利用微雨雷达研究伊宁地区一次大雨过程的雨滴谱垂直演变特征

仝泽鹏，杨莲梅，曾 勇，李建刚，刘 凡

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002； 2.中亚大气研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

雨滴谱是雨滴数浓度随雨滴尺度变化的函数[1-2]，是表征降水微物理特征的重要参数，在数值天气预报模型的微物理参数设置以及遥感技术(雷达或卫星)定量估测降水等方面有至关重要的作用[3-4]。然而，雨滴在下落过程中会受到凝结、蒸发、碰并、凝聚、破碎以及上升气流和下沉气流、水平风、地形、气溶胶效应等影响，导致雨滴谱分布在垂直高度上存在一定差异[5]，因此研究不同气候区特殊地形下近地面雨滴谱在垂直高度上的变化具有重要意义。

为探究不同海拔高度对雨滴谱的影响，在不同海拔梯度的山坡布设地面雨滴谱仪[6-7]，然而这种观测手段对观测区域选址极为苛刻，不便自定义高度间隔，且仅能获得几个固定高度的雨滴谱数据。此外，机载雨滴谱仪也可以获取空中雨滴谱数据[8-9]，但飞行时长决定观测时间，且还会受到降水强度对飞机起飞条件的影响。德国METEK公司生产的微雨雷达(miro rain radar, MRR)可以通过探测下落雨滴的多普勒频移来反演垂直方向上雨滴谱分布，MRR是一种采用连续调频技术的雷达，与脉冲式雷达相比，连续波雷达具有更强的灵敏度和更高的时空分辨率。由于MRR具有便于安装、耗能低等优势，近年来广泛用于降水类型识别、雨滴谱及微物理量的垂直分布及演变等方面的研究[10-18]。WEN等[14]利用南京MRR和二维视频雨滴谱仪观测数据，识别并对比分析层云、对流云和浅层云3类降水的雨滴谱垂直分布特征，发现南京地区夏季层云降水的发生频率最高，对流云降水对降水量的贡献最大，而浅层云降水不存在冰相过程，导致雨滴平均直径偏低。因对流性降水产生的风阻效应导致分裂出更多的多普勒频谱，致使MRR对实际雨滴尺寸检索出错，因此MRR对层状云降水数据反演质量更好[19-20]。我国关于微雨雷达的研究多集中在东部沿海地区，这些地区水汽来源充足，降水丰富，对流性降水时有发生，而西北干旱半干旱区降水较少，但在全球变暖背景下极端降水事件明显增多，给当地社会经济造成巨大损失，因此有必要了解干旱半干旱区降水过程雨滴谱的垂直分布及演变特征，对提高天气雷达定量估测降水精度有重要意义。天山西部的伊犁河谷，因特殊的开口向西的“喇叭谷”地形[21]，受大西洋水汽影响，河谷降水充沛，年均降水量为400～800 mm。为此，本文针对伊犁河谷伊宁地区2019年9月30日一次降水过程的MRR、OTT-PARSIVEL雨滴谱仪和地面雨量筒观测数据，对比检验MRR数据的可靠性，并基于MRR资料分析降水过程各微物理量的垂直分布特征，以及不同雨强阶段不同尺度雨滴对数浓度和雨强在垂直方向上的贡献，以期进一步认识中亚干旱半干旱区降水微物理特征，从而为数值模式的云降水物理参数化方案提供一些观测基础。

1 资料及处理

1.1 观测仪器与数据

研究个例为2019年9月30日04:30—12:30(北京时，下同)伊宁地区的一次降水过程。使用了MRR、OTT-PARSIVEL雨滴谱仪以及翻斗式雨量筒(RG)的观测资料，3种仪器均布设在伊宁站，相互间隔不超过25 m。MRR垂直方向共31个高度梯度，试验选取的高度分辨率为35 m，最高观测高度为1085 m，时间分辨率为1 min，可以测量的液滴尺寸为0.2～6 mm，通过获取的多普勒功率谱，并利用降水粒子下落速度与直径的经验公式[22-23]，反演不同高度的雨强Ri(mm·h-1)、液态水含量LWC(g·m-3)、雷达反射率因子Z(dBZ)和粒子下降速度W(m·s-1)，MRR主要参数如表1所示。OTT-PARSIVE雨滴谱仪基于激光系统测量降水粒子的尺度和速度[24]，试验选取的时间分辨率为1 min，可测量的液滴尺寸为0.2～8 mm，通过降水粒子对激光遮挡计算粒子直径与下落速度，以及反演雨强和雷达反射率因子等参数。

1.2 降水概况及环流形势

新疆干旱半干旱气候背景特殊，降水量级标准与中国大部地区有所不同。新疆降水量级业务标准[25-26]：12.0≤R(日降水量)<24.0 mm为大雨，R≥24.0 mm为暴雨，结合表2降水概况，此次降水为一次大雨过程。

表1 MRR主要参数Tab.1 Main parameters of MRR

表2 2019年9月30日伊宁地区降水过程参数统计Tab.2 Statistics of parameters during the rainfall process on 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

2019年9月28日08:00，500 hPa高度场(图略)上，欧亚中高纬地区为“两脊一槽”的环流形势，欧洲和贝加尔湖为高压脊区，西西伯利亚为低槽活动区。随着欧洲脊发展，脊前北风带建立，并引导冷空气南下，西西伯利亚低槽向南加深，与中纬度短波槽叠加，槽底伸至40°N附近；29日夜间，受极地不稳定小槽入侵，欧洲脊向东南方向衰退，并推动西西伯利亚低槽、强锋区东移南下，降水临近前30日02:00(图1)，伊宁地区逐渐受东移低槽前部西南气流影响，随后04:30开始出现降雨过程。

图1 2019年9月30日02:00 500 hPa 位势高度场(蓝色实线，单位：dagpm) 和风场(风矢杆，单位：m·s-1)分布 (黑点代表伊宁站，彩色阴影代表急流)Fig.1 The distribution of 500 hPa geopotential height field (blue solid lines, Unit: dagpm) and wind field (wind shafts, Unit: m·s-1) at 02:00 BST 30 September 2019 (the black dot for the location of Yining station, and the color shadows for 500 hPa jet stream)

2 结果与分析

2.1 3种仪器观测结果对比

将MRR近地面35、70、105 m高度层的小时雨量与OTT-PARSIVEL雨滴谱仪、RG的观测值进行比对，发现3种仪器对此次大雨过程的雨量观测结果具有较好的一致性，但在部分时段表现略有差异(图2)。雨滴谱仪04:30—05:30的降水量高于雨量筒，其他时段均低于雨量筒，这与雨量筒本身对弱降水探测性能不敏感有关[27]。从MRR的观测结果来看，08:30—11:30时段3个高度层的小时雨量均明显增大，但数值存在一定差异，这是因为MRR是以假定大气垂直速度为零的环境条件来反演降水微物理量的[28]，当降水强度增大时实际大气的下沉风会增大雨滴的下落速度，导致MRR高估雨滴大小及散射截面，从而影响降水过程中各微物理量反演的准确性。MRR的70、105 m高度降水量相近，整体高于其他仪器，而35 m高度的降水量明显低于其他2个高度层，在降雨初期04:30—05:30时段甚至低于雨量筒的观测值，造成这一现象的原因可能是MRR在35 m高度的探测结果受近地面影响较大[14]。

图2 2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区 OTT-PARSIVEL雨滴谱仪、雨量筒和微雨 雷达不同高度的小时雨量变化Fig.2 The evolutions of hourly precipitation of MRR at different heights, OTT-PARSIVEL and RG from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

为进一步验证微雨雷达数据的可靠性，对降水期间MRR的3个高度层雨强与OTT-PARSIVEL雨滴谱仪的雨强进行线性拟合(图3)。整体来看，MRR各高度层的雨强均高于OTT-PARSIVEL雨滴谱仪，尤其是70、105 m高度层。从敛散程度来看，当雨强低于3 mm·h-1时，MRR各高度层雨强与雨滴谱仪雨强的散点更加收敛，而当雨强高于5 mm·h-1时，2种仪器的雨强值更加离散。从线性拟合来看，MRR各高度雨强与雨滴谱仪反演值均具有较好的相关性，决定系数分别为0.9233、0.9289和0.9186。

图3 2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区微雨雷达35 m(a)、70 m(b)和105 m(c) 高度层的雨强与OTT-PARSIVEL雨滴谱仪的雨强散点分布及线性拟合Fig.3 Scatters distribution and linear fitting of retrieved rainfall intensity between MRR at 35 m (a), 70 m (b), 105 m (c) height layers and OTT-PARSIVEL from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

2.2 降水过程期间微物理量的时空演变

图4是2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区MRR的雷达反射率因子Z、液态水含量LWC、雨强Ri、雨滴下落速度W的时间-高度剖面以及地面OTT-PARSIVEL雨滴谱仪雨强随时间的变化。根据地面OTT-PARSIVEL雨滴谱仪的雨强，将降水划分为低、中、高3个雨强阶段，分别对应Ri≤2 mm·h-1、24 mm·h-1。

图4 2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区MRR雷达反射率因子(a，单位：dBZ)、 液态水含量(b，单位：g·m-3)、雨强(c，单位：mm·h-1)、雨滴下落速度 (d，单位：m·s-1)的时间-高度剖面，以及地面雨滴谱仪的雨强逐分钟演变(e，灰色区域为中雨强区)Fig.4 Time-height sections of radar reflectivity factor (a, Unit: dBZ), liquid water content (b, Unit: g·m-3), rainfall intensity (c, Unit: mm·h-1) and raindrop falling speed (d, Unit: m·s-1) of MRR, and the minutely evolution of ground rain intensity of OTT-PARSIVEL (e, the gray area for moderate rain intensity) from 04:30 BST and 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

低雨强阶段分别出现于降水初期的04:30—06:31、中期的07:43—08:20、08:37—08:49和末期的11:41—12:30。降水初期Z、LWC、Ri平均为21.73 dBZ、0.07 g·m-3、0.99 mm·h-1，变化范围为19.40～21.85 dBZ、0.07～0.08 g·m-3、0.93～1.07 mm·h-1，且3个物理量均随高度降低而减小，表明在湿度较低的环境下雨滴在下落过程中不断蒸发，越靠近地面蒸发作用越明显；降水末期Z、LWC、Ri值较初期略低，平均值分别为20.51 dBZ、0.06 g·m-3、0.96 mm·h-1，变化范围分别为19.38～21.51 dBZ、0.06～0.07 g·m-3、0.61～1.01 mm·h-1，随着此前强降水降落，雨区上空缺乏持续的水汽和动力供应，Ri随高度降低减小，加之受蒸发影响较小，LWC和Z在垂直方向上没有明显变化；降水中期Z、LWC、Ri值明显高于其他2个时期，平均值分别为24.92 dBZ、0.11 g·m-3、1.54 mm·h-1，该时期虽降水较弱，但环境湿度较大、蒸发较小，Z、LWC、Ri随高度变化很小。需要注意的是，降水初期、末期W都随高度降低而增大，分别在4.38～4.71、4.79～5.33 m·s-1之间变化，但中期W却随高度降低而减小，在5.45～5.83 m·s-1之间变化。

中雨强阶段，对应于06:59—07:30、08:21—08:36、08:50—10:14、11:06—11:37时段，4个时段内Z、LWC、Ri、W均值分别为31.74 dBZ、0.24 g·m-3、4.02 mm·h-1、6.29 m·s-1，Z、LWC、Ri值在70～1050 m高度随高度降低而增大，最大值均出现在70 m高度层，这与雨滴在近地面高度层发生碰并增长有关，而W随高度变化不明显，在6.21～6.39 m·s-1之间波动。

高雨强阶段，对应于06:37—06:40、06:55—06:58、07:11—07:13、10:15—10:22、10:39—10:42、10:53—11:05时段，6个时段Z、LWC、Ri、W的均值分别为35.90 dBZ、0.45 g·m-3、7.67 mm·h-1、7.02 m·s-1，且Z随高度降低而增大，当雨强增大时，雨滴下落过程的碰并作用显著，在10:17、10:57和10:59对应的70、105、140 m高度层Z值均高于40 dBZ；伴随着较强的雷达回波，LWC和Ri波动范围增大，分别为0.32～0.63 g·m-3和5.92～8.79 mm·h-1，且在450 m以下随高度降低而增大，而W随高度变化不大，其值在6.81～7.29 m·s-1之间波动。

综上所述，不同雨强阶段降水微物理量在垂直分布上有所差异。低雨强阶段，降水初期受蒸发影响较大，Z、LWC、Ri都随高度降低而减小；中期，降水较弱但环境湿度较大，Z、LWC、Ri随高度变化不大；末期，由于空中缺乏持续的水汽和动力供应，Ri随高度降低而减小。中雨强阶段，受雨滴碰并增长的影响，Z、LWC、Ri在70～1050 m高度随高度降低而增大，而W随高度变化不大。高雨强阶段，近地面层受雨滴碰并增长作用显著，在70、105、140 m高度层出现40 dBZ以上的较强雷达回波，LWC、Ri随高度降低而增大，而W变化不大。

为进一步探究此次降水过程不同雨强阶段降水微物理量特征的差异，对3个阶段微物理量平均值的垂直分布(图5)进行对比分析。总体来看，不同高度上各微物理量平均值随雨强的增强而增大。从图5(a)和图5(b)看出，中、高雨强阶段Z、Ri在垂直分布上相对于低雨强阶段波动较大，且Z和Ri基本随高度降低而增大，Z值分别由30.88、32.2 dBZ增加到33.38、34.86 dBZ，Ri分别由3.61、4.56 mm·h-1增加到4.93、6.37 mm·h-1；低雨强阶段，在105 m高度以上Z、Ri随高度降低有所增大，分别由20.77 dBZ、1.11 mm·h-1增加到21.95 dBZ、1.31 mm·h-1，而105 m高度以下近地面层受蒸发作用明显，Z和Ri随高度降低略有减小，与中、高雨强阶段的变化特征正相反。此外，低雨强阶段的LWC随高度变化不明显，而中、高雨强阶段的LWC随高度降低有一定的增大，分别从0.22、0.28 g·m-3增加到0.30、0.35 g·m-3[图5(c)]。3个雨强阶段的W都随高度变化不明显[图5(d)]，这与MRR设定的空间分辨率为35 m、最高测量高度为1085 m有关，1085 m一般低于降水云的高度，使得观测的雨滴没有因相态转换而引起W发生变化。

2.3 雨滴对数浓度和雨强的贡献率垂直分布

为揭示MRR探测的不同尺度雨滴在不同雨强阶段其数浓度百分比以及对总雨强的贡献，依照雨滴直径D，将雨滴分为小雨滴(D≤1 mm)、中雨滴(13 mm)。由图6可见，低雨强阶段，小雨滴平均数浓度占总数浓度的96.81%，对雨强的贡献率为36.33%，且其数浓度占比整体均随高度降低而减小，表明小雨滴在低雨强下受近地面蒸发作用明显；中雨滴数浓度仅占总数浓度的3.17%，但对雨强的贡献率达61.95%，且在770 m高度以下随高度降低贡献率逐渐增大；大雨滴数浓度占比极小，对雨强贡献率仅为1.72%，且随高度变化不大。

图5 2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区不同雨强阶段MRR的平均雷达反射率因子(a)、 雨强(b)、液态水含量(c)和雨滴下落速度(d)的垂直分布Fig.5 The vertical distributions of average radar reflectivity factor (a), rain intensity (b), liquid water content (c) and raindrop falling speed (d) of MRR at different stages of rain intensity from 04:30 BST to 12:30 BST on 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

中雨强阶段，小雨滴平均数浓度占总数浓度的94.61%，在805 m高度以下其数浓度占比随高度降低而减小，变化范围为85.58%～98.92%，对雨强的贡献率平均为29.69%，且在105 m高度以上随高度降低逐渐减小；中雨滴数浓度占比在805 m高度以下随高度降低逐渐减小，由13.69%减小到1.13%，对雨强的贡献最大，达66.36%，且在105 m高度以上随高度降低逐渐增大；大雨滴数浓度占比仍最小，对总雨强的贡献率为3.95%，且随高度变化不大。

高雨强阶段，小雨滴平均数浓度占总数浓度的90.88%，整体上其数浓度占比随高度降低而减小，对雨强的贡献率为25.52%，且随高度降低贡献率逐渐增大；中雨滴数浓度占比在近地面层较低，35 m高度层其数浓度占比为17.22%，对雨强贡献最大，贡献率整体随高度降低逐渐增大，平均贡献率达67.32%；大雨滴数浓度在多个高度层均有占比，但均不足1%，对雨强的贡献率平均仅为7.17%，且在525 m高度以下贡献率随高度降低有所增加，其中在35、70 m高度层的贡献率超过10%。

综上所述，在各档降水强度下，小雨滴在各高度层的数浓度占比均最大，高达80%以上，且随高度降低其数浓度占比逐渐减小；中雨滴对总雨强的贡献最大，且随高度降低其贡献率明显增大，而大雨滴的数浓度占比及对总雨强的贡献均最小。

图6 2019年9月30日04:30—12:30伊宁地区MRR探测的不同尺度雨滴在不同降水强度下 数浓度占比(a、b、c)及对雨强的贡献率(d、e、f)Fig.6 The percentages of raindrops number concentration of MRR (a, b, c) with different diameters to total number concentration and contribution rates to rain intensity (d, e, f) under different intensities of rainfall from 04:30 BST to 12:30 BST 30 September 2019 in Yining of Xinjiang

3 结 论

(1)MRR与OTT-PARSIVEL雨滴谱仪和雨量筒的小时雨量具有较好的一致性。当雨强小于3 mm·h-1时，MRR各高度层(35、70、105 m)的雨强与雨滴谱仪的雨强敛散程度更高，拟合程度较好，决定系数分别为0.9233、0.9289、0.9186。

(2)不同雨强阶段，MRR探测的降水微物理量的垂直分布存在差异。低雨强阶段，降水初期环境湿度较低，受蒸发作用影响较大，Z、LWC、Ri随高度降低而减小；降水中期，环境湿度较大，受蒸发作用较小，Z、LWC、Ri随高度变化不大；降水末期，空中水汽和动力供应不足，Ri随高度降低而减小，同时受蒸发影响较小，LWC和Z随高度变化不明显。另外，低雨强阶段，降水初、末期W随高度降低而增大，而降水中期W随高度降低而减小。中、高雨强阶段，雨滴间碰并作用较大，尤其在高雨强阶段，Z、LWC、Ri整体随高度降低而增大，W随高度变化不大。

(3)伊宁地区此次大雨过程主要以小雨滴为主，各雨强阶段小雨滴平均数浓度占比均在90%以上，且基本随高度降低而减小，而中雨滴对雨强的贡献最大，各雨强阶段的贡献率均在60%以上，且贡献率随高度降低而增大；大雨滴数浓度占比及对雨强的贡献均最小，但随着雨强由低到高，其对雨强的贡献率逐渐增大。

本文针对伊宁地区一次大雨过程的微物理量垂直演变特征进行了细致分析，但有些结论仅限于现象描述，如在低雨强条件下，降水初、末期W随高度降低而增大，而降水中期W随高度降低而减小，这一现象还需要结合其他观测仪器(风廓线雷达、微波辐射计、激光云高仪、二维视频雨滴谱仪、探空等)和更多的降雨个例，从天气动力分析的角度加以分析与解释。