山东一次适宜增雨作业的雨滴谱特征分析

郭建，唐德才

1.南京信息工程大学，江苏南京2100442.山东省人民政府人工影响天气办公室，山东济南250031



山东一次适宜增雨作业的雨滴谱特征分析

郭建1，2，唐德才1*

1.南京信息工程大学，江苏南京210044
2.山东省人民政府人工影响天气办公室，山东济南250031

摘要：为了解降水微物理特征，更好地为增雨抗旱气象服务提供技术支持，本文以2015年4月18～19日发生在山东的一次适宜人工增雨作业的降水过程为例，利用激光雨滴谱仪获取的观测资料对雨滴微物理参量的连续演变特征、雨滴谱微物理参量特征以及降水不同阶段雨滴谱特征等方面进行分析。结果表明，降水强度决定于雨滴谱谱宽和雨滴数浓度，三者随时间变化趋势大致相同，峰区和谷区出现的位置基本一致；各谱特征参量与降水强度间均呈正相关性，即都随雨强的增大而增大；在雨强基本小于1 mm/h的降水第一阶段，谱宽仅为1.75 mm，而进入到雨强多数大于1 mm/h的降水第二阶段时，谱宽为3.5 mm；对于雨滴数浓度而言，降水第二阶段各档粒径数浓度远大于降水第一阶段中各粒径档数浓度值，仅粒径在0.375～0.5 mm之间时，降水两个阶段的雨滴数浓度值基本相同，在102量级。

关键词：增雨；雨滴谱；山东

山东省水资源严重短缺，十年九旱、旱涝交替是基本省情，人均水资源拥有量为每年322 m3，不足全国平均水平的六分之一，全省年用水缺口达4.0×109m3，水资源短缺、水生态脆弱、水灾害威胁三大水问题并存，特别是水资源严重匮乏的矛盾尤为突出。因此，利用科技手段合理开发空中云水资源，增加有效降水，对缓解水资源短缺、保持经济社会可持续发展，具有十分重要的作用。通过多年的实践表明，人工增雨在抗旱减灾中是最经济的技术选择。通过对雨滴谱特性的研究，可以深入了解降水形成的微物理过程，探索成云致雨机制，对于有针对性的开展人工增雨作业和进行效果检验等方面具有重要的理论意义和实用价值。

我国从上世纪60年代开始对雨滴谱进行观测和研究，分别利用滤纸色斑法、GBPP-100型地面雨滴谱仪和DISDROMETER声雨滴谱仪等观测手段开展了雨滴谱观测和研究工作，并取得了一些重要成果［1-6］。但滤纸色斑法存在后期处理数据繁冗、人工需求量大、读数繁琐、取样间隔大等问题，所取得的数据存在大滴数浓度偏小、小滴数浓度偏大，人为处理对结果影响过大等问题［7］。GBBP-100型地面雨滴谱仪虽具备连续采样、直接存储数据的功能，但其取样面积过大，雨滴变形和重叠会造成测量的大雨滴偏多，尤其在降水强度较大时，计算的雨强值会偏大［8］。DISDROMETER声雨滴谱仪在强降水时会低估小雨滴的数目，但对Z-R关系的影响不到3%［9］。近几年，以激光为基础的光学粒子测量系统——激光雨滴谱仪被广泛应用于雨滴谱观测中，并利用获取的资料开展了一些科研工作。史晋森等［10］利用2006年夏季在祁连山北坡进行人工影响天气综合科学试验期间的激光雨滴谱仪观测资料，对该地区夏季不同云系降水的雨滴谱特征进行了分析，为祁连山实施人工增雨（雪）提供了一定的科学依据。廖菲等［11］为了进一步研究珠江三角洲地区夏季典型雷电天气系统影响下降水微物理特征，选取锋面过程和台风登陆过程所引起的降水为研究对象，利用激光雨滴谱仪获取的雨滴尺度谱和速度谱的观测信息，对降水的雨滴谱特征进行了较深入的分析。陈磊等［12］利用激光降水粒子谱仪在淮南和南京同时观测的梅雨锋暴雨过程资料，分析了梅雨锋暴雨降水微结构特征。胡子浩等［13］利用激光雨滴谱仪在南海地区获取的一次对流云降水资料，对降水的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行了分析，对平均谱进行Gamma分布最小二乘、阶矩法拟合和对数正态分布拟合，发现对数正态分布拟合有明显优势。周黎明等［14］利用激光雨滴谱仪观测获取的雨滴谱资料，分析了山东三类云降水雨滴微结构参量特征和滴谱随降水过程的演变特征，此外统计得到了该地区三类云降水的Z-R关系，为雷达定量测量降水提供了一定的参考。

本文以2015年4月18～19日发生在山东的一次适宜开展人工增雨作业的降水过程为例，利用激光雨滴谱仪获取的资料对降水微物理参量、雨滴谱等特征进行了分析，对于了解降水微物理过程及形成机制等方面具有一定的帮助作用，力争为今后更好地开展人工增雨作业、最大限度地开发利用云水资源提供一些技术支持。

1　天气形势分析

2015年4月18～19日，受冷空气和气旋共同影响，山东出现一次大范围降水天气过程。18日08时，高空500 hPa、700 hPa和850 hPa我省均处于高压脊控制中；500 hPa形势场中（图1a），在河套地区有西风槽东移；地面图上（图1b）山东处于高压后部，地面倒槽伸到黄淮地区，14时地面雨区已到达山东周边。随着西风槽逐渐东移和地面倒槽不断北抬，降水系统开始影响山东。19日08时，高空500 hPa形势场上山东处于较为宽广的西风浅槽槽前西南气流中；700 hPa（图1c）从鲁北至鲁西南地区有切变线存在；而850 hPa形势场上（图1d），切变线已东移至海上，山东受东北风控制；地面图上山东处于冷锋中，全省大部分地区出现降水，其中鲁西北、鲁中西部和鲁西南地区出现中雨。受降水系统东移影响，鲁中东部、鲁东南和半岛地区出现小雨，截止19日夜间全省降水基本结束。

图1　天气形势（a）4月18日08时500 hPa形势场；（b）4月18日14时地面形势场；（c）4月19日08时700hPa形势场；（d）4月19日08时850hPa形势场（实线：等位势高度线，单位：dagpm；虚线：等温线，单位：℃）Fig.1 The weather conditions （a）The 500 hPa pattern at 08：00 on Apr. 18；（b）The surface pattern at 14：00 on Apr 18；（c）The 700 hPa pattern at 08：00 on Apr. 19；（d）The 850 hPa pattern at 08：00 on Apr. 19（solid lines denote geopotential height line，unit：dagpm；dotted lines denote isotherm，unit：℃）

本次降水过程以层状云和积层混合云为主，属于一次稳定性降水天气，适宜开展飞机和地面人工增雨作业。针对此次降水天气过程，山东人影部门于19日上午7：58～11：41开展飞机增雨作业1架次；此外，济南、东营、淄博、菏泽、临沂、青岛、日照、烟台、枣庄等地人影部门还开展了地面高炮、火箭和高山燃烧炉作业。

2　观测仪器和资料说明

激光雨滴谱仪以激光测量为基础，由激光光学发射源产生一组平行光束，利用互相平行而高度不同的光束，当雨滴穿过时会遮住激光束并产生接收信号，通过减小的振幅计算出雨滴直径；通过由两个高度不同的光束记录雨滴经过两个高度的时间差，从而可计算出雨滴的下落速度［15］。该仪器能够较好地实现对降水粒子谱型分布的自动测量，可以给出降水粒子的尺度、下落速度、降水强度、降水量、降水类型等信息。该仪器的采样面积为45.6 cm2（228 mm×20 mm），测量的速度通道和尺度通道分别为20和22个，粒子速度的观测范围在0.2～20 m/s之间，粒径的测量范围为0.16～8 mm。

山东省人民政府人工影响天气办公室在鲁西平原地区东阿县气象局内（116°14′49″E，36°20′06″N）安装布设了一台激光雨滴谱仪，对降水过程进行连续取样观测，采样时间间隔设定为1 min一次。本文选用了该仪器对2015年4月18日20：14～19日18：34降水过程连续采样获取的1341个样本资料进行了降水微物理特征方面的分析。

3　降水微物理参量特征分析

激光雨滴谱仪探测得到的数据为1 min内降落在测量面积上、直径介于D与D+dD间的降水粒子个数（个/min），需要将其进行如下换算得到每分钟采集到的降水粒子空间数浓度N（个/m3）：

其中，i，j分别是降水粒子的粒径和速度分档，Nij是直径i档上速度为j档的粒子个数，S是测量面积，t是采样时间，Vj是速度j档所对应的降水粒子下落末速度。

为了讨论降水的微物理特征，对雨滴谱微物理特征量I（降水强度）、Dmax（最大直径）、Q（雨水含量）、Z（雷达反射率因子）进行了计算。各物理特征量的计算公式如下：

3.1雨滴微物理参量的连续演变特征

观测获取的雨滴谱资料经过处理可以得到降水的微物理参量，这些微物理特征参量的时间变化特征，可以从一个方面反映出云和降水形成机制上的差异。为了研究整个降水过程中雨滴微物理特征参量随时间的演变特征，图2给出了本次降水过程中雨滴数浓度N、最大直径Dmax和降水强度I随时间的变化规律。从图中可以看出，本次降水过程基本是连续性降水并且持续时间很长（近23 h），降水起伏变化较大，这与层状云中镶嵌有雷达回波强度超过30 dBz的较强回波体有关。从降水强度分布情况来看，本次过程主要分为两个降水阶段：第一阶段（1～620 min）为弱降水时段，降水强度大多在1 mm/h以下，降水量仅3.93 mm；之后经过近30 min的降水停歇后进入降水第二阶段（648～1341 min）为持续较稳定的略强降水时段，降水强度基本大于1 mm/h，降水量为9.96 mm。整体看来，降水强度决定于雨滴谱谱宽（最大直径）和雨滴数浓度，三者存在一个明显的特征：降水强度、最大直径和雨滴数浓度随时间变化趋势大致相同，三者峰区和谷区出现的位置基本一致。雨滴数浓度最大为2463个/m3；降水强度小于或者在1 mm/h左右时，雨滴数浓度一般为102量级；降水强度大于1 mm/h时，雨滴数浓度多在103量级。雨滴最大直径为3.5 mm，主要在1～2.5 mm之间振荡。具体而言，降水第一阶段：最大直径基本都是在2 mm以下；但在173～195 min时出现了短短22 min降水强度大于1 mm/h的降水时段并出现本次降水的雨强最大值3.711 mm/h；此时段最大直径也大于2 mm，同时雨强最大值对应着谱宽最大值3.5 mm；对于雨滴数浓度来说，雨强最大值出现的时候，数浓度处于峰区，但不是本次降水的最大浓度值，而在450～620 min尽管数浓度与降水强度和最大直径的变化趋势相似，但起伏强度要大很多，此时段出现本次降水雨滴数浓度最大值，但并非对应降水强度的最大值。降水第二阶段：最大直径多数在2～3 mm之间；在700～730 min的弱降水峰区（降水强度小于0.5 mm/h）对应的雨滴数浓度峰区在1000～2000个/m3之间，而在980～1130 min雨强大于1 mm/h的稳定降水阶段，雨滴数浓度与雨强的变化趋势一致，但数浓度值在500～1000 个/m3之间。由此看来，降水强度与最大直径和数浓度均存在相关性，但降水强度与最大直径的关系更为密切，也就是说，雨滴的大小对雨强的贡献更大。

图2　本次降水过程中各微物理特征参量随时间的演变Fig.2 Variation of Micro-physical parameters with the time during the precipitation

3.2雨滴谱微物理参量特征分析

通过分析不同微物理特征参量N、Q、Dmax、Z和降水强度I的相关关系，可以揭示降水强度对雨滴谱的影响，能够了解降水的物理性质。图3给出了降水强度I与数浓度N、雨水含量Q、最大直径Dmax和雷达反射率因子Z的分布特征关系。从图中可以看出，降水强度与数浓度间的关系点分布较为分散，相关性稍差，相关系数为75.1%；其次为降水强度与最大直径的关系点比较分散，相关性为85.48%；而降水强度与雨水含量和雷达反射率因子的关系点分布集中，相关性均达到90%以上，分别为98.34%和94.32%。因此，各谱特征参量与降水强度间均呈正相关性。

图3　本次降水过程中谱特征参量与降水强度的关系Fig.3 Relations between micro-physical parameters and precipitation intensity during the precipitation

3.3降水不同阶段雨滴谱特征分析

雨滴是云的动力和微物理过程共同作用的结果。雨滴谱是雨滴数浓度随雨滴尺度分布的函数，含有丰富的云降水微物理特征信息，是描述降水物理过程的最基本微物理量。图4给出了本次过程中不同降水阶段获取的所有每分钟瞬时雨滴谱资料通过计算得到的平均雨滴谱分布状态。可以看出，在降水第一阶段，雨强基本小于1 mm/h的情况下，雨滴谱很窄，谱宽仅为1.75 mm，说明降水形成过程中主要是有较多的小滴构成；而进入到降水较稳定阶段，雨强多数大于1 mm/h的降水第二阶段时，雨滴谱明显增宽，谱宽为3.5 mm。对于雨滴数浓度而言，总体来说，降水第二阶段各档粒径数浓度远大于降水第一阶段中各粒径档数浓度值，只有粒径在0.375～0.5 mm之间时，降水两个阶段的雨滴数浓度值基本相同，在102量级。

图4　降水不同阶段平均雨滴谱特征分布Fig.4 The distributions of average raindrop spectrum for different stages of the precipitation

4　结论

本文以2015年春季发生在山东的一次适宜开展人工增雨作业的降水天气过程为例，利用激光雨滴谱仪采样获取的连续观测资料对降水过程中粒子的一些微物理特征进行分析，得出如下结论：

（1）此次降水过程中雨滴数浓度最大为2463个/m3；降水强度小于或者在1 mm/h左右时，雨滴数浓度一般为102量级；而降水强度大于1 mm/h时，雨滴数浓度多为103量级。对于雨滴谱谱宽来说，雨滴最大直径为3.5 mm，主要在1～2.5 mm之间振荡。

（2）本次降水过程中，降水强度与最大直径和数浓度均存在相关性，但降水强度与最大直径的关系更为密切，因而雨滴的大小对雨强的贡献更大。另外，降水强度与雨水含量和雷达反射率因子的关系点分布集中，相关性均达到90%以上，因此，各谱特征参量与降水强度间均呈正相关性。

（3）从雨滴谱分布特征来看，在降水第一阶段，雨强基本小于1 mm/h的情况下，雨滴谱很窄，谱宽仅为1.75 mm；而进入到降水较稳定阶段，雨强多数大于1 mm/h的第二阶段时，雨滴谱明显拓宽为3.5 mm。对于雨滴数浓度而言，降水第二阶段各档粒径数浓度远大于降水第一阶段中各粒径档数浓度值，只有粒径在0.375～0.5 mm之间时，降水两个阶段的雨滴数浓度值基本相同，在102量级。

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Analysison Raindrop Spectral Characteristicsof a FeasibleArtificial Precipitationin Shandong Province

GUO Jian1，2，TANG De-cai1*

1. Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China
2. Shandong Weather Modification Office，Jinan 250031，China

Abstract：To understand the micro-physical properties of precipitation and well to provide a certain technical supports for precipitation and drought weather service，raindrop size spectra were collected with an optical disdrometer during the precipitation for fitting artificial precipitation enhancement in April 18～19 2015 in Shandong Province. The characteristics of the micro-physical parameters varied with the time，the relations of micro-physical parameters with precipitation intensity and the average raindrop size distributions for different stages of the precipitation were investigated. It was found that the precipitation intensity was decided by the maximum diameter and number concentration，the three trends over time were roughly same and the location of the peak and valley area appeared almost the same. The micro-physical parameters and precipitation intensity had positive linear correlations，in other words，they increased with the increase of rainfall intensity. In the first stage that the rainfall intensity was basically less than 1 mm/h，the distribution of raindrop size was very narrow and the width was only 1.75 mm. But in the second stage that the rainfall intensity was mainly more than 1 mm/h，the distribution of raindrop size was apparently broadened and the width was attained to 3.5 mm. In the second stage of the precipitation，the number of raindrops concentration was greater than that in the first stage and while the raindrop diameters were between 0.375 and 0.5 mm，the number of raindrops concentration was basically the same with 102orders of magnitude.

Keywords：Artificial precipitation；raindrop spectrum；Shandong Province

中图法分类号：P481

文献标识码：A

文章编号：1000-2324（2016）03-0383-05

收稿日期：2015-5-08修回日期：2015-7-10

基金项目：山东省气象局课题（2015sdqxm07）

作者简介：郭建（1975-），男，山东济南人，工程师，主要从事人工影响天气工作. E-mail：1799531746@qq.com

*通讯作者：Author for correspondence. E-mail：tangdecai2003@163.com