南海雨滴谱特征统计分析

2021-06-14黄彦彬李春鸾叶彩荣邢峰华

Advances in Meteorological Science and Technology 2021年2期

黄彦彬李春鸾叶彩荣邢峰华

（1 海南省人工影响天气中心，海口 570203；2 海口市气象局，海口 570203；3 海南省气象服务中心，海口 570203；4 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

0 引言

雨滴谱的时空变化对于认识降雨的微物理特征和雷达定量降水评估有着重要影响。雨滴谱（raindrop size distribution）是指单位体积中雨滴的数浓度随其尺度的分布，也是研究降雨微物理特征的重要手段。雨滴谱观测研究可以反映降水形成的云微物理过程，改进数值模式中的微物理过程参数化方案，提高模式对云微物理过程的模拟能力，提高遥感探测降水的能力，改进空-地基测雨雷达反演降水精度。

南海位于中国南大门，海域辽阔，常规气象资料不足。Rosenfeld等发现相比于大陆性降水，海洋性降水小滴数量多而大滴数量少，大陆性降水雨滴较大是由于大陆性降水云的冷云过程更加显著，在冷云过程中产生的冰相粒子可以生长到的较大的尺度而不破碎。随着观测技术的提高，海洋降水的观测研究越来越受到国内外学者的重视。Karev等利用主成分分析的方法对韩国雨季风期间海洋性降水雨滴谱变化特征进行分析。胡子浩等分析了南海地区一次对流云降水个例的雨滴谱特征，发现海上降水小粒子数浓度较高。

近些年来，随着南海资源的开发，人为活动在南海也逐渐增多，因此研究南海海域降水微物理特征量是十分必要的。2017年中国气象局开始在全国主要气象观测站布设激光粒子谱测量仪，并改称降水现象仪。作为南海海域现有常规业观测站中最主要的海洋岛屿站，位于西沙群岛的三沙市永兴岛和珊瑚岛降水现象仪2018年7月投入业务，截至2019年6月30日获得了将近1年的连续观测资料。本文利用三沙市永兴岛、珊瑚岛海洋站近1年的降水现象仪资料反演的雨滴谱数据，并对同期海南本岛最南端的三亚市海岸站资料进行统计分析，研究海洋站、海岸站降水云系的雨滴微物理特征，对提高海洋降水特征的研究提供支撑。

1 雨滴谱观测概况及数据处理

1.1 雨滴谱观测地点

三沙市永兴岛和珊瑚岛均位于海南岛东南部，永兴岛位于南海西北部广阔的海面上，面积为2.6 km，平均海拔高度为5 m，直线距离海南本岛最南端的三亚市为339 km，是西沙地区唯一具有较长时间序列历史资料的常规气象测站；珊瑚岛位于南中国海西沙群岛永乐群岛的永乐环礁西部，面积为0.31 km，最高点海拔9 m，直线距离三亚市为295 km，为有人值守的气象观测站。两个海岛站直线距离88 km，降水现象仪布设在岛上的气象观测站内。

降水现象仪是以激光为基础的新一代粒子测量传感器，当有降水粒子穿越采样空间时，光学接受光电阵列传感器将降水粒子图像转化成电子信号，通过记录遮挡物的宽度和穿越时间计算降水粒子的尺度和速度（图1）。粒子尺度测量范围为0～26 mm，按非等间距间隔将尺度范围分为32个通道，速度测量范围为0～22.4 m/s，同样按非等间距分为32个速度通道。每一次采样时间间隔60 s，一次采样间隔内的粒子谱数据为32×32=1024个。

图1 降水现象仪观测位置Fig. 1 Observation location of precipitation instrument

1.2 雨滴谱参数计算

首先，利用下式可以将观测数据转化为雨滴的粒子数浓度

(

)：

式中，

(

) （单位：mm·m）是第

级尺度通道的单位体积单位间隔的雨滴数浓度；

是仪器在第

级尺度通道，第

级速度通道记录到的雨滴个数；

（单位：s）为采样时间；为第

级尺度通道的间隔；

(

)（单位：m）为有效采样面积，计算方法为：

降水积分参数，包括雷达反射率因子

（mm·m）、雨强

（mm·h）、含水量

（g·m）和总雨滴数浓度

（mm），可以利用DSD观测数据通过下式进行计算：

雨滴的特征直径也可以较好地反映降水的结构特征，本文涉及到的特征直径和特征参数包括：平均直径

（mm）、中数体积直径

（nn）、质量加权平均直径

（mm）和标准化阶距参数

（mm·m），计算方法为：

其中，为水的密度，取1 g·cm。

1.3 资料处理

利用中国气象局布网的业务化的降水现象仪基数据，研发了降水微物理数据分析处理系统PrADS。基数据从CIMISS实时采集，系统采用前端采集模块，配置相关信息后，对降水现象仪站点信息数据采集、分析、传输、存储；导出描述降水过程微物理结构的特征物理量数浓度、雨水含量、雨强、雷达反射率因子、降雨动能通量以及描述降水粒子群的尺度平均量算术平均、均方根、峰值、体积中值、质量加权平均和有效直径等，对导出的数据经质量控制、误差修正，利用该系统可以综合分析降水的微物理过程。

海南本岛以及南海各站具有明显的热带气候特点。西沙永兴岛降水量和雨日的气候特征，降水主要出现在夏秋季，冬春季偏低。1—4月降水量较少，基本在50 mm以下，6月份以后进入汛期，降水量明显增多，直到10月达到最大，9月和10月南海西沙海域热带气旋影响频繁，降水强度大。10月后降水量迅速下降，11月以后西沙永兴岛的降水量逐步下降，冬半年南海西沙海域盛行旱季风，永兴岛维持阴雨天气，雨日偏多，但多以小雨为主，降水量偏小。利用自主研发的PrADS系统，收集整理了2018年7月12日—2019年6月30日的三沙市永兴岛、珊瑚岛以及海南本岛三亚市处理后的雨滴谱资料，包括永兴2004份、珊瑚5272份、三亚14691份共计21967份有效分钟降水雨滴谱数据。

图2 为三站不同雨强分档雨滴谱特征分布图。对于10 mm/h以上强度降水，海岸站三亚的降水中段（1～4 mm）粒子浓度要比另外两块地区同强度降水高，但永兴岛降水的小滴峰值浓度要比珊瑚、三亚降水大，约为2×10m·mm。随着雨强的增大，NWP海域降水中＜0.7 mm的雨滴浓度反而有减小的趋势，尤其是40 mm/h以上强降水，减小的更明显。该区各档雨强降水的最大峰值浓度均在10m·mm以下。永兴岛在20～40 mm/h档出现了6 mm以上雨滴，其他档雨强降水中并未出现，这与珊瑚、三亚变化趋势不同。

图2 永兴（a）、珊瑚（b）、三亚（c）雨强分档雨滴谱特征Fig. 2 Raindrop spectrum characteristics of different rain intensity in Yongxing (a), Shanhu (b) and Sanya (c)

雨强的增大一般与对流强度增强有关，对流越强粒子碰撞破碎作用就越强烈，小粒子的数量就应该更多，永兴岛降水就符合这种变化规律，但是珊瑚和三亚则不明显，这说明3个站降水粒子作用的微物理机制存在一定差异。

给出了不同雨强下三站降雨微结构特征参数的平均值（表1）。其中，

为有效样本数、

为雨强、

、

分别为平均直径、质量加权平均直径、体积中值直径、平均最大直径，

为粒子数浓度，

为含水量，

为反射率因子。考虑不同雨强降水的雨滴谱分布特点。按照雨强将观测样本分为6档：

≤2 mm/h，2＜

≤5 mm/h，5＜

≤10 mm/h；10＜

≤20 mm/h，20＜

≤40 mm/h，

＞40 mm/h。不同雨强下的平均雨滴谱分布如图2所示。可以看出，密度随着雨强增大，各粒径段的粒子浓度都在增大，滴谱变宽。雨强在2 mm/h以下时，三站的雨滴浓度在小粒子端有所下降，浓度峰值大约出现在0.4～0.6 mm；对于

＞40 mm/h强降水，浓度峰值出现在3～4 mm，说明在强降水条件下，3～4 mm降水粒子的贡献占比最大，而且三亚站大滴的粒子浓度峰值远远大于永兴、珊瑚两站，说明在相近的雨强条件下，海岸站降水的大粒子浓度更高。另外，永兴、珊瑚和三亚站在不同雨强下降水平均雨滴谱分布具有明显的双峰结构，三站大滴端粒子浓度迅速减小，谱型整体呈上凸趋势。随着雨强的增大，降水中3 mm以上的较大滴端粒子浓度不断增加，这些大雨滴浓度的升高是雨强逐渐增大主要原因。但是，随着雨强的增大，珊瑚岛降水的峰值直径基本稳定在3 mm左右，变化较小。1.7～2.3 mm段粒子浓度基本稳定，保持在10m·mm左右；与珊瑚岛降水明显不同的是，随着雨强的增大，三亚地区降水的0.5～1.0 mm段粒子的浓度是不断增大的，最大峰值浓度也在10m·mm以上。