遂宁降雨动能的探索性分析

胡 兵,张 玲,张 敏,吴 容

(1.四川省遂宁市气象局，四川 遂宁 629000；2.四川省防雷中心，四川 成都 610072)

0 引言

降雨动能是土壤侵蚀的重要原因，大量使用于降雨溅蚀土壤的计算、评价等工作。雨滴击溅和径流，是水滴侵蚀土壤的动力。雨滴具有较大的能量，对土壤颗粒有很大的打击力。水土流失的程度和降雨的特点具有一定的关系。雨滴谱特性主要指雨滴的直径、组成分布、降落末速度和动能。雨滴直径决定了降落雨滴的质量和速度，从而决定了雨滴所具有的动能。常见测定雨滴直径的方法有雷达观测法、摄影法、浸入法、面粉法和滤纸色斑法。①雷达观测法:用雷达能大面积粗略地观测雨滴粒径。②摄影法:在显微镜下测量经高速摄影机拍好的雨滴的直径。③浸入法:测量容器中油里的水珠来确定雨滴的直径，对大雨滴不适用。④面粉法:根据雨滴滴入面粉所形成粉团的重量来确定雨滴大小，不适用于测量粒径太小的雨滴。⑤滤纸色斑法:通过测量雨滴在滤纸上留下的色斑大小推测雨滴直径。由于测量技术粗略，雨滴直径和下降末速度存在较大误差。雨滴末速度的测定也不是直接测定，而是根据经典力学，用雨滴的直径来粗略估测。

与以上方法不同，DSG4降水类天气现象仪对降水过程进行连续观测，自动测量、记录雨滴的个数，以及每个雨滴的直径、末速度。激光测量的区域为54cm，粒子直径范围为0.062～24.5mm，共32个等级；速度范围为0.05～20.8m/s，共32个等级。降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因子,计算降雨动能是进行水土流失定量评价的基本工作之一。利用DSG4降水类天气现象仪的雨滴谱资料计算小时降雨动能，对促进涪江流域沿岸的水土保持有一定的积极意义。

1 资料和方法

1.1 资料来源

遂宁国家基本气象站DSG4降水类天气现象仪的核心元件采用Parsivel2激光降水粒子谱光学传感器，对雨滴谱原始矩阵要素数据进行采集。雨滴谱指单位体积内雨滴的数量随其直径的分布。降水的云状不同，相应的雨滴谱也有区别，一次降水过程中也会有雨滴谱的变化。雨滴谱原始矩阵要素数据表1 d 1个文件，文件首行为资料信息，从第2行起每1行存储1 min的雨滴谱数据及其质控码，1行有5126个字节：时间信息占4个字节，32行速度和32列直径共占4096个字节，质控码共占1024字节，回车换行2个字节。文件存储于ISOS地面综合观测业务软件的dataset省名区站号AWSweather雨滴谱Minute目录下。本文所用数据筛选遂宁国家基本气象站2020年10月4日02—08时、5月21日02—12时、9月17日00—10时、7月10日09—17时、7月30日04—15时的雨滴谱数据，计算小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨降水强度下的小时降雨动能。

表1 2020年10月4日小雨降雨动能、雨滴平均直径、速度、数目

1.2 资料预处理

ISOS地面综合观测业务软件雨滴谱原始矩阵要素数据文件占7M多存储空间，数据量大，且没有结构化，无法直接用于计算分析。为此开发基于C语言的雨滴谱数据预处理程序，步骤为：首先去除首行信息、每行的时间标记及其质控码，然后分别在原始数据的每第4个字节后插入空格，每第32个字节插入分号，最后形成以空格和分号为分隔符的结构化数据文件，共5120字节，相较于原文件少了6个字节。将预处理后的结构化数据文件导入到数据分析软件中，以备后续计算。图1为雨滴谱数据预处理程序的主要C语言源程序代码。

1.3 分析方法

根据通用的动能计算公式，每个降雨粒子速度平方的一半，乘上该粒子的质量，由于量值较小，单位以10J表示。其中,为降落速度，单位为m·s；为粒子直径，单位为mm;为密度，单位为g·cm。

雨滴动能通用计算公式：

2 计算降水动能

降雨动能是表征降雨侵蚀能力的一个重要指标，广泛地用于土壤侵蚀模型研究。经处理后的雨滴谱分钟数据，经空格和分号识别，导入数据分析软件后存储为1个n×1024的矩阵。剔除矩阵数据中的异常错误数据后将小时内的分钟数据进行行相加，得到该小时的1×1024的矩阵，再使用数据分析软件的reshape函数将1×1024矩阵转为32×32矩阵,并将其进行转置，得到的列为32个雨滴直径通道，行为32个雨滴速度通道。每列的数值乘上该列质量的一半，列相加后与速度的平方矩阵相乘，计算出小时的降雨动能总值。

3 5种降雨强度对比分析

按照上文计算降水动能的方法，分析2020年10月4日02—08时、5月21日02—12时、9月17日00—10时、7月10日09—17时、7月30日04—15时的雨滴谱数据，计算出5种降雨强度下的降水动能。表1～5分别为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨降水实况下，雨量、雨滴数、雨滴平均直径、雨滴平均末速度、降雨动能的具体数据。由此对比分析得出降雨动能与小时雨滴数目、雨滴平均速度、直径、雨量成正相关。同时，不同季节，不同云类，其雨滴直径区别较大，极大影响降雨动能的大小。

表2 2020年5月21日雨降雨动能、雨滴平均直径、速度、数目

表3 2020年9月17日大雨降水动能、雨滴平均直径、速度、数目

表4 2020年7月10日暴雨降水动能、雨滴平均直径、速度、数目

表5 2020年7月30日大暴雨降水动能、雨滴平均直径、速度、数目

4 结论

降雨动能参数与侵蚀土壤关系密切，传统测量方式较为粗略，本文以精确计算的方法研究遂宁地区的降雨动能，对水土流失定量评价有一定的作用。用实际的高精度测量数值，计算在各种降水强度下的小时降水动能，分析出5种降水强度下，降雨动能差别较大，降雨动能与小时雨滴数目、雨滴平均速度、直径及雨量成正相关，不同季节，不同云类，其雨滴直径分布区别较大，极大影响降雨动能的大小。通过进一步结合遂宁涪江流域沿岸的水土流失降雨动能阈值，对水土保持及其预警工作有一定的作用。不足之处在于，降水类天气现象仪采样高度距观测场地面2 m，测量的雨滴直径、速度与掉落到地面时的直径、速度有一定的差别，如果要更加准确分析降雨侵蚀力，需要考虑雨滴的重力势能等因子。