基于Parsivel降水现象仪资料的郑州“7·20”罕见特大暴雨微物理特征分析

周 丹， 周淑玲， 田金华， 邵振平， 王 俊

(1.威海市气象局,威海 264200； 2.郑州市气象局，郑州 450007；3.河南省人工影响天气中心，郑州 450016； 4.山东省人民政府人工影天气办公室，济南250031)

引 言

暴雨是中国主要灾害性天气之一，每年的暴雨洪涝灾害造成大量人员伤亡和财产损失[1]。江淮流域是我国暴雨频发地区之一，常常发生暴雨洪涝灾害，许多科研工作者对这类暴雨进行了分析研究[2-8]。随着新一代天气雷达(多普勒雷达、双偏振雷达、相控阵雷达等)、卫星和降水现象仪等高时空分辨率遥感设备的布设，对强降水的云微物理特性的观测分析正逐渐增多[9-12]。目前气象台站使用的降水现象仪与德国OTT公司生产的第二代雨滴谱仪观测原理一致。

国内较早采用滤纸色斑法对暴雨雨滴谱进行观测[13-15]，雨滴谱分布采用指数分布拟合效果较好。陈宝君等[16]采用GBPP-100地面光阵雨滴谱仪观测资料分析了三类降水云雨滴谱特征，发现γ分布具有普适性 ,更能反映积雨云雨滴谱分布特征。南京地区梅雨锋暴雨[17]中直径小于1.0 mm的小粒子所占比例最大，但对雨强有最大贡献的是1.0～2.0 mm的粒子，雨滴谱谱型以双峰型为主。河北省中南部暴雨[18]中以直径小于1.0 mm的小粒子为主，直径1.0～3.0 mm的粒子对总雨强贡献接近70%，暴雨的雨滴谱多呈单峰型分布。叶朗明等[19]分析了广东省西部一次罕见极端降水事件的雨滴谱特征，结果显示，雨滴谱在高湿环境中表现为暖性降水特征，最强降水时间段内有极大的小雨滴数浓度，同时还存在部分大粒子，从而导致了更高的降水效率和局地强降水。王俊等[20]分析一次短时强降水雨滴谱特征显示，对流降水雨滴谱谱型包括单峰谱、双峰谱和多峰谱，显示暖云中雨滴碰并、碰撞-破碎机制对雨滴谱形成有重要影响。

近几年，台风暴雨微物理特征研究明显增多。Tokay等[21]分析了7个热带气旋雨滴谱特征，观察到高浓度的小雨滴和中雨滴，最大雨滴直径很少有超过4 mm的，但在温带气旋阶段有相对高浓度的大雨滴，类似于大陆雷暴的雨滴谱分布特征。台风“利奇马”在苏州的强降水时段，雨滴谱的相关微物理量基本都呈现较大值[22]，说明降水的增强需要雨滴尺度的增长和更多雨滴的生成。

2021年7月18日08时-22日08时，郑州出现了历史罕见的特大暴雨天气[23]。此次特大暴雨天气表现出持续时间长、降水强度大、累积降水量罕见等极端性特征，并造成严重山体滑坡、泥石流、城市内涝及人员伤亡。本文利用郑州Parsivel降水现象仪观测资料，结合新一代多普勒雷达和常规观测资料，分析了7月20日郑州特大暴雨的微物理特征，为深入开展此次罕见极端暴雨的数值模拟提供参考依据。

1 资料和方法

所用资料为郑州国家观测站2021年7月20日08时至21日08时地面观测数据和降水现象仪数据，以及商丘多普勒天气雷达观测资料和MICAPS数据。

Parsivel降水现象仪的降水粒子谱数据共有32个尺度通道和32个速度通道，尺度测量对应的粒子直径为0.062～24.500 mm，速度测量为0.05～20.80 m·s-1，仪器采样时间为1 min，采样截面积为18 cm×3 cm=54 cm2[24]。Parsivel降水现象仪可作为天气传感器，用来识别雨、雪、湿雪和冰雹等[25-26]。

由于受环境和各种天气条件的影响，降水现象仪观测资料需要进行质量控制才能进一步应用。强风影响、溅落粒子和边缘效应是3个主要误差源，质量控制的第一步是删除偏离雨滴落速-直径试验关系较大的粒子，本文质控采用去除偏离经验雨滴落速-直径±60%的粒子[27]。图1是2021年7月20日08时至21日07:59观测的郑州雨滴谱资料累计数据矩阵，彩色阴影代表一天中各个速度和直径档中的粒子数，实线为雨滴落速-直径试验关系，点划线为±60%雨滴落速-直径试验关系线。可以看出，有少量直径接近8 mm的粒子落速大于1.6倍雨滴落速-直径试验关系，这部分粒子需要去掉。有较多粒子的落速小于0.4倍雨滴落速-直径试验关系，这些粒子也需要删除。另外，因为在小直径时的信噪比很低，质控也删除了两个最小直径档的数据，所以文中分析的最小粒子直径为0.3125 mm；而自然降水中很少有直径大于8 mm的特大雨滴，直径大于8 mm的粒子也作为非降雨粒子删除。质控第二步是考虑边界效应，根据Jaffrain等[27]提出的公式180×(30-D/2)对不同直径粒子的有效采样面积进行订正。

图1 2021年7月20日08时至21日07:59观测的郑州雨滴谱资料累计数据矩阵实线为雨滴落速-直径试验关系，点划线为±60%雨滴落速-直径试验关系线

2011年Parsivel雨滴谱仪升级后，Wen等[28]对比分析发现，第二代雨滴谱仪观测资料不进行形变订正，测量的累计降水量比自动站的偏少13.3%，比第一代的偏少16.5%，有明显提高，因此，本文也不对直径进行订正。

雨滴尺度谱可以用以下公式计算得到

(1)

A为Parsivel降水现象仪取样面积，单位：m2,订正后为180×(30-Dj/2)×10-6·m2;Δt为取样时间，单位：s;nij为第j个直径通道、第i个速度通道的雨滴浓度，单位：个/60 s；Vi为第j个直径通道、第i个速度通道对应的雨滴落速，单位：m·s-1；ΔDj为第j个直径通道的宽度，单位：mm;N(Dj)为第j个直径通道Dj至Dj+ΔDj之间的雨滴数浓度,单位：m-3·mm-1。

目前，常用3个参数的γ分布来拟合雨滴谱分布，γ分布函数为

N(D)=N0Dμexp(-λD)

(2)

式中，N(D)为单位体积单位尺度间隔的雨滴数浓度，单位：m-3·mm-1；N0为截距参数，单位：m-3·mm-1-μ；D为雨滴直径，单位：mm;μ为形状因子(无量纲参数)；λ为斜率参数，单位：mm-1。

近年来，阶矩法被广泛应用于估计γ谱分布的3个参数。该方法的优点在于云微物理量与各阶矩有一定的对应关系，如雨滴浓度NT等于0阶矩，含水量与3个阶矩成正比，雷达反射因子与6个阶矩成正比等。第n阶矩定义为

(3)

一般来说，3个参数可以利用任意3个阶矩计算出，但实际应用中需要根据雨滴谱特征来确定具体采用几阶矩计算3个参数，本文采用2、4、6阶矩计算3个参数[29]，计算公式为

(4)

(5)

(6)

(7)

另外，雨强I(单位：mm·h-1)、雨滴总浓度NT(单位：m-3)、雨水含量W(单位：g·m-3)和雷达反射率因子Z(单位：mm6·m-3)也可以利用雨滴谱资料分别计算:

(8)

(9)

(10)

(11)

2 特大暴雨的实况和环流背景

2.1 郑州站观测实况

2021年7月20日08时-21日08时，郑州国家站24 h降水量为624.1 mm。20日13时开始郑州降水强度逐渐增大，16-17时达到最大，1 h降水量为201.9 mm，为郑州有气象记录以来之最(图 2a)。分析16-17时的1 min降水量、气温、气压和相对湿度发现，1 min平均降水量为3.37 mm，最小的为1.8 mm(仅出现2 min，其余时间都大于2.0 mm/min)，最大的为4.7 mm；气温呈逐渐下降趋势，1 h下降了1.4 ℃(图 2b)；气压1 h内出现低压到高压的5次波动，15:56-16:03，6分钟内气压升高1.6 hPa；相对湿度每分钟都是100%。可见，弱冷空气侵入，与前期饱和的暖湿气团相互作用，促进了中尺度强降水。

图2 2021年7月20日08时至21日08时郑州1 h降雨量(a)、20日16-17时郑州1 min气温(b)(b)中横坐标标值“1”表示20日16：01，依次类推

2.2 特大暴雨的环流背景

本次郑州特大暴雨是多尺度系统相互作用的结果。大尺度天气背景分析结果显示，在2021年7月20日08时500 hPa天气图上，海上副热带高压中心位于日本海，588 dagpm脊线南边界位于31°N，副热带高压南侧“烟花”台风处于加强过程中，郑州西部出现中心为584 dagpm的低涡，郑州位于低涡东部，其北侧有-7 ℃的冷中心(图3a)。850 hPa图上，郑州附近存在一个低空低涡，测站上空东南风为14 m/s，t-td小于2 ℃的湿区(图3b中绿色曲线区域)与500 hPa低压位置相对应，副热带高压南侧与6号台风“烟花”之间的东风气流加强，将东海的水汽输送到河南，为郑州极端暴雨提供丰沛的水汽来源(图3b)。地面图上郑州南侧为东北风和东南风的风向切变。

极端暴雨最强时地面中尺度风场显示，20日15时前，郑州地面一直为东风控制，15:20开始，郑州地面转为偏北风，说明强降水发生时有弱冷空气侵入郑州上空。16-17时，郑州地面风场为北风或西北风，在郑州的东南侧为东南风，郑州附近存在北风或西北风与东南风的强地面辐合(图3c)。在前期暖湿空气控制和水汽输送充足的条件下，一旦遇到弱冷空气侵入和地面辐合加强，就会产生强烈的对流上升运动和强降水。到17时，郑州附近转为一致的东北风，降水强度比前16时的明显减小。

分析20日08时郑州的T-lnp图(图3d)发现，400 hPa以下大气接近饱和，近地面为东北风，925-300 hPa为东南风或南风，0 ℃层高度为6.6 km，-20 ℃层高度为8.9 km，对流有效位能(CAPE)为685.3 J·kg-1。本次大暴雨发生时，CAPE为中等，大气层结具有上冷下暖的对流不稳定，郑州850 hPa风速为14 m/s，属于低质心型的暖区对流暴雨。

图3 2021年7月20日08时500 hPa(a)、850 hPa(b)天气形势和16:40郑州附近地面风场和海平面气压(c)、08时郑州探空图(d)(a)(b)中黑实线为等位势高度线，红色虚线为等温线，D为低压中心，G为高压中心，N为暖中心，L为冷中心；(b)中绿色曲线所围区域为t-td小于2 ℃的湿区

2.3 多普勒天气雷达资料中尺度特征分析

2021年7月20日08时-21日08时商丘多普勒雷达组合反射率因子的演变显示，郑州受30 dBZ以上的降水回波影响，其间不断有对流系统生成发展。20日15:42郑州有一中尺度对流系统生成并发展，16:06该中尺度对流系统最大反射率因子大于55 dBZ(图 4a)，到16:30，该回波范围扩大，且一直维持在郑州附近(图 4b)，此时是郑州降雨强度最大的时刻，1 min最大降雨量出现在16:38-16:39。分析显示，16:06-17:30中尺度对流系统大于55 dBZ的强回波强度大，持续时间长，造成郑州出现罕见的1 h降雨量和城市暴雨灾害。

图4 2021年7月20日16:06(a)、16:38(b)商丘多普勒雷达组合反射率因子

3 雨滴谱特征

3.1 雨滴谱和积分参数演变特征

图 5为雨滴谱N(D)和积分参数随时间的演变。降水过程存在很多降水强中心，对应小粒子(直径小于1.0 mm)较高的粒子数密度及较大的粒子谱宽(图 5a)。20日12-20时有3个强降水中心(图 5b)，13:15雨强极大值为150.1 mm·h-1，此时0.562 mm小粒子的数密度最大，为4614.4 m-3· mm-1，同时存在直径为6.5 mm的大粒子。18:51前后也有一强降水中心，最大雨强为96.5 mm·h-1，该降水中心小粒子数密度偏小，最大为3271.4m-3· mm-1，最大粒子直径为6.5 mm。15:25-17:38是本次过程主要中尺度对流系统的降水时段，其中15:45-17:10的雨强大于100.0 mm·h-1，而16:02-16:55的雨强大于200.0 mm·h-1，是核心强降水时段，最大雨强为324.7 mm·h-1，比自动站观测结果282.0 mm·h-1略大一些。核心强降水时段,小粒子数密度大于4000 m-3· mm-1，最大为8587.1 m-3· mm-1，出现在16:42，此时雨强为247.9 mm·h-1。1～3 mm中粒子数密度为400～4000 m-3·mm-1，3～5 mm的较大粒子数密度为10～300 m-3·mm-1，大于5 mm的大粒子数密度也较大，最大粒子直径为7.5 mm。

雨水含量W与雨强I具有基本一致的演变趋势(图5b)。大雨强一般有大的雨水含量，但也不完全一致。如最大雨强为324.7 mm·h-1时的雨水含量为12.86 g·m-3，雨滴浓度为6440.3 m-3，而次最大雨强为317.2 mm·h-1时的雨水含量为13.18 g·m-3，雨滴浓度为6882.0 m-3，后者包含更多雨滴。雨滴浓度NT与雨强I演变趋势稍有不同，雨滴浓度大值经常出现在极大雨强之后，如13:15有极大雨强150.1 mm·h-1，雨滴浓度为3063.8 m-3，其后1 min的雨强为134.7 mm·h-1，雨滴浓度为3598.0 m-3。同样，本次过程最大雨强时的雨滴浓度也比其后面的次大雨强的雨滴浓度低。主要原因是雨强增大阶段的上升气流可以导致小雨滴减少，所以雨滴浓度偏少，这与飑线的有关研究结果类似[30-31]。

γ分布的3个参数N0、λ和μ随时间的演变显示(图略)，雨强较小时，3个参数数值比较大，起伏变化比较明显，主要原因是雨强较小时谱宽较窄，粒子数密度较低，利用阶矩方法计算的3个参数数值比较大。雨强较大时，3个参数的数值较小，起伏变化不大，参数λ和μ变化趋势比较一致，N0与λ、μ的变化不一致。15:45-17:10的雨强大于100.0 mm·h-1，此时段初始，形状因子μ小，存在负值，斜率λ也比较小，而N0比较大，表明雨滴谱中有较多的小粒子和大粒子，雨滴谱谱型是向上凹的。然后μ变为正值，并逐渐增大，同时λ也逐渐增大，表明小粒子和大粒子减少，中等大小粒子增多，所以曲线向下凹，即γ分布的形状因子μ为正值。

3.2 雨滴谱参数统计特征

图 6为不同大小粒子对雨滴总浓度和总雨量的贡献。由图 6可以看出，小雨滴(D<1 mm)对雨滴总浓度的贡献为45.4%，但对总雨量的贡献比较小，为4.2%。直径为1～2 mm的雨滴对雨滴总浓度也有较大的贡献，为39.3%，对总雨量的贡献较大，为25.0%。2～3 mm的雨滴对雨滴总浓度贡献不大，为12.1%，而对总雨量有最大贡献，为36.7%。3～4 mm的雨滴对雨滴总浓度贡献仅有2.6%，但对总雨量有第三大的贡献，为22.2%。4～5 mm的雨滴对雨滴总浓度贡献只有0.5%，对总雨量的贡献为9.0%。大于5 mm的雨滴对雨滴总浓度的贡献可以忽略，仅有0.071%，对总雨量的贡献也是最小，为2.9%，但不可忽略。总的来看，本次降水过程小粒子对雨滴总浓度有主要贡献，直径小于2.0 mm的粒子对雨滴总浓度的贡献为84.7%；而1～4 mm的粒子对总雨量有主要贡献，为83.9%，其中2～3 mm的中粒子对总雨量贡献最大，为36.7%。

图5 2021年7月20日08时至21日08时郑州站雨滴谱N(D)(a)、雨强I、雨水含量W和雨滴浓度NT(b)的逐时演变

图6 2021年7月20日08时至21日08时郑州站降水雨滴谱不同大小粒子对雨滴总浓度和总雨量的贡献

不同雨强的平均雨滴谱分布见图7。本次过程有极大雨强，所以根据雨强将雨滴谱分成9类。雨强小于2.0 mm·h-1的微弱降水的平均雨滴谱谱宽最窄，小粒子的峰值浓度也最小。雨强在2～5 mm·h-1、5～10 mm·h-1的弱降水的谱宽逐渐增大，粒子数密度也增大，并且大于3 mm的较大粒子数密度增加的更明显，这显示雨强增大更多是较大粒子的贡献。10～20 mm·h-1、20～50 mm·h-1强降水的雨滴谱直径小于2.0 mm的小粒子数密度增加的较小，而大于3.0 mm的较大粒子的数密度增加得较快，这一特点在50～100 mm·h-1雨强的平均谱表现得更明显，该类雨强的平均谱谱宽达到最大7.5 mm，随着直径增大粒子数密度很快增大，这表明雨强的增大主要受大粒子浓度增加所影响。雨

图7 2021年7月20日08时至21日08时郑州站9类不同雨强平均雨滴谱分布特征雨强单位：mm·h-1

强大于100 mm·h-1的3类平均雨滴谱，小粒子、中粒子和大粒子的数密度几乎同样增加，表明雨强的增大是各种尺度粒子同时增大所导致的。

图8是γ分布的3个参数与雨强之间的散点图。3个参数在雨强小于10.0 mm·h-1时数值都比较大，也比较分散。雨强大于10.0 mm·h-1时数值比较集中。可以看出，雨强为10.0～100.0 mm·h-1时，随着雨强增大，N0、λ和μ都是逐渐减小的。雨强大于100.0 mm·h-1时，3个参数随着雨强增大有不一样的变化特征：N0是略微增大的趋势；斜率λ在雨强100～200 mm·h-1时是增大趋势，雨强大于200 mm·h-1后是略微减小趋势；形状因子μ与斜率λ变化类似，雨强在100～200 mm·h-1时是增大趋势，雨强大于200 mm·h-1时比较稳定。由于在极大雨强(>100 mm·h-1)时平均雨滴谱随着雨强增大，不同直径的粒子数密度几乎同时增大，所以形状因子μ和斜率λ趋于稳定，截距参数N0稍有增大。

You等[32]统计分析韩国雨滴谱资料，发现釜山(Busan)雨滴谱截距参数N0和斜率λ随着雨强增大是逐渐减小的，而昌源(Changwon)的是逐渐增大趋势。Zhang等[33]分析安徽一次飑线过程雨滴谱资料发现，雨强在100 mm·h-1左右时截距参数N0基本为常数。本次过程γ分布的3个参数随着雨强增大的变化比较复杂，指示不同雨强降水形成的微物理机制可能是不同的。

图8 2021年7月20日08时至21日08时郑州站降水雨滴谱γ分布的截距参数N0(a)、斜率参数λ(b)、形状因子μ(c)与雨强的散点图N0取以10为底的对数

4 结 论

利用郑州降水现象仪资料，结合新一代多普勒雷达和常规观测资料，分析了郑州2021年7月20日特大暴雨的微物理特征，主要结果为：

(1)本次特大暴雨是受弱冷空气和6号台风“烟花”北侧东南气流共同影响造成的，深厚的暖湿空气、上冷下暖的对流不稳定大气层结、郑州附近地面东南风与西北风的强辐合利于强降水的发生和维持。暴雨期间，大于55 dBZ的强回波持续时间长，造成了郑州罕见的极端强降水。

(2)本次暴雨过程中小粒子对雨滴总浓度有主要贡献，直径小于2.0 mm的粒子的贡献为84.7%；而1～4 mm的粒子对总雨量有主要贡献，为83.9%，其中2～3 mm的中粒子对总雨量贡献最大，为36.7%。

(3)不同雨强的平均雨滴谱分布特征差异较大。雨强小于10 mm·h-1时，随着雨强增大，雨滴谱谱宽增大，粒子数密度增大；雨强为10～100 mm·h-1时，随着雨强增大，较小粒子(直径小于2.0 mm)的数密度增加较小，较大粒子(直径大于3.0 mm)数密度明显增加，同时谱宽不断增大到最大的7.5 mm，表明雨强的增大主要受大粒子浓度增加所影响；雨强大于100 mm·h-1时，随着雨强增大，雨滴谱小粒子、中粒子和大粒子的数密度几乎同时增加，表明雨强的增大是各种尺度粒子同时增大所导致的。

(4)γ分布的3个参数特征随雨强增大表现不同。雨强为10.0～100.0 mm·h-1时，随着雨强增大，N0、λ和μ都是逐渐减小的，这与平均雨滴谱的变化特征相一致，由于较大雨滴增加得更快，所以斜率λ和形状因子μ都减小。雨强>100.0 mm·h-1时，3个参数随着雨强增大变化较小，斜率λ和形状因子μ倾向于固定数值。

本次罕见的特大暴雨降水强度大、持续时间长，为深入研究该类暴雨形成的微物理机制和特征提供了基础。本文初步分析了雨滴谱统计特征，下一步需要综合双偏振雷达等观测资料，深入分析暴雨云系的垂直结构特征和粒子形成的微物理机制。