激光雨滴谱仪及其在淮河流域降水分析中的应用

◎文/李侠丽 潘先洁 黄国贵 姚祎

（安徽省寿县气象局 淮南市气象局）

雨滴谱是单位体积中雨滴的个数的分布情况，主要研究云和降水的微物理结构特征[1]。雨滴谱中含有丰富的微物理降水特质，在雷达定量估测降水、成雨机制及反射率因子（Z）和雨强（I）的关系等方面有着普遍的应用[2]。因此，利用雨滴谱的测量方法来研究降水的微物理结构特征，有着十分重要的意义。

上世纪60年代初，我国气象学家顾震潮等人进行了云降水的观测和研究，但由于观测条件以及技术水平限制，未进行雨滴谱的连续测量[2]。云降水雨滴谱的连续观测始于20世纪80年代，通过大量学者的观测研究，得出可供雷达定量估测降水时参考和应用的Z-I关系等[2]。胡亚敏等[3]通过对河南省临颖、孟津两站的层状云降水天气进行地面雨滴谱观测，发现河南层状云降水的雨滴平均直径为0.1mm，大雨滴对雨强的贡献率较大。张云峰[2]研究哈尔滨雨滴谱特征，发现层状云、积雨云和积层混合云降水的谱宽存在差异，积层混合云的降水谱宽较宽。

本文从传统雨滴谱的观测方法出发，并利用激光雨滴谱仪来分析雨滴谱的观测技术的发展，分析激光雨滴谱仪在淮河流域降水分析中的应用。

一、雨滴谱的测量方法

初期雨滴谱的测量方法有动力学法、面粉球法、滤纸色斑法、浸润法和快速摄影法[4]。动力学法是根据雨滴下落引发的动能来测量雨滴的大小，这种方法测量较大谱宽的雨滴结果误差较大；滤纸色斑法通过雨滴落在滤纸上形成的圆形色斑大小反推出雨滴直径；面粉球法是在一个广口容器内装上面粉，雨滴在接触到面粉后会迅速形成一个小球，通过烘干称重测量出雨滴的直径和重量；快速摄影法利用摄像机拍摄降落的雨滴后把照片放在显微镜下观测雨滴大小；浸润法是将雨水接到盛有油料的容器内，雨水会在油料中形成水珠，通过测量计算出雨滴的粒径。几种方法的优缺点见表1[4]，从中可见，初期雨滴谱的测量方法操作繁琐、工作量大、测量精度低、成本高，无法自动完成测量分类，并非理想的测量方法。

二、新型测量技术

上世纪90年代后，随着技术的进步，光、声、雷达、遥感等技术应用到雨滴谱的观测方法中[5]，光阵雨滴谱仪、声雨滴谱仪、激光雨滴谱仪等新设备的应用克服了早期方法的缺点，实现了雨滴谱自动化连续观测。

光阵雨滴谱仪[6]是利用光阵排列的方法，对降水全谱观测获取雨滴谱资料。樊玲[7]等人使用光阵雨滴谱仪分析积雨云降水的微结构特征，研究发现积雨云的降水强度大于层状云，1～3mm的雨滴对雨强的贡献率超过了60%。声雨滴谱仪依据雨滴碰击传感器所引起的冲击力而产生的振动，实现对雨滴的测量[1]。刘红燕和雷恒池[8]利用声雨滴谱仪分析了北京地区层状云和对流云降水的特征。但这两种雨滴谱仪只能测量降水粒径和雨滴个数，不能测量粒子的下落速度。

目前在雨滴谱测量中应用较为广泛的Parsivel激光雨滴谱仪是以激光技术为基础的测量仪器[4]，可同时测量降雨中的液态以及固态粒子的粒径和降落速度[9]。它采用平行激光束和光电管组合模式，当雨滴穿过激光雨滴谱仪的采样空间时，仪器会自动记录下雨滴所遮挡的宽度，并通过雨滴穿越时间来计算雨滴的粒径和速度；可用数字显示降水强度、液态含水量、降水粒子总数、降水粒径、累积降水量及雷达反射因子[2]。它能够提供高时间分辨率的降水粒子谱数据，且数据可信度较高。对于冻雨、雨、雪、冰雹等降水类型识别准确率大于97%。

表1 几种雨滴谱测量方法的优缺点

三、激光雨滴谱仪在降水分析中的应用

激光雨滴谱仪主要应用于降水估测，主要包括以下几个方面：

1.不同云系降水的雨滴谱特点。降水云系最常见的划分方法为对流云、层状云和层积混合云，通过对不同降水云系的研究，可以提高降水观测精度。雨滴谱谱型是雨滴谱曲线的型式，不同云型的雨滴谱型也有所不同[8]。研究发现层状云、对流云、层积混合云谱型一般分别呈指数型、多峰型、单峰型分布[7]。

2.不同下垫面降水的雨滴谱特点。传统云物理学根据下垫面不同，可将降水云系划分为大陆云系和海洋云系[9]。海洋云合并活动快，降水过程一般由暖云过程决定；大陆云中的小雨滴浓度较大，常常由冷云而演化成水滴。在同样降雨强度下，与云滴合并活跃的海洋云降水相比，大陆云降水的大雨滴较多[9]。

3.不同海拔高度降水的雨滴谱特点。随着海拔高度的不同，降水过程也会随之发生变化。雨滴在下落过程中会受到碰并、增长、破碎、蒸发等一系列物理变化的影响，这些变化在雨滴谱上会有直接的体现[10]。因此研究雨滴谱随海拔的变化特点，对于了解降水微物理变化的进程有着非常重要的意义。

4.不同降水过程的雨滴谱特点。如锋面降水和台风降水的雨滴谱特征，这种雨滴谱特征在淮河流域最为常见。

四、激光雨滴谱仪在淮河流域降水分析中的应用

淮河流域地处北亚热带半湿润季风气候区域，四季分明、雨量适中、光照充足，是暖温带向亚热带过渡的气候类型，冷暖空气交汇频繁，时常受台风、暴雨、洪涝等灾害性天气影响。同时淮河流域又是我国“梅雨”天气系统的主要活动区和我国降水变率最大地区之一，梅雨锋降水和台风降水是淮河流域降水的主要天气系统，激光雨滴谱仪对于研究梅雨锋降水和台风降水的微物理结构特征有其独特的优势。

锋面降雨主要发生在雨层云，它是锋面云系中最厚的云层，又是冷暖空气交汇而成的，上部是冰晶，下部是水滴，冰水共存于云系的中部，可起到合并作用，又因云层较厚，有利于形成降水，多属于积层混合云降水。雷达图上往往表现为大面积的层状云系中嵌有回波较强的对流性云块或大面积对流性雨带，积层混合云相比于积雨云的谱型分布较宽，持续时间较长。而积云降水时间短、降水强度大，一般降水过程越强，谱型就越宽。不同部位雨滴谱的谱型分布有着明显差异，锋面降水过程中雨滴谱的谱宽较宽，并且强降水时期常常呈双峰、多峰型分布[11]。激光雨滴谱仪对于测量谱分布较宽的降水准确率高达90%以上。

台风降水是热带海洋上非常巨大的湿热气团带来的降水，台风区的水汽非常丰富，具有很强的上升运动，日最大降水量可达800mm以上，主要是间歇性降水。台风降水的雨滴空间数浓度和直径较大，但其最大瞬时雨强小于锋面降水。不同性质的降水雨滴谱的特征参量不同，对流性降水的雨滴粒径较大，雨滴的数浓度也相对较大，大雨滴对降水贡献率较大，雨滴谱仪能捕捉到降水的瞬间变化。锋面降水和台风降水中常常伴随着雷电、大风、短时强降水等强对流天气，通过对锋面降水和台风降水的雨滴谱变化特征的研究，也为雷电等强对流天气的微物理结构特征，以及雷电和降水关系的研究奠定一定的理论基础[10]。

通过对不同降水类型的研究，可以提高降水的观测精度。由于不同类型降水的热量、水汽含量、上升运动等不同，激光雨滴谱仪对研究降水内部结构特征有着重要的理论和实践意义。