微雨雷达在宁波典型降水过程中的表现特征

姜嘉俊，王晓慧，刘圣楠

（1.宁波市气象台，浙江 宁波 315012；2.宁波市海曙区气象局，浙江 宁波 315012；3.金华市气象局，浙江 金华 321023）

引言

深入了解降水垂直结构和微物理过程对降水精细预报和人工影响天气具有重要意义［1-3］。雨滴谱是指雨滴数浓度随雨滴直径的分布关系，是表征降水微物理特征的重要参数，对于了解降水微物理过程，改进数值模式中微物理参数化方案具有重要作用［4-5］。此外，雷达反射率因子与降水强度之间的Z-R 关系同样基于雨滴谱拟合得到［6-8］。

已有研究大多基于一维或二维雨滴谱仪针对地面雨滴谱展开。宫福久等［9］利用地面雨滴谱仪在沈阳夏季测得的积云、层云和层积混合云降水资料，分析了三类云降水雨滴谱的谱型和拟合参数。房彬等［10］利用辽宁地区激光雨滴谱仪资料研究了积雨云、积层混合云和层状云降水系统雨滴谱特征量和谱参数的平均特征及其随时间演变。刘红燕和雷恒池［11］利用声雨滴谱仪资料，分析了北京地区对流云降水和层状云降水中的雨滴谱特征。

雨滴在下落过程中受重力、浮力和空气阻力共同作用，会发生碰并、破碎和蒸发等过程，这些物理过程会造成高空和地面的降水特征出现差异。由于探测手段的限制，目前对于降水特征量垂直廓线和不同高度上雨滴谱的观测十分有限。仅少数研究使用架设在不同高度山坡上的雨滴谱仪或飞机观测，分析了雨滴谱在垂直方向的演变特征。陈万奎等［12］利用一次西安—武功的飞机观测数据分析了雨滴谱特征及其在水平方向的变化。陈聪等［13］利用黄山不同高度上的雨滴谱观测资料对2011 年6 月一次降水过程进行了分析，指出各直径微物理量在山腰最大、山底次之、山顶最小，山腰的雨强最大，而山顶雨滴数浓度最大。李慧等［14］则进一步对降水进行了分类（层状云和对流云），统计了黄山不同海拔高度上降水粒子谱的微物理特征，指出对流云降水雨滴的各类尺度参数和数浓度都比相同高度上的层状云降水大。可以看出，雨滴谱在垂直方向存在明显差异，而其随高度变化会引起雷达反射率因子的垂直变化，进而导致雷达定量估计降水的偏差。因此，研究雨滴谱垂直分布就显得十分必要。

微雨雷达（Micro Rain Rader，简称MRR）作为一种垂直指向雷达可以对雨滴谱垂直分布进行连续观测，由于其对观测环境要求低且安装方便，近年来成为了研究降水微物理特征的重要工具。崔云扬等［15］利用MRR 观测资料对河北邢台的一次层状云降水过程进行了分析，指出降水过程中小滴数浓度随高度降低有明显减小，中滴和大滴垂直变化较小。宋灿等［16］同样利用河北邢台的观测数据统计分析了夏季层状云不同降水强度下雨滴谱垂直演变特征，指出对于弱降水，雨滴在下落过程中蒸发明显，而对于较强降水，雨滴下落过程中碰并作用更明显。过霁冰等［17］则利用MRR 对上海夏季不同强度降水过程中降水率、雷达反射率和液态水含量等进行了统计分析。

为探索以宁波为代表的浙江地区典型降水过程的微物理特征和雨滴谱随高度变化，为改进模式云微物理参数化方案和优化雷达定量估计降水算法提供依据，本文在对宁波余姚微雨雷达2018 年1 月—2019 年12 月连续24 个月观测进行评估的基础上，针对2020 年以来的三次典型降水过程进行初步分析。

1 观测仪器和数据处理

1.1 观测仪器简介

观测使用的微雨雷达（MRR）由德国METEK 公司生产，是一种垂直指向雷达，波长为1.25cm（K 波段，24.23Ghz），采用连续调频技术，通过获取多普勒功率谱，利用降水粒子下落速度与直径的经验公式反演得到不同高度、不同直径粒子对应的数浓度（雨滴谱）。后基于反演得到的雨滴谱计算不同雨滴谱参量随时间和高度的变化，从而分析降水的垂直分布和随时间的演变。MRR 参数如表1 所示。本文使用数据的时间分辨率为1min。

表1 MRR 主要参数设置

1.2 数据处理方法

由MRR 观测获得的雨滴谱数据可以计算降水强度R（单位：mm·h-1）、雷达反射率因子Z（单位：mm6·m-3）、液态水含量LWC（单位：g·m-3）和有效直径ED（单位：mm）等微物理特征量。

其中，N（Di）是MRR 反演得到的一定高度上单位体积单位谱间隔内雨滴数浓度，V（Di）是第i 档速度谱下落速度。Di为第i 档雨滴直径，ΔDi为对应的直径间隔。

2 结果与分析

2.1 仪器评估

为了解MRR 观测可靠性，对其雨强观测结果进行了评估。选取2018 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的反演降水与余姚站雨量筒观测的小时降水进行对比。已有研究指出，由于受地形等影响，MRR近地面观测的降水并非最接近雨量筒实况［18］。所以分别选取离地35m、100m、200m 和500m 高度的MRR 观测小时雨强和雨量筒进行了对比（图1）。可以看到，无论哪个高度，大部分时次MRR 观测的降水强度均小于雨量筒。MRR 在100m 高度上观测的雨强（图1b）和雨量筒最为接近，二者相关系数94%，变化趋势具有显著的一致性。35m 高度上观测雨强和实况相比误差反而更大，而500m高度上雨强明显偏小，这可能是因为降水在产生的过程中本身在不同高度上分布的粒子数量等就不一样。且垂直发射的电磁波越到高层受到降水粒子的衰减作用也会越明显。总体来看，MRR 具备一定的降水观测能力，尤其在100m 高度上观测的雨强能较好的表征实际降水强度。

图1 MRR 不同高度观测小时雨强和雨量筒对比

为了更细致的评估MRR 对不同强度降水的观测能力，将小时雨强按表2 的降水等级进行划分，分别得到了小雨、中雨、大雨及以上时MRR 在100m高度上观测到的雨强与雨量筒对比情况（图2）。可以看到，在小雨时，MRR 观测雨强偏小，且离散度较大。中雨时，虽然MRR 观测雨强仍然偏小，但离散度明显减小，观测稳定性有所提高，二者的相关系数达到了0.85。对于大雨及以上时，MRR 观测雨强偏小的情况基本改善，和雨量筒观测降水相比表现出了较好的一致性，但由于观测时次较少，具有一定的不确定性。

表2 小时降水等级划分标准

图2 不同降水强度下MRR 在100 米高度上观测小时雨强评估情况

综上，MRR 具备一定的降水观测能力，尤其在100m 高度上观测的雨强能较好的表征实际降水强度。对于中雨和大雨，观测相对稳定，对于小雨，MRR 观测稳定性不足，极端偏差情况较多。

2.2 典型个例分析

在总体评估的基础上，为了研究微雨雷达产品在宁波典型降水过程中的表现特征，选取了三次具有代表性的过程进行分析，分别为冬季西风槽降水（2020 年1 月24 日00 时—26 日23 时）、夏季梅雨期降水（2020 年6 月18 日20 时—21 日20 时）和台风“黑格比”降水（2020 年8 月4 日17 时—5 日03时）。

由前文评估结果可以看到，MRR 在100m 高度上观测雨强和雨量筒较为接近。因此，首先对三次典型过程中MRR 在100m 高度上观测的雨强和雨滴谱分布情况进行分析（图3）。MRR 观测雨强总体偏小，但变化趋势和雨量筒实况非常接近。从雨滴谱演变可以看到，雨滴浓度和直径随降水强度变化明显。对于西风槽和梅雨降水，大部分雨滴直径在1mm 以下，而台风降水中出现大量直径超过1.5mm的雨滴。

图3 三次典型过程雨强和雨滴谱分布情况

为了更好的分析三次降水过程中雨滴谱总体特征，将MRR 在100m 高度上观测的雨滴谱做过程时间平均（图4），可以看到三次降水过程中雨滴浓度随着雨滴直径增大而减小，浓度大于102（m-3mm-1）的雨滴粒子直径分布在小于1.5mm 范围内。西风槽和梅雨过程中雨滴谱基本相似，雨滴直径在0.2～3mm范围内，而台风“黑格比”降水雨滴粒子直径范围更大，在0.2～5.4mm 范围内，更多的大的降水粒子能产生更强的降水，这正是台风“黑格比”降水更强的原因。

图4 三次典型过程100m 高度上观测的雨滴谱分布

图5 为三次过程中降水特征量随高度变化情况。对于西风槽和梅雨降水，各高度上降水强度基本一致，而台风“黑格比”随着高度降低，雨强则呈现增大的趋势，但在近地面35m 高度上雨强却突然降低，这可能是近地面地形对垂直速度有影响造成的。对于液态水含量（图5b），西风槽和梅雨降水也相似，二者均较小，且随高度变化不明显。而台风“黑格比”液态水含量基本是前者的5 倍以上，这和台风期间，水汽输送充沛有关。随着高度降低，台风降水过程中液态水含量减小，这可能是由于蒸发作用造成，尤其小雨滴下落过程中受蒸发作用会使液态水含量随高度降低而减小。此外，在台风降水过程中，随高度降低，粒子有效直径明显增大，粒子数浓度明显减小。说明在台风降水过程中雨滴碰并增长作用较显著，大量小粒子相互碰并成为大粒子。

图5 三次典型过程（a）雨强、（b）液态水含量、（c）有效粒径和（d）雨滴数浓度平均随高度变化

2.3 预报应用

在分析了三次典型过程中降水特征量随高度总体变化的基础上，这些特征量变化对降水强度变化是否有指示作用，能否用于预报参考值得进一步关注。图6 为西风槽过程中任意一个时段（2020 年1月25 日21—23 时）分钟降水特征量和雨量筒分钟降水的比较。从图6a 可以看到，雨量筒观测降水在21∶50—22∶10 和22∶30—22∶40 有两个相对大值区，而整层液态水含量大值区则提前出现在了21∶40—22∶00 和22∶20—22∶30 左右，提前了大约10min。从图6b 滞后相关系数也可以看出，降水强度滞后整层液态水含量约8～10min 时，二者相关系数最大，超过了0.8。说明整层液态水含量变化对于未来8～10min 降水强度变化有很好的指示作用。而对于整层平均的有效直径（图6c，6d），也可以看到，其相对于降水强度变化同样有大约10min 的提前量。整层平均的有效直径与滞后10min 的降水强度相关系数也达到了0.6。同样表现出对未来10min 左右的降水强度变化有很好的指示。

综上分析，整层积分的液态水含量和整层平均的粒子有效直径对于降水强度预报有较好的指示作用，二者变化均提前于降水强度变化约10 分钟左右。

图6 西风槽降水过程中（2020 年1 月25 日21 时—23 时）微物理特征量与降水强度关系

3 结论与讨论

对宁波余姚微雨雷达进行评估的基础上，选取了宁波地区三次典型降水过程（冬季西风槽、梅雨和台风“黑格比”），分析了三次典型过程的雨滴谱和降水特征量分布情况，对降水特征量在雨强预报中的可能应用做了初步分析，得到以下结论：

（1）评估表明，微雨雷达（MRR）具备一定的降水观测能力，尤其在100m 高度上观测的雨强能较好的表征实际降水强度。在小雨时，MRR 观测降水偏小，离散度较大。中雨和大雨及以上时，虽然MRR观测雨强仍然偏小，但离散度明显减小，观测稳定性有所提高。

（2）低层（100m）雨滴谱分布可以看到，三次典型过程中降水粒子浓度均随雨滴粒子直径增大而减小，浓度大于102（m-3mm-1）的雨滴粒子直径分布在小于1.5mm 范围内。西风槽和梅雨过程中雨滴谱基本相似，而台风“黑格比”雨滴浓度更高，粒径范围更大，这也正是台风“黑格比”降水更强的原因。

（3）西风槽和梅雨降水中液态水含量均较小，且随高度变化不明显。而台风“黑格比”液态水含量基本是前者的5 倍以上，且随高度降低而减小。在台风降水过程中，粒子有效直径随高度降低明显增大，粒子数浓度明显减小。说明在台风降水过程中雨滴碰并增长作用较强，大量小粒子相互碰并成为大粒子。

（4）整层积分的液态水含量和整层平均的粒子有效直径对于降水强度预报有较好的指示作用，二者变化均提前于降水强度变化约10min 左右。

需要指出的是，本研究仅从个例出发分析了宁波地区三类典型降水过程的微物理特征，因此研究结果存在一定的不确定性。下一步需要通过更多个例进行统计分析，以期揭示更加普遍的特点。