春季粤北地区降水微物理特征分析

何松蔚，高建秋，钟建洪，余小嘉，李琪，李铸杰

（1.广东省突发事件预警信息发布中心，广东广州 510640；2.韶关市气象局，广东韶关 512026）

降水是大气-水循环的重要环节，降水分布具有显著的时空差异特征。许多学者指出天气系统、云微物理过程、下垫面是影响降水过程的重要因素［1-3］，其中，云物理过程直接影响降水粒子特征，不同降水粒子特征可以反映不同云系演变特征以及微物理参量与天气系统的关系［4］。因此探讨降水粒子的特征对揭示降水微物理过程有重要意义。

雨滴谱是降水粒子特征的重要指标，表征单位体积内不同尺度的雨滴数量的分布特征。不同降水类型［1，3］、不同天气系统、不同降水阶段［2］、不同类型云系［4］、不同高度［5-6］的雨滴谱特征均不同。对流云降水中大雨滴对雨强贡献显著，层状云降水对雨强贡献的主要是小雨滴。降水消亡阶段，小雨滴贡献率大［1］。弱降水，雨滴下落过程中小雨滴明显减少，蒸发作用影响大，而强降水的大雨滴浓度增加，小雨滴数浓度减少，碰并作用明显［7］。通过雨滴谱特征可以反映降水云系和降水机制，因此雨滴谱是研究云物理特征的重要手段。另外，雨滴谱资料常运用于人影效果检验，且雨滴谱特征在改进云物理方案、减小雷达估测降水误差［8］等方面具有重要意义。

广东省受冬、夏季风影响显著，其降水具有显著的季节性特征，春季易发生干旱［9-10］，研究广东春季的降水特征可以为春季人工增雨提供较好的理论基础［11］。另外，粤北地区位于广东最北部，是重要的生态涵养地，具有较好的自然下垫面特征，因此讨论粤北地区雨滴谱特征是认识低纬度季风影响地区的自然下垫面降水特征的重要途径。

1 数据与方法

本研究利用2020年2—3月粤北仁化（57989）、乐昌（57988）2个站点激光雨滴谱仪观测记录进行分析，采样时间1 min、采样面积54 cm2，激光雨滴谱仪共有32个粒径通道和32个速度通道，粒径测量范围在0～22.4 mm，下落末速度测量范围在0～26 m／s。雨滴谱密度N（D）（mm-1·m-3）、雨强（I）（mm／h）、雷达反射率因子（Z）（mm6／m3）的计算分别见式（1）—式（3），其中A（m2）、Δt（s）、vj（m／s）、n（个）、Di（mm）、ΔDi（mm）分别表示激光雨滴谱仪的采样面积、采样时间、下落末速度、总粒子数、粒径、粒径间距，i、j分别表示粒径通道和速度通道，取值范围为1～32。为减少噪音干扰，对每分钟采样雨滴数少于10个或雨强小于0.1 mm／h的观测值进行剔除［12］。另外，本研究参考Chen等［12］根据雨强和雨强标准差划分对流性降水和层云降水的标准，统计分析7次降水过程对流性降水和层云降水的贡献率。

2 粤北春季降水微物理特征

2.1 典型天气系统降水特征

表1是春季粤北7次降水过程的影响系统。从表1可以看出，2月3和4日低层大气层结较稳定，南风较弱，水汽条件不足，热、动力条件不利于产生强降水。切变线移动速度较慢，准静止锋在南海停滞，天气系统较稳定，弱降水持续时间较长，强度较均匀，以层云降水为主，平均雨强小于1.0 mm／h。3月3日，影响降水的主要天气系统为切变线，层云降水贡献率大于60%，平均雨强小于1.0 mm／h。2月14至15日主要影响降水的天气系统是锋面低槽，有不稳定能量积累，平均雨强为3.8 mm／h，最大雨强为33.1 mm／h，对流性降水贡献率大于50%。3月12和29日主要影响降水的系统是西南急流，水汽丰沛，降水维持时间较长，对流性降水贡献率比层云降水贡献率大。3月18日高空槽自西向东快速影响粤北地区，有不稳定能量积累，产生短时强对流降水，降水强度大，高空槽迅速过境后，不稳定能量释放，降水强度迅速减小，平均雨强为1.6 mm／h，最大雨强可达33.4 mm／h对流性降水贡献率占比大。

表1 春季粤北7次降水过程的环流形势

有研究指出，广东春季有利于降水的理想天气系统配置为地面冷空气、低层切变线或辐合，高空槽等［13］。本研究选择的7次典型降水过程中，影响降水的天气系统主要有高空槽、西南气流、切变线以及锋面系统。根据降水贡献率将7次降水过程划分为3类（表2）：层云降水（层云降水贡献率大于50%或仅能识别出层云降水的过程，2月3、4日，3月3日）；对流性降水（对流性降水贡献率大于50%，2月15日）；混合性降水（除了上述两类外的过程，3月12、18、29日）。

从表2可以看出，层云降水平均雨强小于1.0 mm／h，混合性降水的平均雨强＜2.0 mm／h，对流性降水的平均雨强＞2.0 mm／h。另外，层云降水和混合性降水的平均数浓度相差较小，但雨强差异大。在混合性降水中，对比3月18和29日过程，18日平均数浓度较小，但平均雨强大。这些特征说明对于该次混合性降水，数浓度并不是影响雨强大小的主要因素［1］。

表2 不同尺度雨滴的雨强贡献率 %

层云降水过程和混合性降水过程的温度廓线显示低层多存在明显逆温（图略），近地层200 m左右相对湿度较小（图略）。层云性降水过程，大气层结稳定，而混合性降水有不稳定能量积累。对流性降水过程无明显逆温层（∂t／∂z＜0），且有不稳定能量累积。

2.2 3类降水雨滴谱分布特征

不同尺度的雨滴对降水的贡献不同，本研究参考柳臣中等［1］对雨滴分类方法，将雨滴按直径分为3级：小雨滴（D1≤1 mm）、中雨滴（D2≤2 mm）、大雨滴（D3＞2 mm），3类降水过程大、中、小雨滴雨强贡献率（I3／I、I2／I、I1／I）如表2所示。由表2可以看出，层云降水时，以小雨滴贡献为主，数浓度占比大于90%，雨强贡献大于35%；大雨滴数浓度占比很小，雨强贡献小于10%。混合性降水过程中，大雨滴数浓度占比虽小，但雨强贡献较明显；在3月18日过程中，大雨滴数浓度占比仅约为1%，雨强贡献率为35.7%。以对流性降水为主的过程中，小雨滴数量仍占优势，但雨强贡献小，大中雨滴数浓度占比18.1%，雨强贡献大，为86.1%。

由层云降水过程中雨强和单位采样时间雨滴数随时间的演变情况（图1）可见，雨强随时间的变化特征与雨滴数随时间的变化情况相似，雨滴数的波峰和波谷与雨强基本对应。另外，结合2.1节可知，3次层云降水过程中平均数浓度较大的情况下，雨强较大，因此影响层云降水雨强大小的主要因素可能是雨滴数［3］。程中，影响雨强大小的主要因素可能是雨滴数［3］；存在对流降水的过程中（包括对流性降水和混合性降水），影响雨强大小的重要因素是大雨滴［1］。

图1 2月3日层云降水过程中雨强和雨滴数随时间的演变特征

不同降水类型具有不同雨滴谱分布特征［12］。图2是粤北3种类型降水的平均雨滴谱特征，其中层云降水雨滴谱表现为单峰结构；混合性降水和对流性降水的雨滴谱表现为多峰结构，3类降水的最大粒径峰值均在0.2～0.3 mm范围。层云性降水雨滴谱最窄，小雨滴数浓度占比大，雨滴平均直径、有效直径较小；混合性降水雨滴谱宽比对流性降水小；对流性降水谱宽最大。对流性降水过程，锋面整层抬升提供了有利动力条件，且低层西南气流带丰富水汽，有利于云滴凝结增长；降水云系较厚，根据雷达剖面图和探空垂直温度廓线可知，冷锋过程有冰相过程，有利于雨滴冰相增长，雨滴谱拓宽。

图2 层云降水（a）、混合性降水（b）和对流性降水（c）的雨滴谱分布以及M-P拟合、Gamma拟合结果

另外，大气垂直结构为条件性不稳定，抬升外力强，有利于对流发展，对流降水贡献率大。雨滴谱的偏度大于0，谱型向大滴端偏，这与2.1节中对流性降水中大粒子的数浓度大结论一致。混合性降水雨滴谱型与对流降水相似。

综合以上分析可知，在以层云降水为主的过

本研究对春季粤北地区3类降水类型进行M-P分布［14］和Gamma分布拟合［15］，M-P分布N（D）＝N0·exp（-λD）和Gamma分布N（D）＝N0·Dμ·exp（-λD），其中，N0、μ和λ分别为描述雨滴数浓度、谱分布的重要参数，拟合结果见图2。3类降水过程中，在小雨滴部分，Gamma分布拟合结果更接近实际情况，M-P分布拟合效果存在较大误差，大于1 mm 部分，M-P分布和Gamma拟合都能较好的模拟出雨滴分布趋势，Gamma分布拟合结果存在一定程度低估，M-P分布存在一定程度高估。整体而言，Gamma分布谱型更适合春季粤北地区降水。

以上3种降水类型的平均谱分布特征均出现尺度小于0.2 mm的雨滴数量很少的现象，尺度在0.2～0.4 mm范围的雨滴数浓度达到峰值。这一现象的出现，与降水微物理过程、大气边界层温、湿条件以及观测方式有密切关系。吴兑［16］对雨滴在云下蒸发的研究中指出，当∂t／∂z＜0，下落雨滴的蒸发率远比∂t／∂z＞0中下落小，小雨滴段明显不足，与蒸发过程有关。本研究选择的层云性降水过程中，低层大气多存在深厚逆温层，相对湿度小，雨滴蒸发率大，大部分较小的雨滴在下落过程中就已全部蒸发。混合性降水过程也存在逆温层，小滴段受蒸发作用的影响，数量较少。但由于水汽条件较好，有部分大雨滴形成，雨滴谱展宽。对流性降水由于存在较强上升运动，破碎过程重要［8］，0.2～0.5 mm的雨滴数浓度较大。由于600 m高度以下，随雨滴下落，相对湿度减小明显（-∂RH／∂z＜0），且1 000 m以下温度高于15℃，小滴段蒸发不可忽略。另外，此现象可能与观测条件有关，虽然激光雨滴谱仪对粒径的测量误差较小，但由于仪器信噪比原因，前两个通道的数据可能存在误差［17］。

春季粤北地区降水过程中，当低层南风弱，近地层湿度条件较差，且存在逆温层时，小雨滴蒸发作用重要，小于0.2 mm的雨滴数量很少。蒸发作用和观测误差是造成雨滴谱分布小滴端数量不足的重要原因。

2.3 3类降水的Z-I关系

不同类型降水有不同的雷达反射率因子和降水率（Z-I）关系，其对雷达估测降水影响显著。本研究将7次降水过程雨滴谱观测资料按第2.2节的结果分成3类，拟合出春季粤北地区降水的Z-I关系，见图3。粤北春季层云降水的Z-I关系为Z＝194.3I1.296；混合性降水的Z-I关系为Z＝72.77I1.97；对 流 性 降 水 的Z-I关 系 为Z＝173.9I1.452。其中，粤北春季降水的Z-I关系与中纬度地区层云降水［18］的Z-I关系较为接近，与华南地区夏季层云降水Z-I关系差距较大［18］。本研究拟合得到的3类降水的Z-I关系能更好的适用于春季粤北地区。

图3 层云降水（a）、混合性降水（b）和对流性降水（c）的Z-I关系拟合结果

3 结论

1）层云降水平均雨强小于1.0 mm／h，小雨滴数浓度占比大于90%，降水贡献率为39.7%，雨滴数是影响层云降水强度的重要因素；混合性降水平均雨强小于2.0 mm／h，大雨滴数浓度小但雨强贡献显著；对流性降水过程小雨滴数浓度占比大，但雨强贡献很小，主要雨强贡献为大于1 mm的雨滴。影响对流性降水和混合性降水雨强大小的重要因素是大雨滴。

2）不同降水类型具有不同雨滴谱分布特征，层云降水雨滴谱表现为单峰结构，雨滴谱窄，雨滴平均直径、有效直径较小。对流性降水雨滴谱为多峰结构，雨滴谱最大，谱型向大滴端偏。混合性降水雨滴谱较对流性降水窄，谱型分布特征与对流性降水相似。3类降水的滴谱峰值均在0.2～0.3 mm，且均是Gamma分布谱型拟合效果最优。近地面小于0.2 mm的雨滴数量很少，这与蒸发作用和观测方式有关。

3）不同类型降水有不同的Z-I关系，粤北春季层云降水的Z-I关系为Z＝194.3I1.296；混合性降水的Z-I关系为Z＝72.77I1.97；对流性降水的Z-I关系为Z＝173.9I1.452。