基于雨滴谱仪的降雨雨滴特征分析

蔡 钊，刘九夫，廖爱民，廖敏涵，刘宏伟，王 欢，马 涛，卓 鹏

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

降水测量是水循环、水资源调查评价、生态文明建设、气候变化等研究的基石[1]，翻斗式、虹吸式、称重式雨量计等降水测量仪器为水文气象的试验研究以及日常业务观测都提供了良好的保证，但这些传统的雨量计无法捕捉雨滴的微观特征。近年来雨滴谱仪、测雨雷达等新技术的应用，丰富了降雨测量的手段[3]，也为研究降雨的微观特征提供了更为便捷的手段。雨滴谱仪有二维视频雨滴谱仪、激光式雨滴谱仪等多种不同类型设备[6]。在国内，胡子浩等[8]进行了基于雨滴谱仪测量降雨的比对实验研究，对雨滴谱仪在降水测量中的作用评估以及改进提出了建议。在国外，Villermaux等[11]指出雨滴在下落过程中存在复杂的动力学过程以及与邻近雨滴的相互作用。大雨滴在下落的过程中，存在其本身动力学上的不稳定而造成的破碎，以及雨滴之间的合并[14]。合并后的雨滴以原来两个雨漏中较大的速度下落，而大雨滴破碎产生的小雨滴，则以相同的速度下落[15]。Guillermo等[16]在研究中利用光学图像的方法，证实了大雨滴在下落过程中产生的破碎小雨滴，其尾速比通常的认知要大。Larsen等[17]也通过对雨滴谱仪的持续观测，得出降雨发生后小直径的雨滴占比较高的结论。

先前研究主要侧重于雨滴谱仪与试验实测数据的比对和误差来源分析，以及雨滴的物理特性分析等，对雨滴本身的特性与雨强的关系，到达地面后的尾速和直径的关系，不同雨强下雨滴直径分布情况的分析较少。因此笔者利用Parsivel(OTT)雨滴仪对2019年5—10月和2020年梅雨季的降雨进行雨滴特性分析，深入探究雨滴的微观特性，得到雨滴到达地面时的尾速、直径及其两者之间的关系特征，并探究不同雨强范围雨滴直径的分布情况，为雨滴特性的进一步研究，以及雨滴谱仪在水文试验和观测的资料分析以及数据对比分析提供参考，可为未来雨量计的标定提出新的建议。

1 研究方法

1.1 场地位置

本研究在南京水利科学研究院滁州水文实验基地(118°12′E，32°17′N)内开展，气象场内布置了2个间距2 m的Parsivel(OTT)型雨滴仪：SL3-1型0.1 mm雨量计，JDZ型0.2 mm、0.5 mm雨量计，以及其他众多水文实验仪器[18]，见图1。图1中D01、D02为2台雨滴谱仪，J01、J03、J05分别为分辨率0.1 mm、0.5 mm、0.2 mm的雨量计(每种分辨率的雨量计为2对)。

图1 滁州水文实验基地仪器布置

1.2 实验仪器及降水资料

Parsivel(OTT)型雨滴仪主要利用光学原理[19]，测量到达仪器测量范围内的雨滴的粒径、速度、能量、雨滴类型等参数。本研究中雨滴谱仪雨强为0.001～ 9 999.9 mm/h,粒径为0.2～ 24.5 mm,速度为0.2～20 m/s，其中雨滴直径谱在雨滴的横向和纵向(D和V方向)进行了32个分级。用于比对的雨量计分别为0.1 mm分辨率的SL3-1型雨量计和0.5 mm分辨率的JDZ型雨量计，且这两种雨量计在安装前均进行了严格的标定试验，将雨量计的计量误差控制在±4%以内。为满足雨滴谱仪、滁州水文实验基地内X波段双偏振测雨雷达和雨量计的试验研究要求，滁州水文实验基地所有的雨量计、雨滴谱仪的数据记录频率均为1 min/次，高于行业业务标准5 min/次。

降雨资料使用2019年5—10月和2020年梅雨季的降水数据，由于2019年降水量较少，其梅雨季期非常短，而2020年梅雨季降雨量较多，因此分别进行了雨滴特性分析。

2 结果与分析

2.1 雨滴谱仪与实测数据比较

对比2019年5—10月0.1 mm和0.5 mm雨量计监测结果(图2)可知，它们在降雨总量的捕获中差别很小，仅相差2 mm左右，但从降雨量的累计差异可看出，在7月份之后的降雨中，每场降雨均存在0.1 mm雨量计测量值略大于0.5 mm雨量计的情况。特别是在7月6日和8月2日的降雨测量中，0.1 mm雨量计每分钟的测量值明显偏大，这与之前有关雨量计特性试验结果一致[21]，即SL3型0.1 mm雨量计误差和稳定性方面的要求均不如JDZ型0.5 mm雨量计。

图2 2019年5—10月0.1 mm、0.5 mm雨量计观测值对比

2019年5—10月中，2台雨滴谱仪D01和D02的累积雨量和实验场内已标定的0.1 mm、0.5 mm雨量计测量的累积雨量的对比如图3所示。图3反映了雨滴谱仪数据的变化以及与雨量计观测数据的差异：2台雨滴谱仪测得的雨量和0.1 mm、0.5 mm雨量计的观测值整体趋势基本一致，除去图2中4个点的雨量累计值不一致外，雨量基本一致，说明雨滴谱仪在雨量测量中有一定的可信度。另外，2台雨滴谱仪在降雨发生后的雨量数据趋势、雨量计量等方面的差距很小，说明其仪器在自身差异化方面有一定的保证。

图3 2019年5—10月雨滴谱仪累积雨量和0.1 mm、0.5 mm雨量计测量的累积雨量对比

针对存在差异的4个点(A～D点)进行单独分析，A处和C处雨滴谱仪数据大于0.1 mm、0.5 mm雨量计测量值的主要原因是雨量计的数据传输素材(CR1000)在2019年5月26日凌晨6点左右出现了短暂的供电缺失造成的数据缺失。B处和D处雨滴谱仪数据小于0.1 mm、0.5 mm雨量计测量值的主要原因是2019年8月2日实验基地出现供电问题，导致雨滴谱仪出现数据缺失，缺失值在10 mm左右。

2.2 雨滴谱仪粒径分析

对2019年5—10月和2020年梅雨季的雨滴粒径统计如图4、图5所示，由于雨滴谱仪的测量数据在进行内部分组时，0～1.25 mm直径范围的分组间隔为0.125 mm，1.25～2.5 mm分组间隔为0.25 mm；依次类推，因此图4中柱状图的宽度代表了分组间隔的大小，图中0～1.25 mm柱状的宽度小于1.25～2.5 mm的宽度。从雨滴谱仪测量的雨滴直径结果可看出雨滴的直径分布呈现“双峰”分布的形态，在0.438～0.562 mm和1.25～1.5 mm直径处出现了2个柱状峰值，这可能与不同降雨类型(降雨雨强)下不同直径雨滴的占比有关。

图4 2019年5—10月2台雨滴谱仪的雨滴直径统计结果

图5 2020-06-10—2020-07-21梅雨季雨滴谱仪的雨滴直径统计结果

从图4可知在2019年5—10月中频率最高的为0.5 mm直径左右的雨滴，占比超过20%；0.7 mm直径以下的雨滴占比约65%，1 mm直径以下的雨滴占比更是接近83%。说明在夏秋季节滁州实验基地的降雨主要以小直径的雨滴为主，大雨滴的直径占比很小，这与Larsen等[17]的研究相吻合：即雨滴在下落过程中存在破碎过程，到达地面的雨滴主要以小直径的雨滴为主。

由图5可知2020年梅雨季中雨滴的直径分布在整体上与2019年5—10月基本相似：统计频率图中出现2个峰值，且降雨雨滴的直径集中在1 mm以下。但梅雨季也有不同之处：2个峰值集中在0.375～0.5 mm和1.187～1.25 mm之间，分别占比14.86%和6.98%，远高于2019年此分布区间的占比。造成此现象的原因可能是梅雨季云层中形成的雨滴初始直径较大，在下落过程中发生了更多的破碎和碰撞。

滁州实验基地内布置的雨量计记录频次均为1 mm/min，可真实反映出自然降雨的每分钟雨强。图6为使用0.1 mm雨量计观测的2019年5—10月和2020年梅雨季的雨强分布频率直方图。由图6可清晰看出，无论是2019年还是2020年的梅雨季，降雨雨强在0.5 mm/min以下的频率超过了90%，雨强在0.3 mm/min以下的频率超过了80%，即大部分的自然降雨为小雨强，这与通常的认知有些许区别，也为未来雨量计的标定提出了新要求：雨量计在出厂标定时必须在小雨强下将误差控制在±4%以内，以满足全年降水计量误差控制需求。

图6 2019年5—10月和2020年梅雨季0.1 mm雨量计记录的雨强分布直方图

由不同雨强区间内雨滴直径分布情况(图7、图8)可知，在不同雨强范围内雨滴直径的分布呈现不同的特征，在较小雨强下(0～0.3 mm/min)，小直径的雨滴占比较多，集中在0.2～0.6 mm之间，占比40%左右，且并未出现“双峰”的分布形态；随着雨强的增大(0.3～0.6 mm/min)，雨滴粒径占比较多的集中在1.5 mm左右(图7中A、B两点)。随着雨强的继续增大，直径在1.5 mm左右的雨滴占比呈现逐渐减小的趋势，分布直方图呈现出较为明显的“双峰”现象。这可能与雨滴下落过程中的碰撞破碎以及雨滴之间的合并有关，在小雨强下雨滴以小直径为主；随着雨强的增大，在一定雨强范围内雨滴的破碎量变小或者雨滴融合较多，造成较大直径的雨滴占比较多；随着雨强继续增大，雨滴之间的碰撞增多，以及大雨滴破碎为小直径雨滴的概率增大，进而出现分布中的“双峰”现象。

图7 2019年5—10月不同雨强范围内雨滴直径的分布直方图

图8 2020年梅雨季不同雨强范围内雨滴直径的分布直方图

2.3 不同雨型下雨滴直径分布分析

自然界中不同雨型对应的雨滴谱存在不同的特性，图9给出了2019年6场不同雨型的降雨雨滴直径分布。6场降雨中，小雨、中雨各2场，大雨和暴雨各1场。对不同雨型的直径分析可得到：①无论任何雨型，直径占比最大的始终是0.5 mm左右直径的雨滴。②雨滴直径直方图一般存在“双峰”现象；但在不同雨型的情况下，“双峰”的形态有很大的变化，有可能出现“三峰”(图9(d))，甚至可能消失变为“单峰”(图9(f))的现象。在中雨和大雨雨型下，雨滴直径的直方图均呈现 “双峰”现象。随着雨强的增大，变为暴雨时，则会出现第3个较为突出的峰值，这可能是由于在暴雨发生时，降雨雨滴的初始直径较大，存在较多的碰撞和融合。随着降雨雨强的减小，则会只出现0.5 mm左右直径占比最大的“单峰”现象(图9(f))，这可能与雨滴形成的初始直径较小有关，雨滴在下落的过程中，存在较多的碰撞，但雨滴融合较少。

图9 2019年5—10月不同雨型时雨滴直径的分布直方图

2.4 雨滴谱粒径与速度关系分析

雨滴谱仪测量雨滴的直径和速度关系如图10所示，并在图中给出了置信水平95%的置信椭圆。由图10可知：①降雨雨滴的最大速度可达10 m/s，且出现最大速度的雨滴直径均在1 mm以下，这可能与雨滴在空中下落时的破碎有关。大雨滴在下落时产生破碎，生成更多小直径的雨滴，这些小雨滴破碎后的速度与大雨滴相同；而在小雨滴下落过程中承受空气阻力较小，因此在到达地面时，会产生非常大的尾速度。②雨滴直径均小于5 mm，且95%的雨滴样本落在速度0～7 m/s、直径0.4～3.8 mm之间。在降雨量较大的2020年6—7月梅雨季，置信椭圆整体显得更为“消瘦”，即降雨雨滴的粒径范围更为集中，且速度分布的范围更广。③大直径雨滴(大于3 mm)的尾速范围稳定在1～4 m/s之间；而尾速较大(大于7 m/s)的雨滴，直径普遍在2 mm以下，且集中在1～2 mm区间之内，原因可能与大直径雨滴破碎产生小雨滴的下落速度较大有关。

图10 2019年5—10月和2020年6—7月雨滴直径和速度分布以及基于正态分布的置信水平95%置信椭圆

3 结 论

a.2019年5—10月出现频率最高的是0.5 mm左右直径雨滴，占比超过20%；0.7 mm直径以下的雨滴占65%左右；直径1 mm以下的雨滴占83%左右。雨滴的直径分布呈现“双峰”分布形态，在2020年6—7月的表现更为明显，其占比集中在0.375～0.5 mm和1.187～1.25 mm之间，分别为14.86%和6.98%。

b.在中雨、大雨雨型的情况下，雨滴直径直方图的“双峰”较为明显，但随着降雨雨强的增大，在暴雨雨型下有可能出现“三峰”的情况；而在小雨雨型时则更容易出现“单峰”现象。通过实验基地0.1 mm、0.5 mm雨量计和雨滴谱仪降雨量的对比可发现了雨滴谱仪在降水量的反演中有一定的可信度，同时0.1 mm雨量计在大雨强下存在观测值略大于0.5 mm雨量计的情况。

c.2019年5—10月和2020年梅雨季，雨强在0.5 mm/min以下的频率超过90%，雨强在0.3 mm/min以下的频率超过了80%。这为未来雨量计的标定提出了新的要求，即雨量计在出厂标定时必须在小雨强下进行标定，将误差控制在±4%以内，以满足全年降水测量的误差控制需求。

d.降雨雨滴的最大速度可达10 m/s，且出现速度最大值的雨滴直径均在1 mm以下；雨滴直径均小于5 mm，且95%的雨滴样本落在速度0～7 m/s、直径0.4～3.8 mm之间。大直径的雨滴(大于3 mm)的尾速范围稳定在1～4 m/s之间；而尾速较大(大于7 m/s)的雨滴，直径普遍在2 mm以下，且集中在1～2 mm之内。