河北省不同地区雨滴谱统计特征

耿晓晨 王芳 张功文 杜亮亮

[摘 要] 利用2016～2018年OTT Parsivel激光雨滴谱仪在河北省 4个地区不同降水类型下的气象观测资料进行调查研究，结果表明：对层状云降水、积层混合云降水及积雨云降水三类降水而言，由于降水过程中云系不同，雨滴谱也具有显著差异，山区降水广义截距参数 Nw和质量加权平均直径 Dm均大于平原地区，且山区雨滴谱变率大于平原地区。通过Nw和Dm与R的拟合公式发现在积雨云降水中，Nw比 Dm对雨强的敏感性更强。

[关键词] 降水;雨滴谱;河北

随着科学技术的不断发展，降水对人类的生产、生活产生着越来越重要的影响，而降水的类型随着影响系统及宏观、微观条件有明显不同。为探究不同降水类型的内在机理，进行雨滴谱谱型分析就显得尤为重要。

雨滴谱 DSD （ Rain Drop Size Distribution ）是指在单位体积内雨滴大小的分布。雨滴谱观测是云降水物理学研究的重要内容之一， 通过雨滴谱分布可以计算各种降水物理参量。因此，众多学者对雨滴谱进行了广泛研究Bringi，etal研究表明雨滴谱特征与降水类型、天气系统及地形条件有密切关系。针对雨滴谱数据的处理方法，国内外学者也进行了诸多思考。而Ulbrich则认为使用三种参数的Gamma型分布更能描述实际的雨滴谱分布，且其不仅能反映层状云雨滴谱分布， 更是积雨云和积层混合云雨滴谱较为理想的表达式。且在，降水过程中，不同降水类型及地形条件下的雨滴谱谱型具有显著不同，因此开展河北省不同纬度及海拔高度的雨滴谱谱型研究就显得至关重要。

河北省目前在全省部署了多部OTT Parsivel激光雨滴谱仪，且在历次降水过程中得到了较为完整的观测资料，为我们对河北省南北部不同地区雨滴谱谱型的分析奠定了基础。

一、仪器及观测概况

Parsivel激光雨滴谱仪通过采用平行激光束发射和接收进行探测，是由发射机、运算、控制、存储等电路部分和接收机组成。当有降水粒子（无论固态还是液态甚至沙尘）穿越采样空间时，自动记录遮挡物的宽度和穿越时间，从而计算降水粒子的尺度和速度。仪器测量的数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量通道，其中粒子尺度测量通道对应的数据范围为0.2～25mm，粒子速度测量通道对应的数据范围为0.2～20m/s。因此，每个样本的粒子谱数据都有1024个。

二、资料与方法

（一）GammaDSD的计算方法

据观测基于雨滴谱数据观测进行，经研究表明前两档（0.062mm和0.187mm）由于信噪比过低而不能使用，因此观测到粒子的最小尺度由第三档开始。并且对观测数据中出现尺度大于6mm的雨滴进行剔除，因为在自然降雨中这样的大雨滴十分少见，认为其在下落过程中已经破碎。由此，雨滴直径的有效观测范围是2～6mm。雷达产品来自河北省内新一代多普勒雷达。根据实际观测记录的降水过程三类降水云，即层状云（S）、积雨云（C）和積层混合云（T），由于观测中对雨滴进行了球形近似，而实际雨滴在下落过程中可能发生形变，因此首先需要对观测数据进行订正处理。采用Battaglia，etal方法，对雨滴进行形变修正。经研究表明，Gamma分布较M-P分布更加符合雨滴谱分布特征，这里采用阶矩法对Gamma分布参数进行拟合。目前阶矩法估计谱分布参数被广泛应用于雨滴谱的研究，利用这一方法，质量加权平均直径Dm（mm）可表示为：

广义截距参数Nw（mm-1·m-3）表示为：

其中（1.0g·cm-3）为水的密度，W为雨水含量;式中标准化参数Nw（单位：m-3.mm-1）的作用与Gamma参数N0类似同为控制雨滴个数的参数，此参数代表粒子浓度。从（2）式中可以看出参数Nw主要受到液态水含量W及质量加权平均直径Dm的影响。如此一来，GammaDSD可以由Dm及Nw来描述。

（二）观测情况

选取河北省位于邯郸武安、邯郸市区、张家口康保、廊坊的4个地区雨滴谱仪为观测对象，这4个观测站点从北到南分布不同，其中武安、康保海拔较高为山区地形，廊坊、邯郸为平原。为保证实验准确性将雨强小于0.1mm.h和雨滴数不足10个的实验数据进行剔除。共得到8万余个1min的有效样本。

依据雷达回波特征及雨强情况可将降水过程分为三种即层状云降水，积雨云降水，积层混合云降水。经统计发现2016～2018年武安、邯郸、康保、廊坊各点进行统计结果如下：

给出了上述4个观测点平均log10Nw（a）与 Dm（b）而给出了上述四个地区在三种不同降水类型下的log10Nw与Dm的平均值和标准差，我们可以看出对流性降水雨滴数浓度和质量加权平均直径最大，积层混合云降水的雨滴数浓度和质量加权平均直径次之，层状云降水的上述两参数最小。并且对同一种降水而言，Nw与 Dm也存在一定差异，山区 Dm与平原相差不大，但Nw大于平原。说明地形对雨滴谱数浓度的影响较大，但对直径的影响较小。且在积雨云降水过程中，山区与平原降水数浓度的差异大于层状云降水，也说明了地形对积雨云降水的影响最大。此外山区的两参数的标准差比平原大，说明在山区及平原雨滴谱都存在一定变率，且这种变率在山区大于平原。

（三）Nw、Dm与R的关系

为了进一步研究雨滴数浓度和特征直径与降水强度的关系，我们对山区及平原在积雨云降水及层状云降水2种不同降水类型下进行拟合，为拟合出的结果，观察各式我们发现拟合得到的幂指数关系均为正，说明在雨强较大时，Nw和 Dm值均较高，且通过观察拟合公式可以发现，在Nw -R的拟合公式中，积雨云降水的系数和指数均最大，层状云降水系数较小，而Dm -R公式中的系数与指数并无明显差别，因此在积雨云降水中，Nw比 Dm对雨强的敏感性更强，这一点在雨强较大时更为明显。因此，在雨强较大时，雨强的增加主要导致 Nw的增大，这主要是因为在雨强较大时，雨滴在下落过程中由于凝结破碎机制的存在已经达到平衡态。

三、结论

本文选取河北省不同地区、不同地形条件下的雨滴谱观测资料，分为3种降水类型进行统计研究，得出主要结论为：

1.对流性降水雨滴数浓度和质量加权平均直径最大，积层混合云降水次之，层状性降水最小。

2.同一种降水而言山区 Dm与平原相差不大，但Nw大于平原。说明地形对雨滴谱数浓度的影响较大，对直径的影响较小。

3.在积雨云降水过程中，山区与平原降水数浓度的差异大于层状云降水，说明了地形对积雨云降水的影响最大。

4.在山区及平原雨滴谱都存在一定变率，且这种变率在山区大于平原。

5.Nw和 Dm与R拟合得到的幂指数、关系指数、系数均为正，说明在雨强较大时， Nw和 Dm值均较高。

6.在积雨云降水中，Nw比 Dm对雨强的敏感性更强，这一点在雨强较大时更为明显，因此在雨强较大时，雨强的增加主要导致 Nw的增大。

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[作者单位]

河北省邯郸市气象局

（编辑：赵文静）