2015年春季山东一场转折性降水微物理特征分析

周黎明，王　庆，龚佃利，张洪生，孙　晶

(1.山东省人民政府人工影响天气办公室，山东　济南　250031; 2.山东省气象台，山东　济南　250031)



2015年春季山东一场转折性降水微物理特征分析

周黎明1，王庆1，龚佃利1，张洪生1，孙晶2

(1.山东省人民政府人工影响天气办公室，山东济南250031; 2.山东省气象台，山东济南250031)

利用山东济南章丘站L波段探空秒数据和激光雨滴谱仪资料，对2015年3月31日—4月2日山东一次受低槽冷锋、切变线和江淮气旋共同影响而造成的大范围春季转折性降水天气过程的云系垂直结构演变以及不同天气系统下降水云微物理特征进行对比分析。结果表明：(1)降水前期，云系表现为“上层云—干层—下层云”2层云结构；随后降水持续期，逐渐演变为中、低云垂直发展旺盛的云系；降水末期，云顶高度下降，云体再次分离成较弱的2层云结构，中间有深厚的干层时，降水结束；(2)低槽冷锋降水雨滴谱最窄，江淮气旋降水雨滴谱最宽；(3)降水强度与雨滴谱各特征参量均具有较好的正相关性，但不同天气系统影响下其相关性有差异；(4)雨滴落速主要集中在2～4 m·s-1之间，这与雨滴下落末速度理论值基本相符。

探空资料；激光雨滴谱仪；转折性降水；云垂直结构；雨滴谱

引　言

云的垂直结构特征在人工影响天气和云降水等方面发挥重要作用，但业务上直接有效的观测手段还十分缺乏。L波段探空秒数据可用于云底、云顶、云夹层等云系垂直宏观结构的动态分析，对了解云系结构、合理开展人工增雨作业及预测降水等方面起到较好的指示作用。Wang等[1]最早提出通过相对湿度阈值法判断云层的垂直结构，发现可将相对湿度84%～87%作为阈值。周毓荃等[2]利用相对湿度阈值法分析云垂直结构，并验证了此方法的可行性和可用性。盛日锋等[3]利用探空秒数据与NECP资料对发生在2009年11月11—12日山东一次特殊雨雪天气进行分析，揭示了一定动力条件下山东中西部暴雪发生前、中、后期云的垂直演变特征。

雨滴谱观测分析是研究云降水物理特征的一项重要内容，通过对雨滴谱特性的分析可以深入探索成云致雨机制。雨滴谱的谱型和有关特征量能够反映降水的微物理特征，是雨滴数浓度随雨滴尺度变化的函数。影响雨滴谱分布的因子包括碰并、破碎、蒸发、凝结增长、上升气流作用、下沉气流作用及风的水平切变作用等，在不同天气系统影响下降水的雨滴谱表现各异，通过研究雨滴谱分布情况，可以更加深入地认识降水的微物理过程和宏观动力结构[4-5]。随着气象现代化建设的不断实现和人工影响天气科研水平的逐步提高，激光雨滴谱仪得到越来越广泛地布设和应用[6-9]。聂颖等[10]利用连续性降水天气和雷暴天气过程的雨滴谱资料，研究不同性质的降水对能见度的影响，发现雷暴降水出现低能见度的雨滴谱较宽，连续性降水出现低能见度的雨滴谱分布较窄，粒子浓度与能见度呈反相关。张欢等[11]通过庐山不同高度处观测的对流云降水过程资料，分析了雨滴下落过程中各种物理机制的重要作用。胡子浩等[12]利用南海地区激光雨滴谱仪获取的对流云降水资料，对降水的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析。

地面雨滴谱资料配合探空数据通过分析云垂直结构来研究云和降水物理特征，能够更加深入地了解降水微物理过程和成云致雨机制，但2种资料相结合开展的工作还不多见。因此本文利用山东济南章丘站L波段的探空秒数据，对2015年3月31日—4月2日山东一次春季转折性降水天气过程的降水云系垂直结构演变特征进行分析，并结合该站激光雨滴谱仪资料对本次降水过程不同天气系统影响下的降水微物理参量、雨滴谱和速度谱等特征进行对比分析，以期为今后春季抗旱关键期准确识别人工增雨作业条件、科学开展播云催化提供一定的技术支持和理论参考。

1　资料与方法

所用资料为2015年3月31日—4月2日山东济南章丘站(117°33′36″ E，36°43′48″ N，位于鲁中地区)L波段探空秒数据和Thies激光雨滴谱仪观测资料。采用周毓荃等[2]的方法，基于探空秒数据，进行此次降水过程的云垂直结构分析。

L波段高空气象探测系统是我国自主研制的新一代探空系统，由二次测风雷达和电子探空仪配合，能够连续自动测定高空的气温、湿度、气压、风向和风速等气象要素，数据采样周期为1.2 s，空间垂直分辨率为8 m，具有探测精度高、采样速率快、使用方便等优点。

Thies激光雨滴谱仪是以激光测量为原理的降水粒子特性测量仪器，当雨滴穿过激光束(测量面积为45.6 cm2)时产生接收信号，利用减小的振幅计算雨滴直径，通过减小信号的持续时间测得雨滴的下落速度。此外，还可以计算降水强度、降水量、降水类型和降水粒子个数等信息。该仪器的数据取样时间间隔为1 min，测量的速度通道和尺度通道分别为20个和22个，粒径的测量范围为0.16～8 mm，粒子速度的观测范围在0.2～20 m·s-1之间。

2　天气背景

2015年初春，山东气温偏高、降水明显偏少。3月全省平均气温8.7 ℃，较常年偏高1.9 ℃，平均降水量5.4 mm，较常年偏少69.7%，部分地区出现不同程度的旱情。据民政部门和水利部门统计，截止至3月30日，莱芜、济南、临沂等市8.6万人出现临时性饮水困难，全省410多座水库干涸，260多条河道断流。济南市72名泉中，漱玉泉、金线泉、柳絮泉等17处泉水停喷，趵突泉水位连续9 d低于红色警戒线，3月30日的水位为27.47 m，比红色警戒水位低13 cm，干旱形势十分严峻。

2015年3月31日—4月2日，受冷锋和江淮气旋共同影响，山东出现一次连续性强降水天气过程，全省平均降水量38.4 mm，28个站达到暴雨级别，暴雨区主要出现在鲁东南和鲁中部分地区，最大降水量77.4 mm。整个降水过程具有持续时间长、降水时段集中等特点，可分为3个阶段：第一阶段，3月31日08:00—4月1日08:00(北京时，下同)，低槽冷锋影响产生稳定性降水；第二阶段，4月1日08:00—20:00，切变线和地面倒槽共同影响产生降水；第三阶段，4月1日20:00—2日20:00，低涡切变线和地面气旋共同影响产生降水。

从3月31日08:00高空形势来看(图略)，500 hPa山东高空环流较为平直，但上游巴尔喀什湖东南部存在高空冷涡系统，沿西北气流不断有冷空气分裂南下，在河套西部有小槽东移；700 hPa和850 hPa有西南暖湿气流向山东输送水汽，850 hPa锋区位于华北到东北南部，在华北南部有一切变线，受冷空气影响，鲁西北自08:00开始有弱降水产生。4月1日08:00，500 hPa位于河套西部的小槽在东移过程中不断加深，山东主要受槽前脊后的西南气流影响(图1a)；700 hPa在河套西部有低涡，沿低涡切变线有西南气流加强北上；850 hPa西南涡位于四川地区，涡前的暖性切变线伸至鲁南一带。地面图上(图1b)，冷空气沿西北路径侵入山东，山东处于冷高压前部，同时从西南地区向北伸展的地面倒槽到达山东西南部，受冷暖气流共同影响，4月1日白天降水一直持续。4月1日20:00，500 hPa高空槽缓慢东移至河套地区，中低层逐渐形成低涡，700 hPa高空槽前暖湿气流延伸至鲁西北地区，850 hPa切变线在500 hPa偏南气流的引导下向北移动至鲁中北部到半岛一带(图略)；地面图上，随着冷空气的入侵，地面倒槽强烈发展为气旋(图1c)，地面辐合上升运动加强，降水也随之加强。2日08:00，500 hPa高空槽到达山东西部，850 hPa切变线北抬至山东北部沿海(图略)；地面气旋移动到半岛地区(图1d)。除半岛外，此时山东降水基本结束。2日20:00，地面气旋移至辽东半岛，山东转为槽后西北气流控制，降水结束。

3　降水云垂直结构

图2为本次降水过程中济南章丘探空站的云垂直结构，可以看出，2015年3月31日20:00(图2a)，降水云系表现为“上层云—干层—下层云”的2层云结构，6 100～8 800 m高度有高云存在，4 400～6 100 m高度为干层，下层云的云顶和云底高度分别位于4 400 m和150 m，受锋面过境影响章丘站开始出现降水。4月1日08:00(图2b)，云顶高度下降至6 200 m处，但中云和低云垂直发展成深厚云系，云体结构密实且无夹层出现，小雨持续不断。近地面受东北气流影响，850 hPa存在旺盛的西南气流，表明低层存在冷空气垫，且与高层暖湿气流共同作用形成降水，降水形式表现为回流降水特点。2日08:00(图2c)，降水云层的云顶高度为5 900 m，较1日08:00略有下降，且云体接地；章丘附近从近地面层到对流层中高层均为一致的强盛西南气流，而500 hPa西风槽仍在山东以西，低层切变线位于鲁西北地区，地面气旋中心已移到鲁东南至半岛一带，雨强减弱，降水趋于结束。2日20:00(图2d)，云系明显减弱，且分离成较弱的2层云结构：近地面层有浅薄的低云，8 100 m以上有高云存在，1 300～8 100 m之间是深厚的干层；从近地面层至500 hPa均处于西北气流影响下，降水结束。

图1　2015年4月1日08:00 500 hPa形势场和风场(a)，4月1日08:00(b)、20:00(c)和4月2日08:00(d)地面形势场(蓝色实线为等位势高度线，单位：dagpm；红色虚线为等温线，单位：℃； 深红色实线为500 hPa槽线；紫色实线为等压线，单位：hPa)

图2　2015年3月31日20:00(a)、4月1日08:00(b)、4月2日08:00(c)和20:00(d)济南章丘L波段探空站的云垂直结构

4　雨滴微物理特征

4.1雨滴谱特征

图3为本次降水过程中章丘站激光雨滴谱仪获取的降水强度随时间的演变。结合天气形势及影响系统分析可知，此次章丘降水是由不同天气类型影响而形成的3个主要降水时段组成：低槽冷锋影响阶段，降水出现在3月31日16:35—4月1日08:16；切变线影响阶段，降水主要出现在4月1日09:20—20:20；江淮气旋影响阶段，降水集中在4月2日00:32—08:16。

图3　2015年3月31日16:35—4月2日08:16章丘站降水强度的时间演变

图4是本次降水过程中上述3种不同天气系统影响下逐分钟观测资料平均获取的雨滴谱分布。可以看出，低槽冷锋降水的雨滴谱相对较窄，最大直径仅2.5 mm；江淮气旋降水的雨滴谱较宽，最大直径为4.5 mm；切变线降水的雨滴谱谱宽介于前两者之间，最大直径为3.5 mm。另外，除粒径在0.375～0.5 mm范围内，江淮气旋降水的雨滴数浓度略低于低槽冷锋降水，其余粒径其雨滴数浓度普遍高于低槽冷锋和切变线降水。这可能与江淮气旋降水中较大雨滴在下降过程中破碎有关，一方面使得小雨滴数浓度大量增加，另一方面雨滴之间的碰并作用可能使小雨滴形成少量较大雨滴[13]。当粒径<1 mm时，低槽冷锋降水的雨滴数浓度明显高于切变线降水；而当粒径1～2.5 mm时，低槽冷锋降水的雨滴数浓度最少。由于本次低槽冷锋降水过程中2层云之间存在干层，使得上层云中部分大云滴和雨滴在下落过程中快速蒸发，且一定程度上还阻碍了上层冷云中冰雪晶粒子下落至低层暖云，造成降落到地面的雨滴以小雨滴为主且雨滴谱较窄。此次江淮气旋降水过程中云体接地，大大减弱了雨滴下落过程中的蒸发，使得大雨滴数目相对较多，同时雨滴间的碰并增长也使得大雨滴数浓度增多；此外，雨滴直径达1 mm以上时，在下落过程中其内部将会发生环流，从而影响雨滴内压强而导致雨滴变形，加之与气流的作用及雨滴的碰撞易产生破碎，使得小雨滴数目也较多[5,14]。从图2c可知，此降水时段从低层到高层一致的强盛西南气流为降水提供了丰沛的水汽条件，加之上升运动使水汽冷却凝结形成大量雨滴，这也是江淮气旋降水雨滴谱数浓度整体较高的原因之一。对于切变线降水阶段而言，粒径<1 mm的雨滴数浓度较前2个降水阶段最少，可能是大雨滴并和小雨滴而引起小雨滴数量减少所致。

图4　2015年3月31日16:35—4月2日08:16不同天气系统下章丘平均雨滴谱分布特征

4.2雨滴谱微物理量特征

为讨论此次降水的微物理特征，基于逐分钟雨滴谱资料计算雨滴数浓度(N)、雨强(I)、含水量(Q)和雨滴平均直径(Dm)、均方根直径(DRMS)、均立方根直径(DCR)、最大直径(Dmax)，并对不同天气系统下降水过程的雨滴上述微物理特征量取平均(表1)。由表1可以看出，不同天气系统影响下，雨滴的微物理特征量有较大差异。江淮气旋降水过程中，N、I和Q值明显高于低槽冷锋和切变线降水，其中N值是切变线降水的近5倍，I值是低槽冷锋降水的3倍之多，Q值均为低槽冷锋和切变线降水的4倍；江淮气旋降水的雨滴Dmax为2.00 mm，大于低槽冷锋和切变线降水的0.84 mm和1.32 mm，但Dm、DRMS和DCR均小于切变线降水。这与江淮气旋降水雨滴谱斜率大、数浓度高(图4)有关。低槽冷锋降水过程中，其Q值与切变线降水相同，都为0.03 g·m-3；I值及各雨滴直径均小于切变线降水，但N值大于切变线降水。相对于切变线降水来说，低槽冷锋降水主要是由高浓度、粒径较小的小雨滴组成(图4)。

表1　2015年3月31日16:35—4月2日08:16不同天气系统下章丘雨滴谱各微物理特征量

4.3雨滴谱微物理特征量与雨强的关系

图5给出降水强度I与雨滴谱微物理特征量(N、Q和Dmax)的分布。可以看出，不同天气系统下的降水过程中，降水强度与各雨滴谱的特征参量均存在较好的正相关，其中Q与I的相关性最好，低槽冷锋降水、切变线降水和江淮气旋降水二者的相关系数分别达0.98、0.99和0.97。N和Dmax与I的相关性差异较大，对于低槽冷锋降水过程而言，N和Dmax与I的相关系数分别为0.76和0.79；对于切变线降水来说，N和Dmax与I的相关系数分别为0.87和0.88，相关性均明显高于低槽冷锋降水；江淮气旋降水过程中，N与I的相关性较差，相关系数仅为0.69，但Dmax与I的相关系数达0.84，说明江淮气旋降水中大雨滴对雨强的贡献起主导作用。

图5　2015年3月31日16:35—4月2日08:16不同天气系统下雨滴谱特征量与降水强度的关系

综上所述，此次不同天气系统下的降水过程中，相同雨强下各雨滴谱特征量值亦存在一些差异。具体表现在：I相同时，低槽冷锋和切变线降水中Q相差不大，但小于江淮气旋降水中Q值，且随I的增大差异越明显；低槽冷锋和江淮气旋降水中N值变化范围接近，远高于切变线降水中N值；切变线降水中Dmax值略高于低槽冷锋降水，而显著低于江淮气旋降水。

4.4雨滴速度谱演变特征

雨滴下落末速度能够直接决定降水的动能，对研究降水下落的条件、雨滴碰并过程等具有重要意义。降水粒子下落速度不同将会导致地面雨滴谱存在较明显的差别，湍流、上升气流及空气密度等因素均对雨滴下落速度产生较大影响[4]。Thies激光雨滴谱仪不仅能给出雨滴谱的分布情况，还可提供雨滴下落过程中的降落速度。图6给出本次降水过程中3种不同天气系统影响下的雨滴速度谱的时间变化。可以看出，整个降水过程中，雨滴落速主要集中在2～4 m·s-1之间，表明此落速范围内的雨滴对降水的贡献比较可观，这与Niu等[15]在宁夏固原观测获取的层状云降水雨滴落速主要集中在2～4 m·s-1范围内的结论一致。低槽冷锋和切变线降水过程中雨滴速度谱以多峰结构为主，主峰区的速度在2 m·s-1左右，这与蒋年冲等[16]观测到的安徽强雨雪天气过程中雨滴速度峰值在2.4～2.8 m·s-1相接近。江淮气旋降水过程中速度谱由多峰和单峰分布组成，主峰值在2 m·s-1附近，次峰值约在4 m·s-1处；对于落速在1～2 m·s-1之间的N值远高于低槽冷锋和切变线降水，而落速>2 m·s-1的N值与低槽冷锋和切变线降水相差不大。

根据Gunn R等[17]从实验室求得的单个水滴下落末速度来看，水滴的下落速度与水滴大小有较强的正相关性，直径0.4 mm、0.6 mm和1 mm的水滴下落末速度分别为1.62 m·s-1、2.47 m·s-1和4.03 m·s-1。当直径为5 mm时，水滴末速度接近于极限值9.17 m·s-1。对此次整个降水过程激光雨滴谱仪观测的降水粒子速度谱来说，与理论结果有较好的一致性，观测值与理论值基本相符。

图6　2015年3月31日16:35—4月2日08:16不同天气系统下降水粒子下落速度谱的时间演变

5　结　论

(1)降水前期，云系表现为2层云结构；降水持续期，其演变为中、低云垂直发展旺盛的云系；降水末期，云顶高度下降，云体再次分离成较弱的2层云结构，中间有深厚的干层时，降水结束。

(2)此次降水过程分别由低槽冷锋、切变线和江淮气旋3种天气系统影响形成。江淮气旋降水雨滴谱最宽且数浓度普遍高于低槽冷锋和切变线降水(0.375～0.5 mm粒径范围除外)，低槽冷锋降水雨滴谱最窄。当粒径<1 mm时，低槽冷锋降水N值明显高于切变线降水，且随着粒径的增大N值减少的速度更快。

(3)江淮气旋降水过程中，I、N、Q和Dmax的均值明显高于低槽冷锋和切变线降水中相应的参量值，但Dm、DRMS和DCR值却小于切变线降水。

(4)不同天气系统下的降水过程中，降水强度与雨滴谱各特征参量均有较好的正相关关系，其中江淮气旋降水中I与Dmax的相关性达0.84，大雨滴对雨强的贡献起主导作用。

(5)整个降水过程中，雨滴下落速度主要集中在2～4 m·s-1之间，其中低槽冷锋和切变线降水速度谱以多峰结构为主，而江淮气旋降水速度谱由多峰和单峰分布组成。对于落速在1～2 m·s-1之间的N值，江淮气旋降水明显高于低槽冷锋和切变线降水；而落速>2 m·s-1，3个影响系统降水的N值趋于接近。

[1] Wang J H, Rossow W B. Determination of cloud vertical structure from upper-air observations[J]. Journal of Applied Meteorology, 1995,34:1362-1369.

[2] 周毓荃,欧建军. 利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究[J]. 气象, 2010,36(11):50-58.

[3] 盛日锋,马占山,欧建军,等. 2009年山东一次特殊雨雪天气的云物理特征分析[J]. 高原气象, 2012,31(6):1711-1720.

[4] 牛生杰. 云降水物理研究[M]. 北京:气象出版社, 2012.38-42.

[5] 刘红燕,雷恒池. 基于地面雨滴谱资料分析层状云和对流云降水特征[J]. 大气科学, 2006,30(4):693-702.

[6] 胡子浩,濮江平,张欢,等. 庐山地区层状云和对流云降水特征对比分析[J]. 气象与环境科学, 2013,36(4):43-49.

[7] 蔡淼,周毓荃,朱彬. FY2C/D卫星反演云特性参数与地面雨滴谱降水观测初步分析[J]. 气象与环境科学, 2010,33(1):1-6.

[8] 王慧娟,熊守权,李德俊,等. 基于激光雨滴谱仪的一次降水云滴谱特征分析[J]. 高原山地气象研究, 2013,33(1):17-22.

[9] 江新安,王敏仲. 伊犁河谷汛期一次短时强降水雨滴谱特征分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 2015,9(5):56-61.

[10] 聂颖,陈宝君,濮江平,等. 南京机场降水低能见度雨滴谱特征[J]. 气象科技, 2013,41(1):160-164.

[11] 张欢,濮江平,胡子浩,等. 庐山不同高度雨滴谱分析[J]. 气象与环境科学, 2013,36(2):26-30.

[12] 胡子浩,濮江平,濮云涛,等. 南海一次海洋性对流云降水雨滴谱特征分析[J]. 热带气象学报, 2014,30(1):181-188.

[13] 林文,牛生杰. 宁夏盛夏层状云降水雨滴谱特征分析[J]. 气象科学, 2009,29(1):97-101.

[14] 宫福久,刘吉成,李子华. 三类降水云雨滴谱特征研究[J]. 大气科学, 1997,21(5):607-614.

[15] Niu S J, Jia X C, Sang J R, et al. Distributions of raindrop sizes and fall velocities in a semiarid plateau climate:Convective versus stratiform rains[J]. Journal of Applied Meteorology Climatology. 2010,49:632-645.

[16] 蒋年冲,胡雯,邵洋,等. 安徽大别山一次强雨雪天气过程降水粒子特征分析[J]. 气象, 2010,36(6):79-84.

[17] Gunn R, Kinzer G D. The terminal velocity of fall for water drops in stagnant air[J]. Journal of Meteorology, 1949,6:243-248.

Analysis of Microphysical Characteristics on a Turning Precipitation in Shandong Province in Spring of 2015

ZHOU Liming1, WANG Qing1, GONG Dianli1, ZHANG Hongsheng1, SUN Jing2

(1.WeatherModificationOfficeofShandongProvincialPeople’sGovernment,Ji’nan250031,China; 2.ShandongProvincialMeteorologicalObservatory,Ji’nan250031,China)

Being subjected to the low trough with cold front, shear line and Changjiang-Huaihe cyclone, a wide-range turning precipitation occurred in Shandong Province from March 31 to April 2, 2015. Based on the sounding data from L-band radiosonde radar and raindrop spectrum from Thies laser raindrop spectrometer in Zhangqiu of Shandong Province, the cloud vertical structure and microphysical properties of the turning precipitation under different weather system conditions were comparatively analyzed. The results are as follows:(1) At the beginning of the precipitation, the vertical structure of cloud was manifested as two layers with ‘upper layer cloud-dry layer-lower layer cloud’. Subsequently, the cloud in the vertical direction fully developed into the medium and low clouds with continuous rainfall. At the end of the precipitation, the height of cloud top decreased, and the cloud once again separated into weaker two layers, when the dry layer was deeper, the rainfall completely ended. (2) The distribution of raindrop size for the low trough with cold front precipitation was the narrowest, and that for the Changjiang-Huaihe cyclone precipitation was the widest. (3) The precipitation intensity was positive related with feature parameters of raindrop, but the correlation was different under different weather system conditions. (4) The terminal velocity mainly concentrated in 2-4 m·s-1, which was basically consistent with theoretical value.

rawinsonde data; laser raindrop spectrometer; turning precipitation; vertical structure of cloud; raindrop size distribution

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0678

2015-10-19；改回日期：2015-12-01

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406033)和山东省气象局课题(2015SDQN17、2012sdqxz07、2012sdqx12)共同资助

周黎明(1982- )，女，硕士，主要从事云物理和人工影响天气研究. E-mail: zlmlove@163.com

1006-7639(2016)-04-0678-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0678

P458.1+21

A

周黎明，王庆，龚佃利，等.2015年春季山东一场转折性降水微物理特征分析[J].干旱气象，2016，34(4)：678-684, [ZHOU Liming, WANG Qing, GONG Dianli, et al. Analysis of Microphysical Characteristics on a Turning Precipitation in Shandong Province in Spring of 2015[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):678-684],