山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

王 俊 王文青 王 洪 张秋晨 龚佃利 杨学斌

1)(山东省人民政府人工影响天气办公室，济南 250031) 2)(山东省德州市气象局，德州 253000)

引 言

雹暴等中小尺度天气系统，尺度小、发展快，经常伴随冰雹、雷暴大风、龙卷和短时强降水等天气现象，易造成严重地面灾害，因此一直是观测和研究的重要对象之一。常规天气雷达和多普勒天气雷达是观测雹暴的重要工具，许多学者对雹暴的回波形态和流场结构进行了概括总结，典型回波特征包括钩状回波、V型缺口、悬垂回波、有界弱回波区、回波墙等[1-6]，典型流场特征是持续时间较长的中气旋等(超级单体)[7-10]。双偏振天气雷达提供差分反射率(ZDR)、比差分相位(KDP)和相关系数(ρhv)等偏振参量，可用来分析雷暴中的水凝物粒子相态、浓度、大小和形状等信息[11-15]，综合多种偏振参量的模糊逻辑算法[16-19]可将雷达观测结果识别为小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、湿雪、冰晶和霰10类粒子，随着冰雹等固态粒子下降可清楚显示干冰雹融化成大雨滴或外包水膜冰雹的演变过程[20-22]，这为研究雹暴等中尺度对流系统的云物理过程、分析不同相态粒子的形成和演变提供基础。

激光雨滴谱仪是观测地面雨滴、小冰雹和降雪的光学设备[23-25]，高分辨率的观测资料有利于分析雹暴等中小尺度系统地面降水粒子谱的分布特征，可以补充天气雷达在地面附近的观测不足。雷暴等深厚对流常在开始时出现少量大雨滴[26-27]，原因是风切变对粒子的筛选和云底以下蒸发作用。伴随冰雹的超级单体雨滴谱演变特征[28]主要为降水开始阶段存在较多直径大于5 mm的大滴，强降水开始后，直径小于1 mm的水滴数量急剧增加，雨强增大阶段5 min平均谱含有较多直径大于4 mm 的粒子，不满足通常使用的指数或Gamma分布。Friedrich等[29]利用车载雨滴谱仪和双偏振雷达观测3次超级单体降水过程，雨滴谱仪观测到的最大冰雹直径为20 mm，其中2次过程有完整的冰雹谱；霰粒子、冰雹和大雨滴主要出现在靠近上升气流的前向和后向下沉气流等区域，接近上升气流时，大雨滴通常伴随着小雨滴的增多。岳治国等[30]分析了一次冰雹过程的粒子谱，最大冰雹直径为11 mm，伴随冰雹的雨滴谱指数拟合有较高的相关系数，降雹阶段粒子谱多峰特征不明显。六盘山一次非典型冰雹过程也观测到直径为11 mm的冰雹[31]，降雹过程粒子谱用Gamma分布拟合效果更好。

近几年，我国布设了大量降水现象仪(雨滴谱仪)，提高了捕捉雹暴等快速发展的中小尺度降水过程粒子谱分布和演变特征的几率。与传统地面测雹板观测地面冰雹谱[32-33]相比，雨滴谱仪时间分辨率高，可同时观测雨滴和冰雹谱，能更准确地测量冰雹尺寸、下落速度和开始及结束时间，但受取样面积所限仅能观测直径小于30 mm的冰雹。2019年8月16日河北、山东出现一次大范围冰雹天气过程，其中一个雹暴先后经过山东的德州、陵县和临邑观测站，本文以降水现象仪观测的粒子谱资料为主，结合CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品，开展冰粒子谱(包括直径为2～5 mm 的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹)识别研究，分析雹暴不同部位、不同发展阶段地面雨滴谱分布和演变特征，对加深认识雹暴等强对流降水形成和发展的云物理过程，提高短时临近预报水平和人工增雨防雹作业条件监测识别能力[34]都有积极意义。

1 资料和方法

济南CINRAD/SA-D双偏振雷达(36.7°N，116.7°E)2018年12月开始业务运行，粒子相态分类采用模糊逻辑法对水凝物进行相态识别[17]，共识别出小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、湿雪、冰晶和霰10类粒子，该方法已在我国S波段双偏振雷达得到较广泛的业务应用[14-15，19，35-36]。

PARSIVEL降水现象仪是一种激光光学观测设备，测量水凝物粒子(雨、雪、冰雹等)的尺寸和下落落速，降水粒子谱数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量通道，取样间隔为1 min或10 s[23-24]，可根据观测水凝物粒子直径和速度的统计比例确定降水类型，识别雨、雪和冰雹等[37-38]。PARSIVEL降水现象仪安装在德州、陵县和临邑等国家级地面气象观测站，2017年开始运行，取样间隔为1 min。粒子直径测量范围为0～26 mm，由于信噪比低，前两档的数据一般不用[39-41]，因此最小可检测尺寸约为0.25 mm。强风影响、溅落粒子和设备边缘影响是3个主要的观测误差源[38，42]，观测资料的质量控制首先要去掉这些效应产生的虚假粒子。

利用雨滴谱仪观测资料，粒子(雨滴、冰雹)尺度谱可由以下公式计算得到：

(1)

式(1)中，N(Dj)是第j个直径通道Dj至(Dj+ΔDj)之间的粒子数浓度(单位：m-3·mm-1)，nij是第j个直径通道、第i个速度通道的粒子数量，a是PARSIVEL激光雨滴谱仪取样面积，Δt是取样时间，Vi是第j个直径通道、第i个速度通道对应的粒子下落速度，ΔDj是第j个直径通道的宽度。

目前，常用三参数的Gamma函数分布[43]拟合雨滴谱分布，三参数采用阶矩法来计算[44-45]，本文采用二、四、六阶矩计算三参数[46]。

2 天气背景和雷达回波演变

2019年8月16日00:00(北京时，下同)开始在山东北部出现局地冰雹和大风天气。16日08：00 500 hPa东亚低槽控制我国中东部地区，槽线自内蒙古赤峰境内向南延伸经河北、山东西部、河南直达湖北境内(图略)，槽后西北气流强盛。850 hPa切变线位于山东西北部，向西延伸到陕西关中一带。地面呈现西高东低形势，山东位于槽前西南气流、地面冷锋前部暖区内。由16日08：00章丘探空曲线(图略)可以看到，0℃层高度在4 km左右，抬升指数为-0.4℃，K指数达34℃，有利于对流天气的发生。0～6 km垂直风切变达到24 m·s-1，同时中低层风向随高度顺时针旋转，表明中低层有暖平流，上干冷下暖湿的高空配置也有利于雷暴大风的产生。

16日00:29从河北移来的强对流回波开始影响德州，回波向东南方向移动，速度约为65 km·h-1，强回波在山东中部减弱消散。04:03河北辛集附近产生一新的对流回波，04:45对流单体发展成雹暴，回波强度超过60 dBZ，05:20雹暴最大强度超过65 dBZ，回波顶高为14 km。05:40对流回波略减弱，但最大强度仍然超过60 dBZ并开始影响德州地区。从0.5°仰角PPI观测看，05:40有一最大强度超过45 dBZ的小回波经过德州降水现象仪观测点(图略)，05:47雹暴前沿靠近观测点(图1)，雹暴中部前沿识别出冰雹(图1中蓝色三角形)。05:55 雹暴穿过观测点(图1)，在观测点附近利用双偏振雷达观测资料识别的粒子主要是大雨、冰雹和湿雪(图略)，德州观测点距离雷达站约为90 km，0.5° 仰角PPI距离地面约为1.5 km，推断地面以降雨为主。

雹暴向陵县移动过程中稍有增强，06:14强度大于60 dBZ 的回波位于观测点上空(图1)，双偏振雷达识别的粒子主要是大雨(图略)，但观测点西侧有较大范围的冰雹，06:21雹暴边缘穿过陵县观测点(图1)。陵县观测点距离雷达站约为69 km，0.5°仰角PPI距离地面约为1.0 km，由于是雹暴的边缘经过观测点，推断地面也以降雨为主。雹暴向临邑移动过程中继续发展，06:28出现中气旋并持续近30 min，雹暴发展成超级单体。06:49强度大于60 dBZ 的回波位于临邑观测点上空(图1)，双偏振雷达在0.5°仰角PPI识别的粒子为冰雹和大雨(图略)。由垂直剖面可见，5 km以下强回波明显前倾，强度大于60 dBZ的回波悬垂于0℃层以上，且伸展到9.0 km高度(-26℃)。临邑观测点距离雷达站约为55 km，0.5°仰角PPI距离地面约为0.81 km，推断地面可能短时出现冰雹。

图1 2019年8月16日济南双偏振雷达0.5°仰角PPI反射率因子及沿06：49图中AB的剖面

从观测点相对于雹暴的位置看，德州和陵县位于雹暴的左侧，附近有冰雹存在，雹暴穿过观测点时以降水为主，有可能伴随冰雹粒子。临邑观测点位于雹暴中部偏右，0.5°仰角PPI距离地面高度最低，判断地面出现冰雹的可能性最大。

3 雨、雹、霰粒子的识别

雨、雹、霰粒子识别的依据是不同类型粒子下落速度-直径之间的实验关系(简称落速-直径关系)，由于环境条件等因素的影响，雨滴谱仪观测的同一尺寸粒子的下落速度有很大的变化范围，需要去掉偏离粒子落速-直径关系一定阈值范围外的粒子。Jaffrain等[47]比较了15个月的自动气象站和PARSIVEL雨滴谱仪观测资料，使用Beard[48]的落速-直径关系，发现排除偏离落速-直径关系±60%的粒子后，自动气象站和PARSIVEL雨滴谱仪总雨量一致性强，仅存在3.5%的差异。Tokay等[49]去掉偏离落速-直径关系±50%的粒子，消除了20%的雨滴。Friedrich等[42]采用Atlas等[50]的雨滴落速-直径关系识别雨粒子，但速度下限采用实验下落速度的40%为低阈值。本文雨滴谱的识别采用±60%的阈值。

冰雹和霰粒子的识别采用Friedrich等[29]的方法，霰粒子直径范围为2～5 mm，包括块状、锥形和六角形，不同形状霰粒子的粒子落速-直径关系[51]不同，对于霰粒子的速度下限，选取3类霰粒子落速-直径关系在每一个直径档中最小下落速度的60%为低阈值。霰粒子的速度上限，取值为3类霰粒子落速-直径关系在每一个直径档中的最大下落速度。冰雹直径大于5 mm，分为高密度和低密度冰雹两类，低密度冰雹有两种落速-直径关系[52]。冰雹粒子的速度下限，与霰粒子类似，选取每一个直径档中最小下落速度的60%为低阈值。高阈值略复杂，粒子直径为5～8 mm时，大雨滴和小冰雹有重合部分，冰雹的速度上限采用雨滴落速-直径关系和冰雹落速-直径关系的平均值作为高阈值。直径为8～16 mm冰雹的速度上限采用雨滴最大下落速度的1.6倍为阈值，直径为16～25 mm 冰雹的速度上限是雨滴谱仪的最大测量速度。

采用上述雨滴、霰粒子和冰雹识别方法对2019年8月16日雹暴经过德州、陵县和临邑时的观测资料进行识别，德州观测点冰雹出现总计4 min，共识别出5个冰雹和1个霰粒子，其中1个冰雹出现在雹暴前面的小单体中，另外5个冰粒子出现在雹暴的雨强增大阶段。05:56出现的2个冰雹直径分别为8.5 mm和9.5 mm(图2)，05:57是1个霰粒子(图略)，05:58是2个直径5～8 mm的冰雹，粒子落速较小(图2)，与雨滴明显分离。由于冰粒子少，本文仅分析该观测点总的冰雹谱(图3)，冰粒子数密度很低，最大小于3.0 m-3·mm-1，谱分布也不连续。

陵县观测点冰雹出现总计9 min，共识别出21个冰雹和8个霰粒子。06:19识别出8个冰雹(图2)，由雨、雹粒子分布可见，8个冰雹是直径为5～8 mm的小冰雹，直径大于5 mm的粒子有一个小的分布中心，它偏离雨滴落速且落速较小，粒子识别结果将其分为冰雹和雨滴，由于缺乏精确的人工观测，难以判断识别结果的准确性。06:20识别出5个冰粒子(图2)，2个大冰雹的直径分别为8.5 mm和11 mm，2个小冰雹与雨滴紧密靠近，1个霰粒子与雨滴明显分离。该观测点总的冰雹谱(图3)与德州观测点相比，冰粒子数密度明显增大，最大约为40.0 m-3·mm-1；霰粒子和冰雹粒子之间粒子分布不连续，小冰雹有较大的粒子数密度。

临邑观测点只有3 min识别出冰粒子，共识别出13个冰雹和4个霰粒子，均出现在雨强增大阶段。其中06:49有8个大冰雹和1个霰粒子(图2)，冰雹的分布与雨滴分布是连续的，仅根据粒子直径大于8 mm将其识别成冰雹，但具体是冰雹还是巨大雨滴难以确认。06:50有1个较大、2个小的冰雹以及2个霰粒子，冰雹与雨滴分布明显分离。临邑观测点总的冰雹谱(图3)显示，最大冰雹直径为9.5 mm，冰粒子数密度较大，该观测点的冰粒子谱较为连续，较大冰雹的数密度也较大。本次过程冰粒子浓度低，粒子谱分布也不连续，很难像牛生杰等[33]进一步分析冰雹谱的更多特征。

图2 2019年8月16日德州、陵县和临邑1 min雨滴(黑色线)、霰粒子(蓝色线)和冰雹(红色线)分布

图3 德州、陵县和临邑观测点总的冰雹谱分布

许多直径大于5 mm的大雨滴来源于霰粒子、冰雹的融化等[53-54]，一些大雨滴甚至包含部分未融化的冰芯[54]。所以陵县06:19和临邑06:49中识别出的冰粒子难以确定是冰粒子、雨滴，或是包含冰芯的大雨滴。特别是包含冰芯的大粒子，一方面人工观测很难从1 min降落的上百、上千个降水粒子中识别出几个这样的大粒子，导致识别结果难以检验；另一方面又需要提高对深厚对流，特别是伴随冰雹降水的粒子特征的认识，除了雨滴和冰雹，也许还存在一定数量雨冰混合的降水粒子。

4 雨滴谱演变特征

4.1 雨滴谱积分参数演变特征

利用雨滴谱资料计算雨强R(单位：mm·h-1)、雨滴浓度NT(单位：m-3)、反射率因子Z(单位：dBZ)、质量加权直径Dm(单位：mm)和Gamma函数三参数即截距参数N0(单位：m-3·mm-1-μ)、形状因子μ(量纲为1)、斜率参数λ(单位：mm-1)，图4是各参数以及冰粒子随时间的演变。2019年8月16日德州05:47雨强为23.2 mm·h-1，这是雹暴前面的小对流单体产生的短时强降水(图4)，只有2 min 的雨强大于10 mm·h-1，最大雨强以及之前的几分钟对应较大的Dm(大于3.0 mm)，雨强减弱时Dm很快减小到2.0 mm以下；反射率因子Z与Dm有相同的变化趋势，最大雨强的最大反射率因子为50.9 dBZ，雨强减弱阶段比雨强增大阶段的反射率因子小；雨滴浓度NT变化趋势相反，最大雨强时雨滴浓度NT为132.7 m-3，雨强减弱时浓度继续增大，极大浓度为284.0 m-3时对应的雨强仅为6.6 mm·h-1。雹暴的最大雨强为99.9 mm·h-1(05:58)，雨强大于10 mm·h-1持续6 min。雨强开始增大的2 min(05:55 和05:56)，Dm大于4.0 mm，而在最大雨强前后的几分钟Dm减小到3.0 mm；反射率因子Z在05:56最大为56.0 dBZ，在最大雨强前后也大于55 dBZ；而雨滴浓度NT在最大雨强时的最大值为2787.4 m-3，雨强减弱阶段有较大值。Gamma函数的三参数μ，λ和N0分布显示(图4)，小单体的三参数数值较大，这可能与低粒子数浓度有关。雹暴雨强增大阶段μ为正值，在最大雨强时为0.1，谱型近似指数分布；雨强减弱阶段μ，λ为大于-0.5的负值，谱型呈不明显的上凹，也是近似指数分布。雨强大于10 mm·h-1时，λ和N0变化不大，λ值为1.2～1.3，lgN0值为3.0～3.5。

陵县最大雨强为114.2 mm·h-1(图4)，06:19—06:21 3 min的雨强均大于100 mm·h-1，大于10 mm·h-1的强降水持续12 min。Dm在06:13 雨强开始增大时最大为4.0 mm，在最大雨强时减小到3.0 mm，06:20—06:25雨强逐渐减弱时Dm也逐渐减小；反射率因子Z与Dm有相同的变化趋势，最大雨强的最大反射率因子为57.0 dBZ，雨强减弱阶段比雨强增大阶段反射率因子小；雨滴浓度NT随着雨强增大而逐渐增大，在最大雨强之后最大值为8142.8 m-3，雨强减弱阶段有较多的雨滴。Gamma函数形状因子μ(图4)随着雨强增大很快从正值减小为负值，在最大雨强之后1 min 存在最小值，强降水(大于50 mm·h-1)持续阶段一直为负值，随着雨强减小很快转为正值。斜率参数λ值逐渐减小，最大雨强之后强降水持续阶段为1.2～1.4，变化较小。N0与μ，λ在雨强增大和减弱阶段的变化趋势不同，强降水阶段lgN0变化不大。

临邑观测点最大雨强为85.5 mm·h-1(图4)，大于10 mm·h-1的强降水仅持续4 min。Dm06:45—06:49大于5.0 mm，雨强减弱时很快减小到约2.0 mm，反射率因子Z在最大雨强之前达到最大值58.3 dBZ，雨滴浓度则在最大雨强之后达到最大值969.8 m-3。Gamma函数形状因子μ(图4)均为正值，在最大雨强时为最小值。N0，λ在雨强增大阶段变化大，而在雨强减弱阶段与μ有相同变化趋势。

图4 2019年8月16日德州、陵县和临邑观测点雨滴谱参数演变

由3个观测点的对比可知，陵县强降水持续时间最长，雨强最大，临邑强降水持续时间最短，最大雨强值最小。陵县雨滴浓度大，最大浓度近10倍于临邑的雨滴浓度。但临邑的Dm和Z都有最大值，特别是最大反射率因子为58.3 dBZ，大于德州(56.0 dBZ)和陵县(57.0 dBZ)，而对应的雨强为75.6 mm·h-1，比陵县(114.2 mm·h-1)小得多，但比德州(59.7 mm·h-1)大，综合看临邑降水包含有更多的大雨滴。另外，虽然各观测点都只有很少的冰粒子，但对一些参量、特别是反射率因子的计算有很大影响，德州、陵县和临邑雨滴谱计算的最大反射率因子分别为56.0，57.0 dBZ和58.3 dBZ，将冰粒子按照雨滴计算后最大反射率因子分别为58.0，59.5 dBZ和61.9 dBZ，数值明显增大且更接近雷达观测结果。

4.2 雨滴谱特征

为了更好地理解雨滴谱积分参数演变规律，本节详细分析1 min的雨滴谱和不同阶段的平均雨滴谱分布特征。德州小对流单体的雨滴谱粒子数密度较低(图5)，小于200 m-3·mm-1，存在少量直径大于5 mm的大雨滴。雹暴初始阶段(05:55，05:56)的雨滴谱粒子数密度也较低(图5)。Hu等[55]模拟表明：蒸发作用主要减少小雨滴，使小粒子端的峰趋于消失。雹暴降水前期，受上升气流和风切变的动力作用[56]，大量小雨滴蒸发、吹散；另外蒸发作用明显，因此出现少量大雨滴[26-27]，本文将这类(05:57以前的雨滴谱)雨滴谱归为典型的蒸发谱。随着雨强增大，粒子数密度逐渐增大，大雨滴的数密度增大明显，谱宽也增大到8.0 mm。05:58最大雨强时，直径小于2.0 mm的小粒子数密度明显增大，峰值直径为0.687 mm，粒子数密度为1682.2 m-3·mm-1，但直径大于2.0 mm的粒子数密度与05:57相比差别不大。雨强减弱阶段，小粒子数密度较高，大粒子数密度减少较快，如06:00和05:56的雨滴谱相比，小粒子的峰值浓度分别为1088.6 m-3·mm-1，119.2 m-3·mm-1，前者明显高于后者，而直径大于3.1 mm以后，前者的数密度开始变小并逐渐低于后者。德州的雨滴谱谱型可以分为3类：第Ⅰ类是低数密度、较大谱宽的蒸发谱；第Ⅱ类(06:00—06:01)的特征是小雨滴较多、直径为2.0～3.0 mm的粒子较少，直径大于1.0 mm的粒子分布曲线上凹，Gamam函数形状因子μ为负值；第Ⅲ类(05:56—05:59)直径大于1.0 mm的粒子分布近似直线，属于指数谱。

雹暴在陵县降水过程的雨滴谱演变(图5)显示，06:13—06:16的雨滴谱为典型蒸发谱，粒子数密度低，缺少小粒子。06:17开始小粒子明显增加，且出现峰值，峰值直径随着雨强增大略有增大。06:19 最大雨强时雨滴谱的峰值直径为0.812 mm，粒子数密度为2901.6 m-3·mm-1，最大谱宽为8.0 mm。06:20雨强稍有减弱，但小粒子数密度显著增大到5942.3 m-3·mm-1，雨滴浓度达到8142.8 m-3。之后随着雨强减小，大粒子数密度明显减小，谱宽变窄，小粒子数密度虽然减小但仍为较大数值，特别是06:24—06:26的谱型(图5)较窄，与蒸发谱明显不同。陵县的雨滴谱谱型可以分为4类，以第Ⅱ类和第Ⅰ类为主，第Ⅲ类较少。另外，还有第Ⅳ类(06:24—06:26)雨滴谱，该类谱包含较多小雨滴、较少的大雨滴，谱窄，形状因子μ为正值。雹暴在临邑降水时间很短，开始的较强降水(06:46—06:48)粒子数密度很低，不超过70 m-3·mm-1，雨滴谱有较多大雨滴，谱宽达到8 mm，但分布不连续。06:49和06:50的雨强很大，但小粒子数密度仍然较低，最大小于400 m-3·mm-1，但有较多的大雨滴，直径5 mm 的大雨滴数密度约为10 m-3·mm-1。降水减弱阶段，小雨滴的数密度显著增加，直径大于4 mm 的大雨滴数密度减少，谱宽变窄。临邑谱型包含以上4类，但出现的时间均较少。

图5 2019年8月16日德州、陵县和临邑降水分钟雨滴谱

图6是雹暴经过3个观测点不同时段的平均雨滴谱，德州平均谱包括05：46—05：49小单体(DZ-1)、雹暴雨强增大(DZ-I)和雨强减弱(DZ-D)各时段的平均谱，小单体和雹暴雨强增大阶段的雨滴谱谱型很相似，只是粒子数密度存在明显差异，Gamma函数拟合结果显示，这两个阶段平均谱的斜率参数λ和形状因子μ很接近，截距参数N0差异较大。雨强减弱时段的平均雨滴谱与雨强增大时段相比，两者直径大于3.0 mm 的雨滴分布很接近，但直径小于3.0 mm 的粒子数密度存在很大差异，雨强减弱时段Gamma函数拟合形状因子μ为负值。

陵县雨滴谱(图6)在雹暴雨强减弱前期LX-D1(06:19—06：23)和减弱后期LX-D2(06：24—06：26)明显不同，因此分两个时段讨论平均谱。雨强增加时段LX-I和减弱前期LX-D1的平均雨滴谱对比显示，LX-D1的粒子数密度大，特别是直径小于2.0 mm的小粒子差别更大，所以雨滴谱明显不同。LX-I平均谱向下凹，Gamma函数形状因子μ大于0，而LX-D1平均谱向上凹(直径大于0.5 mm)，Gamma函数的形状因子μ小于0。LX-D2平均谱的谱宽较窄，小粒子数密度高，Gamma函数的形状因子μ大于0。

临邑雹暴雨强增大(LY-I)和减弱时段(LY-D)雨滴谱(图6)明显不同，雨强增大时段雨滴谱谱宽较大，粒子数密度低，而雨强减弱时段雨滴谱的谱宽较窄，小粒子(直径小于2.0 mm)数密度高，两个时段平均谱的Gamma函数三参数差异较大。

图6 2019年8月16日德州、陵县和临邑不同阶段的平均雨滴谱和Gamma函数拟合

4.3 Z-R关系

图7是雨滴谱计算的雷达反射率因子Z与雨强R大于5 mm·h-1降水的散点图。不同观测点雨强增大和减弱阶段的数据分布明显不同，雨强增大阶段反射率因子较大，数据大部分在拟合线以上，雨强减弱阶段的数据绝大部分在拟合线以下。雨强减弱阶段当雨强小于40 mm·h-1时大部分数据反射率因子较小，位于多普勒天气雷达对流云降水Z-R关系[57]附近，雨强大于40 mm·h-1时的反射率因子较大，位于虚线之上、实线附近；这主要是雨强开始减弱时小粒子数密度明显增大，但仍有较多的大雨滴，谱宽较大，所以反射率因子较大，而降水减弱的后期，大雨滴数密度明显减小，谱宽变窄，反射率因子明显减小。

图7 2019年8月16日德州、陵县和临邑观测点雷达反射率因子Z与雨强R大于5 mm·h-1降水的散点图

本次过程的Z-R关系与多普勒雷达对流云降水Z-R关系明显不同，系数A大而指数b偏小。特别是雨强增大阶段Z-R关系的系数A极大而指数b小于1.0。Rosenfeld等[56]总结以往的研究成果，详细分析了碰并、碰撞和破碎、淞附、蒸发、上升气流、下沉气流、尺寸筛选等微物理过程和动力效应对雨滴谱分布特征以及Z-R关系的影响，蒸发和上升气流的作用使小雨滴的数量比大雨滴减少的更多，导致A增大、b减少。所以本次过程的A较大、b偏小，而雨强增大阶段的雨滴谱受蒸发影响大，是典型的蒸发谱，因此有极大的系数A和极小的指数b。另外，Hu等[55]模拟显示，碰并、碰撞-破碎达到平衡时可以形成平衡雨滴谱，与平衡雨滴谱对应的Z-R关系具有近似1的指数和很大的系数[58-59]。本次过程雨强增大阶段的雨滴谱谱型类似，图6中德州降水过程DZ-1和DZ-I谱，这应该是蒸发、上升气流等物理过程达到一定平衡状态的雨滴谱，所以Z-R关系与平衡雨滴谱的关系类似。

5 结果与讨论

利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品，分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱(霰粒子和冰雹粒子)的识别以及雨滴谱演变特征，得到以下主要结论：

1)本次雹暴尺度小，移动速度快，后期发展为超级单体，具有中气旋和悬垂回波等特征。雹暴经过德州和陵县属于普通雹暴，双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在观测点附近识别的粒子主要为雨滴；雹暴经过临邑时为超级单体，0.5°仰角PPI上在观测点附近识别的粒子主要为冰雹和大雨。

2)雹暴经过3个观测点时，降水现象仪资料均识别出少量冰粒子，德州3 min识别出5个冰粒子，2个大冰雹(直径大于8 mm)、2个小冰雹(直径在5～8 mm)和1个霰粒子(直径2～5 mm)，它们与雨滴分离，容易识别；陵县9 min出现29个冰粒子，其中大冰雹2个、小冰雹19个和8个霰粒子，小冰雹与雨滴紧密联系，仅仅根据下落速度的差异识别成冰雹，准确性需要进一步验证；临邑3 min识别出17个冰粒子，其中10个大冰雹、3个小冰雹和4个霰粒子，大冰雹和雨滴是连续分布的。

3)本次过程利用雨滴谱观测资料给出的Z-R关系为Z=1523R1.21，与多普勒雷达对流云降水Z-R关系相比系数较大而指数偏小。原因是地面降水持续时间短，低层蒸发和风的筛选对雨滴谱特征影响大，德州和临邑雨滴谱有较少小粒子和较多大粒子，陵县有较多小粒子但同时有较多大粒子，导致Z-R关系具有系数大、指数小的特征。

4)雹暴中不同位置、不同发展阶段雨滴谱的分布明显不同，雹暴前侧雨强增大阶段，雨滴谱特征为较多大雨滴和较少小雨滴数密度，因此雨滴浓度低、雷达反射率因子高；雹暴后侧雨强减弱阶段，直径小于3.0 mm的小雨滴数密度大，大雨滴数密度偏少，因此雨滴浓度显著增大，但雷达反射率因子降低。临邑处于雹暴的右侧靠近主上升气流区，所以有较少小雨滴，总雨滴浓度低，但Dm和反射率因子Z大。德州和陵县处于雹暴的左侧靠近下沉气流区，所以观测到更多小雨滴，因此总的雨滴浓度高，但Dm和反射率因子Z偏小。

目前，双偏振雷达可以识别空中和近地面(0.5°仰角)不同相态的粒子，降水现象仪可识别地面不同类型的降水粒子谱，人工观测则可识别地面冰雹粒子。如何发挥不同观测资料的优势、相互配合得到较为准确的地面不同相态降水粒子谱，需要更多的观测个例分析。