹等，2022）。（3）采用To- kay和Bashor （2010）的方法，剔除1 min內(nèi)粒子總數(shù)＜10或雨強(qiáng)（R）＜0.1 mm·h-1的噪聲樣本。對(duì)比分析質(zhì)控后雨滴譜反演的降水量和地面雨量計(jì)同步觀測(cè)的降水量（圖2c、d）表明，這兩種儀器得到的降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，而雨滴譜反演降水量略有低估。

本研究在計(jì)算單位體積、單位尺度間隔的雨滴譜數(shù)濃度時(shí)，采用如下公式

其中，nij表示直徑位于第i個(gè)尺度區(qū)間且下落速度介于第j 個(gè)速度區(qū)間的雨滴數(shù)；A 為采樣面積，本文取5.4×105 m2；t 為采樣時(shí)間，本文取60 s；Di 是第i個(gè)尺度區(qū)間的等效體積直徑（單位： mm）；Di 是第i個(gè)區(qū)間的尺度間隔（單位： mm）；Vj是第j個(gè)速度區(qū)間的下落速度（單位： m·s-1）；N（Di）代表直徑介于Di 與 Di Di 的單位體積單位尺度間隔內(nèi)的雨滴數(shù)濃度（單位： mm-1·m-3）。

降水參數(shù)包括雨強(qiáng)R （單位： mm·h-1）、液態(tài)水含量 W （單位： g·m-3）和雷達(dá)反射率因子Z （單位： mm6·m-3），其計(jì)算式分別如下

本文選取Gamma函數(shù)作為雨滴譜表達(dá)式，即

式（5）中：D 是雨滴直徑（單位： mm）；N0是截?cái)鄥?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）。對(duì)式（5）中3個(gè)參數(shù)的估算，目前多采用階矩法（Kumar et al.，2011），對(duì)其第n 階矩定義為

由式（6）可得到雨滴譜的第3、4階矩，據(jù)此能求得雨滴的質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm （單位： mm）。即

由于N0的單位是 mm-1-μ·m-3，不具有獨(dú)立的物理意義。因此，需要找到一個(gè)同N0具有類(lèi)似物理意義的參數(shù)，且單位不隨μ改變。Testud等（2001）提出的歸一化 Gamma分布的截距參數(shù)Nw （單位： mm-1·m-3）則能滿(mǎn)足這一要求。Nw的計(jì)算式如下

其中，ρw 和W分別為液態(tài)水密度和液態(tài)水含量。Nw是一個(gè)獨(dú)立的物理量，可反映雨滴數(shù)濃度大小，且與降水類(lèi)型有關(guān)，不受μ影響，其應(yīng)用更廣泛。

由于短時(shí)強(qiáng)降水和持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程均包含對(duì)流云和層狀云降水，且對(duì)流云、層狀云降水的雨滴譜分布存在較大差異（Chen et al.，2013；李慧等，2018），因此結(jié)合Bringi等（2003）的降水分類(lèi)方法，以雨滴譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，劃分降水云類(lèi)型。即：對(duì)于某一瞬時(shí)時(shí)刻ti，若從ti-Ns 到ti +Ns 這段時(shí)間雨強(qiáng)R 均大于0.5 mm · h-1，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)差＜1.5 mm·h-1，則將ti時(shí)刻的降水視為層狀云降水；若從ti-Ns 到ti +Ns 這段時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)R均＞5 mm·h-1，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)差＞1.5 mm·h-1，則將ti時(shí)刻降水視為對(duì)流云降水，本文Ns 取5個(gè)樣本；若其既不屬于層狀云降水也非對(duì)流云降水，則視為混合云降水，本文對(duì)其不作討論。

2暴雨過(guò)程的降水特征及其影響系統(tǒng)

“18·6”湖北暴雨過(guò)程中主要存在兩條暴雨帶，其一位于鄂西北，其二位于鄂中。從兩條雨帶分布可見(jiàn)，6月17日13∶00（北京時(shí)，下同）—19日00∶00鄂西北暴雨帶（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雨帶Ⅰ）呈東北—西南向帶狀，其范圍較大，暴雨中心在鄖西站，該站30 h 累積降水量達(dá)168.8 mm （圖2a）；6月18日13∶00—20日00∶00，雨帶Ⅰ東移至河南東部，此時(shí)鄂中又出現(xiàn)另一條暴雨帶（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雨帶Ⅱ）。雨帶Ⅱ暴雨中心位于當(dāng)陽(yáng)、宜昌附近，其位置相對(duì)集中、局地性較強(qiáng)，其中當(dāng)陽(yáng)站14 h 累積降水量達(dá)168.2 mm （圖2b）。

從上述暴雨中心單站逐分鐘降水量變化看到，鄖西站（其位置見(jiàn)圖1）降水時(shí)段為6月17日15：00—18日22∶00，分鐘降水量基本都不足0.5 mm·min-1，具有降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度偏弱的特征（圖2c）；對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖上（圖3a），表現(xiàn)為均勻弱對(duì)流云帶或?qū)訝钤苹夭◣?，回波?qiáng)度基本小于40 dBz，屬于典型的持續(xù)性強(qiáng)降水。當(dāng)陽(yáng)站（其位置見(jiàn)圖1）分鐘降水量波動(dòng)較大，超過(guò)0.5 mm·min-1的強(qiáng)降水時(shí)段主要集中在18日23∶00—19日02∶00的3 h內(nèi)（圖2d），其累積雨量達(dá)到102.5 mm；對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖上（圖3b），表現(xiàn)為分散性塊狀強(qiáng)對(duì)流云回波，回波強(qiáng)度達(dá)到55 dBz，屬于典型的短時(shí)強(qiáng)降水。

“18·6”湖北暴雨過(guò)程是由500 hPa高空槽、850 hPa西南低渦和地面冷空氣共同影響所致。圖4是6月18—19日不同時(shí)刻850 hPa流場(chǎng)與其前1 h累積降水量疊加圖。從中看到，18日03∶00（圖4a），西南低渦（L）中心位于四川北部，受其東北部偏南氣流和偏東氣流輻合的影響，雨帶從四川北部伸展到湖北西北部，雨強(qiáng)基本都小于20 mm·h-1。18日06∶00（圖4b），L 東北移至大巴山前，使得山脈迎風(fēng)坡雨強(qiáng)增大，超過(guò)20 mm·h-1。18日15∶00（圖4c），L繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，低渦環(huán)流減弱。此時(shí)，有兩條雨帶位于大巴山兩側(cè)，南側(cè)雨強(qiáng)大，北側(cè)相對(duì)較弱。18日18∶00（圖4d），受L西南部偏北與偏南氣流強(qiáng)烈輻合的影響以及大巴山南部地形的動(dòng)力抬升作用，雨強(qiáng)超過(guò)40 mm·h-1；此時(shí)，湖北西北部持續(xù)性強(qiáng)降水仍受L東北部偏南和偏東氣流輻合的影響，雨強(qiáng)較弱。18日22∶00（圖4e），L 分為兩段。19日01∶00（圖4f），大巴山兩側(cè)分別存在兩個(gè)低渦環(huán)流中心，受兩個(gè)低渦之間偏北與偏南氣流強(qiáng)烈輻合的影響，湖北中部短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)達(dá)到最大。因此，湖北西北部持續(xù)性強(qiáng)降水主要受850 hPa西南低渦環(huán)流東北部偏南和偏東氣流輻合影響，而湖北中西部短時(shí)強(qiáng)降水則主要受西南低渦西南部偏北與偏南氣流強(qiáng)烈輻合影響。

3“18·6”湖北暴雨過(guò)程降水的雨滴譜特征

“18·6”湖北暴雨過(guò)程包括鄂西北持續(xù)性強(qiáng)降水和鄂中短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，由于兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程均含對(duì)流云和層狀云降水，而不同云型降水的雨滴譜分布差異較大。因此，下文首先將兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程劃分為對(duì)流云和層狀云降水，分析兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程不同云型降水的貢獻(xiàn)。然后，基于不同云型，對(duì)比兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程相同云型降水的平均雨滴譜分布差異。最后，對(duì)比兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程的雨滴譜微物理特征參量和 Z R 關(guān)系的差異。

3.1不同云型降水的貢獻(xiàn)

根據(jù)圖3中兩類(lèi)強(qiáng)降水雷達(dá)回波演變及影響范圍，將“18·6”湖北暴雨過(guò)程劃分為兩個(gè)研究區(qū)域，即鄂西北（圖1中虛線框）和鄂中（圖1中實(shí)線框）。其中，鄂西北有6個(gè)雨滴譜站點(diǎn)，鄂中有35個(gè)。表1給出該過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水對(duì)流云和層狀云降水的樣本個(gè)數(shù)和雨強(qiáng)分布。由于短時(shí)強(qiáng)降水所在研究區(qū)域雨滴譜站點(diǎn)較多，其樣本個(gè)數(shù)也較多，從兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程分類(lèi)云降水的貢獻(xiàn)看，持續(xù)性強(qiáng)降水中對(duì)流云時(shí)數(shù)和降水量分別為592 min和5991.0 mm，層狀云時(shí)數(shù)和降水量分別為2761 min和5798.1 mm，說(shuō)明持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間層狀云降水和短時(shí)間對(duì)流云降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)相當(dāng)。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，對(duì)流云時(shí)數(shù)和降水量分別為1280 min 和27584.0 mm，層狀云時(shí)數(shù)和降水量分別為3276 min和6421.0 mm；其中，對(duì)流云的時(shí)間和降水量貢獻(xiàn)分別為28.1%和81.1%，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程短時(shí)間對(duì)流云降水對(duì)總降水量貢獻(xiàn)較大。雨強(qiáng)統(tǒng)計(jì)表明，持續(xù)性強(qiáng)降水中，對(duì)流云降水雨強(qiáng)平均值和方差均明顯低于短時(shí)強(qiáng)降水，層狀云降水雨強(qiáng)平均值略大。

綜上分析表明，“18·6”湖北暴雨過(guò)程中的持續(xù)性強(qiáng)降水，層云降水與對(duì)流云降水對(duì)其總降水量的貢獻(xiàn)基本相當(dāng)；而短時(shí)強(qiáng)降水，則是對(duì)流云降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)較大（高達(dá)81.1%）。

3.2平均雨滴譜分布

平均雨滴譜是對(duì)各直徑區(qū)間的數(shù)濃度進(jìn)行平均得到的，為了對(duì)比兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程相同云類(lèi)型降水的平均雨滴譜差異，圖5給出“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云、層狀云降水的雨滴平均數(shù)濃度（ND）隨粒子直徑（D，簡(jiǎn)稱(chēng)粒徑）的變化。從中看到，兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程，其N(xiāo)D 變化基本都呈雙峰型，在D為0.9 mm時(shí)可見(jiàn)較明顯的第二峰。對(duì)于對(duì)流云降水，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的ND 譜寬較大，且各粒徑的ND 均大于持續(xù)性強(qiáng)降水，小粒徑段（D＜2 mm）的ND 為持續(xù)性強(qiáng)降水的1.01～2.09倍，中、大粒徑段（D≥2 mm）為持續(xù)性強(qiáng)降水的2.07～48.63倍。此外，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的最大粒徑可達(dá)7.5 mm，ND 為3.1×10-3 mm-1·m-3。對(duì)于層狀云降水，兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程的ND 存在明顯交點(diǎn)，位于1.875 mm粒徑處；持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的小粒徑段ND 為短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的0.71～1.64倍，但中、大粒徑段為短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的0.06～0.94倍。持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的層狀云降水小粒徑平均數(shù)濃度高，而中、大粒徑的平均數(shù)濃度低。

結(jié)合上述過(guò)程短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)流云雷達(dá)回波特征（圖6）可知，雷達(dá)反射率因子很強(qiáng)，50 dBz強(qiáng)回波頂高可達(dá)9 km 。18日20∶00宜昌站探空顯示0℃層高度約5.5 km （圖略），0℃層高度以上存在較強(qiáng)反射率因子中心，表明冰相微物理過(guò)程很活躍。0℃層高度以下暖云層中，反射率因子強(qiáng)度比冷云層稍弱，但其量值也在45 dBz以上，從而佐證了該過(guò)程雨滴直徑較大，存在活躍的雨滴碰并、碰撞-破碎微物理過(guò)程。對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)流云的ND 偏高且粒徑偏大，究其原因，主要是極端強(qiáng)降水內(nèi)部存在活躍的冰相微物理過(guò)程和高效的暖雨碰并過(guò)程，導(dǎo)致了地面降水雨滴濃度高、平均粒徑大。這與陳剛等（2022）分析河南“21·7”特大暴雨過(guò)程的微物理特征所得到的相關(guān)結(jié)論一致。

3.3微物理特征參量

歸一化 Gamma譜截距參數(shù)（lgNw）和質(zhì)量加權(quán)平均直徑（Dm）是分析采樣時(shí)間（60 s）內(nèi)雨滴數(shù)濃度和平均直徑最重要的2個(gè)微物理特征參量。本文主要分析“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云、層狀云降水的Dm 和lgNw特征。圖7給出該過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云、層狀云降水的Dm 和Nw柱狀圖（其中，縱坐標(biāo)表示Dm 和lgNw以0.1為組距進(jìn)行分組，各組個(gè)數(shù)占總數(shù)的百分比）及相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)（包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和偏度），從中可知：（1）相比層狀云降水，對(duì)流云的Dm 和lgNw平均值（圖中框內(nèi)值）相對(duì)較大，表明兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云的雨滴粒子直徑大且數(shù)濃度高。（2）對(duì)比兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程，無(wú)論是對(duì)流云還是層狀云降水，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的Dm 和lgNw譜寬均較寬。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的Dm 平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均大于持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，表明其雨滴粒子直徑大，粒子譜變化較為劇烈。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的lgNw平均值則小于持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，而其標(biāo)準(zhǔn)差較大，lgNw最小值可低至2 mm-1·m-3（圖7d中藍(lán)柱），說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程存在數(shù)濃度較小的大粒子。無(wú)論是短時(shí)強(qiáng)降水或持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，Dm 的偏度均為正值，lgNw的偏度基本為負(fù)值，表明高濃度的中小粒子居多，這與 Chen 等（2013）研究南京地區(qū)梅雨季lgNw分布特征所揭示的結(jié)果相似。

Bringi等（2003）分析赤道附近、海洋到陸地不同氣候區(qū)lgNw-Dm 的分布特征時(shí)，將對(duì)流降水分為海洋性和大陸性?xún)深?lèi)。采用直線方程lgNw=-1.6D0+6.3，將對(duì)流云和層狀云降水區(qū)分開(kāi)來(lái)，D0為中值體積直徑，相比Dm 有4%～7%的細(xì)微差別（Bringi et al.，2009）。圖8給出“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云和層狀云降水的lgNw-Dm 分布。對(duì)比可見(jiàn)，持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云降水的雨滴譜集中在海洋性和大陸性對(duì)流之間，而短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程則分布范圍更廣，既有海洋性也有大陸性對(duì)流。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的雨滴形成機(jī)制更復(fù)雜，冰相過(guò)程起到重要作用，產(chǎn)生較大的 Dm 和較小的lgNw，雨滴譜分布范圍也更廣，與Dolan等（2018）研究微物理過(guò)程主導(dǎo)雨滴譜特征得到的結(jié)果一致。通過(guò)調(diào)整對(duì)流云、層狀云降水分離線的斜率和截距，本文得出持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的分離線方程為lgNw=-1.28Dm +5.5，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程分離線方程為lgNw=-1.05Dm +5.15。對(duì)比其他研究結(jié)果，兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程都與Bringi等（2009）給出的南半球澳大利亞地區(qū)弱對(duì)流降水分離線（圖8中藍(lán)色虛線）斜率偏小，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程與You 等（2016）給出的北半球韓國(guó)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水分離線（圖8中綠色虛線）的斜率更加接近，這說(shuō)明不同降水類(lèi)型形成的微物理過(guò)程有所不同，導(dǎo)致分離線斜率存在一定差別。相比持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的分離線向低lgNw和大Dm 方向傾斜，從而導(dǎo)致分離線斜率更小。持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程層狀云降水的lgNw-Dm 散點(diǎn)密集區(qū)集中在lgNw≈（2.9～4.1） mm-1·m-3和Dm ≈（0.7～2.0） mm之間，而短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程集中在lgNw≈（2.6～4.2） mm-1·m-3和 Dm ≈（0.7～2.2） mm，表明持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程小粒子數(shù)濃度高，而短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的中、大粒子較多。

為進(jìn)一步了解Dm 和Nw微物理特征參量隨雨強(qiáng)（R）的變化，圖9給出“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水的對(duì)流云和層狀云降水Dm-R和Nw-R 散點(diǎn)圖，同時(shí)給出最小二乘法擬合的冪指數(shù)曲線。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，對(duì)流云、層狀云降水的Dm-R 散點(diǎn)及其擬合關(guān)系曲線（圖9a、 b）均位于持續(xù)性強(qiáng)降水的上方，Nw-R則相反（圖9c、d），表明短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程具有較大的雨滴直徑和較小的數(shù)濃度。從兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程擬合曲線的指數(shù)（圖中箭頭所指方框）可見(jiàn)，對(duì)流云降水無(wú)論是在短時(shí)強(qiáng)降水或持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的Dm-R指數(shù)均大于Nw-R，表明雨強(qiáng)增大主要依賴(lài)Dm 增大。當(dāng)R＞60 mm·h-1時(shí)，Dm-R擬合曲線的指數(shù)近于零，Dm 開(kāi)始趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這也印證了Hu和Srivastavar （1995）研究得到的強(qiáng)降水過(guò)程雨滴的碰并聯(lián)合和破碎過(guò)程可能會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，相應(yīng)地 Dm 將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。與之對(duì)應(yīng)，Nw-R擬合曲線的指數(shù)較大，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云中大雨強(qiáng)的增加主要依賴(lài)Nw增大，這也與 Chen等（2013）研究梅雨季大雨強(qiáng)的增加依賴(lài)Nw增大的結(jié)論一致。層狀云降水在短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程Dm-R的指數(shù)明顯大于Nw-R，而在持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程N(yùn)w-R的指數(shù)略大于Dm-R 。同時(shí)，持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程N(yùn)w-R的指數(shù)明顯大于短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，表明持續(xù)性強(qiáng)降水的雨強(qiáng)增大主要依賴(lài)Nw增大。此外，持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程層狀云降水的雨強(qiáng)極大值比短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程大，這是由于層狀云的Dm 不是很大但Nw較大、雨強(qiáng)增大依賴(lài)Nw增大所致。

綜上分析可知，無(wú)論短時(shí)強(qiáng)降水或持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，對(duì)流云降水雨強(qiáng)增大主要依賴(lài)Dm 增大，但當(dāng)雨強(qiáng)＞60 mm·h-1時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程雨強(qiáng)增大則主要依賴(lài)Nw增大；持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程層狀云降水雨強(qiáng)增大主要依賴(lài)Nw增大。

3.4 Z-R、Dm-Z、Nw-Z 擬合關(guān)系

目前多普勒天氣雷達(dá)定量估測(cè)降水最常用的方法是雷達(dá)反射率因子（Z）-雨強(qiáng)（R）擬合關(guān)系法（Z=aRb），經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水的Z-R擬合關(guān)系式為Z=300 R1.4（Fulton et al.，1998）。Uijlenhoet等（2003）對(duì)比美國(guó)不同地區(qū)雨滴譜特征對(duì)Z-R擬合關(guān)系的影響后指出，由雨滴數(shù)濃度控制（即Dm 趨于穩(wěn)定）的極端強(qiáng)降水，其Z-R 擬合關(guān)系式的b值接近一致，而a 值變化較大。圖10給出“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程的對(duì)流云和層狀云降水Z-R 散點(diǎn)圖及其擬合曲線。

從圖10中可見(jiàn)，對(duì)于對(duì)流云降水，當(dāng)R≤60 mm·h-1時(shí)，無(wú)論短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程和持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的Z-R 擬合關(guān)系式的a 均明顯小于經(jīng)典大陸性對(duì)流云擬合關(guān)系式中的a （300），而 b較大。對(duì)比兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程的對(duì)流云降水?dāng)M合關(guān)系式，短時(shí)強(qiáng)降水的Z-R 散點(diǎn)密集區(qū)和Z-R擬合關(guān)系式均位于持續(xù)性強(qiáng)降水的上方，其a 和b較大，與經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水的Z-R擬合曲線更接近（圖10a）。當(dāng)R ＞60 mm·h-1時(shí)，由于Dm 趨于一個(gè)穩(wěn)定值（圖9a），短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云的Z-R擬合關(guān)系式的 b （圖10a中紫色實(shí)線）與經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水的b幾乎一致，而系數(shù)a 偏大，這與前人相關(guān)研究結(jié)論相似（Uijlenhoet et al.，2003；Rosenfeld and Ulbrich，2003）。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云Z-R擬合關(guān)系式與經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水Z-R 擬合關(guān)系式交點(diǎn)位于R 為20 mm·h-1處，說(shuō)明其經(jīng)典關(guān)系式高估了強(qiáng)降水，這與趙城城等（2021）分析北京山區(qū)夏季雨滴譜特征采用經(jīng)典關(guān)系式高估降水的結(jié)論一致。對(duì)于層狀云降水，持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程其Z-R 擬合關(guān)系式的 b 值與曾培培等（2019）研究得到的南京地區(qū)層狀云Z-R擬合關(guān)系式的b值更接近，但系數(shù)a 偏?。▓D10b）。不論對(duì)流云還是層狀云降水，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的Z-R擬合關(guān)系式均位于持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的上方，相應(yīng)的Z也偏大。因此，對(duì)于同一Z值，由于短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程Z-R擬合關(guān)系式的a、b值較大，導(dǎo)致利用其對(duì)流云和層狀云的Z-R擬合關(guān)系式估測(cè)的雨強(qiáng)都較持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的偏弱；而大雨強(qiáng)（R＞60 mm·h-1）時(shí)Z-R擬合關(guān)系式的 b值與多普勒天氣雷達(dá)經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水Z-R擬合關(guān)系式的b值更接近而a 值偏大。

綜上分析表明，給定Z，利用短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)流云和層狀云降水Z-R擬合關(guān)系式估測(cè)的雨強(qiáng)均較持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的偏弱。那么，這一結(jié)論是否因Dm 和Nw分別與Z存在某種關(guān)系造成？為此，下文進(jìn)一步分析了Dm-Z和Nw-Z的定量關(guān)系。

圖11給出“18·6”湖北暴雨過(guò)程兩類(lèi)強(qiáng)降水的對(duì)流云和層狀云降水的Dm-Z和Nw-Z關(guān)系，同時(shí)給出用最小二乘法擬合的冪指數(shù)曲線。從中看到，隨著Z增大，Dm 呈指數(shù)增大，而lgNw呈指數(shù)減少。另外，從兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程擬合關(guān)系式的指數(shù)（圖中箭頭所指方框）可見(jiàn)，兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程Dm-Z的指數(shù)均為正，而Nw-Z均為負(fù)，表明Z增大主要依賴(lài)Dm 增大。對(duì)于對(duì)流云降水（圖11a、c），兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程Dm-Z 擬合曲線的交點(diǎn)位于 Z=104.04 mm6·m-3（相當(dāng)于40.4 dBz）。當(dāng)Z＞104.04 mm6·m-3時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程N(yùn)w-Z 的散點(diǎn)趨于一穩(wěn)定值，Dm-Z 的指數(shù)更大，表明較強(qiáng)的Z值更依賴(lài)Dm 增大。對(duì)于層狀云降水（圖11b、d），持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程N(yùn)w-Z的指數(shù)為負(fù)，與上節(jié)中Nw-R關(guān)系式的指數(shù)為較大正值相反，這主要是由于Z為雨滴直徑的6次方，其增加更依賴(lài) Dm 增大。不論對(duì)流云還是層狀云降水，給定Z，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的Dm 更大但Nw較小。因此，給定Z，利用短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程Z-R擬合關(guān)系式估測(cè)的雨強(qiáng)偏弱主要是由于Z的增加比R更依賴(lài)Dm 增大，短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程存在少量大粒子造成的。

4結(jié)論與討論

本文利用自動(dòng)站氣象站、CINRADA/SA多普勒天氣雷達(dá)、DSG5型降水現(xiàn)象儀雨滴譜和ERA5再分析資料，對(duì)比分析了2018年6月湖北一次西南低渦引發(fā)的短時(shí)強(qiáng)降水和持續(xù)性強(qiáng)降水的雨滴譜特征及擬合的Z-R關(guān)系差異，主要得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，其對(duì)流云降水各粒徑平均數(shù)濃度高且粒徑大，這與其內(nèi)部活躍的冰相過(guò)程和暖云層中的雨滴碰并、碰撞-破碎微物理過(guò)程相關(guān)；對(duì)于持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程，其層狀云降水小粒徑（D＜2 mm）平均數(shù)濃度高而中、大粒徑的平均數(shù)濃度低。

（2）歸一化Gamma譜截距參數(shù)（lgNw）和質(zhì)量加權(quán)平均直徑（Dm）分布顯示：短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的譜型分布更廣，具有較大的Dm 和較小的lgNw，對(duì)流、層狀云分離線的斜率更小。兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程的對(duì)流云降水雨強(qiáng)增大均主要依賴(lài)Dm 增大，但短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程在大雨強(qiáng)（R＞60 mm·h-1）時(shí)則更依賴(lài)Nw增大；持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的層狀云降水雨強(qiáng)增大主要依賴(lài)Nw增大。

（3）采用最小二乘法擬合的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程和持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的對(duì)流云降水Z-R擬合關(guān)系式分別為 Z=183.33R1.56和 Z=169.74R1.49，大雨強(qiáng)（R ＞60 mm · h-1）時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流云降水 Z-R 擬合關(guān)系式（Z=428.38R1.37）與多普勒天氣雷達(dá)經(jīng)典大陸性對(duì)流云降水 Z-R 關(guān)系（Z=300R1.40）的 b值更加接近而 a 值偏大。短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程和持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的層狀云降水 Z-R擬合關(guān)系式分別為Z=268.73R1.61和Z=189.89R1.51。兩類(lèi)強(qiáng)降水過(guò)程，Z 值增大均更依賴(lài)Dm 增大。給定 Z，利用短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程Z-R擬合關(guān)系式估測(cè)的雨強(qiáng)偏弱主要是因其存在少量大粒子造成。

本文對(duì)湖北一次由西南渦產(chǎn)生的兩類(lèi)強(qiáng)降水的雨滴譜特征進(jìn)行了比較分析，并揭示了兩類(lèi)強(qiáng)降水雨滴譜特征較為明顯的差異。認(rèn)識(shí)這些差異，有助于深入了解湖北省不同降水類(lèi)型的微物理特征、提高雷達(dá)定量估測(cè)降水精度。然而，強(qiáng)降水雨滴譜微物理特征所表現(xiàn)出來(lái)的明顯差異，除與降水類(lèi)型不同有關(guān)之外，很可能還與兩類(lèi)強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域的下墊面性質(zhì)和地形差異有關(guān)。至于下墊面性質(zhì)和地形差異對(duì)強(qiáng)降水雨滴譜特征會(huì)產(chǎn)生怎樣和多大的影響，這是下一步深化強(qiáng)降水雨滴譜微物理特征研究需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

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（責(zé)任編輯王銀平）