兴安盟一次暴雨过程的雨滴谱特征分析

    闫文辉

    利用兴安盟索伦气象站内地面观测翻斗雨量计和ZBT-LR-01激光雨滴谱仪采集数据，同时结合高空探测和天气雷达资料，分析2017年8月3日暴雨过程的雨滴谱特征。分析显示：低空急流输送的水汽配合高空西风槽和切变线的共同作用，为本次降水提供了有利条件;雨强、雷达反射率因子、粒子个数和直径都有很好的对应关系，随时间的变化趋势是相似的;粒径1.5-1.75mm的雨滴是雨量、雨强和雷达反射率因子的主要贡献者，但粒径>2mm的雨滴对雨量和雨强的贡献率比对总个数的贡献率大近5倍。

    2017年兴安盟出现了历年少见的春夏连旱，导致土壤干裂，地质脆弱，突遇暴雨，极易发生旱涝急转，出现泥石流、滑坡等地质灾害，对人民生命财产造成重大损失，防灾减灾对气象工作提出了更高要求。随着气象科技的发展，针对暴雨的分析和研究逐渐扩展深入。康岚等人通过卫星云图特征对四川地区暴雨天气进行了分析;纪晓玲等通过中小尺度系统分析对宁夏一次突发暴雨进行研究;胡文东等利用多普勒雷达资料对降水进行分析;杨长业等人对夏季降水过程按照强度进行分类，对降水微物理变化特征进行分析;江新安等对伊犁河谷汛期一次短时强降水雨滴谱进行特征分析发现，0-2mm之间的雨滴谱浓度占总浓度的92%，对雨强的贡献达到75.1%，这个尺度范围的雨滴是降水的主体，降水过程雨滴的尺度变化很大，但雨滴浓度并不是影响雨强的决定性因素;傅佩玲等人研究发现，降水雨滴谱在高湿环境中表现为暖性降水的特征（小雨滴浓度非常高），但同时存在部分大粒子，从而导致更高的降水效果和局地强降水;周黎明等研究发现暴雨雨滴谱很宽，均有7-8mm的特大滴出现，随着降水强度的增大，雨滴谱谱宽变大且各档雨滴浓度增加。本文通过把现有的各种观测资料融合，充分研究兴安盟地区暴雨的微物理过程和特征分布，进而为提高预报预警工作提供有效的参考。

    一、观测仪器和资料说明

    ZBT-LR-01激光雨滴谱仪是2016年兴安盟引进的主要应用于防汛抗灾、气象监测等应用领域，其功能是对降水进行实时监测。安装在兴安盟索伦国家基准气候站内，与自动站翻斗雨量计（SL3-1）相距小于10m，尽量减少因仪器距离产生的对比误差。雨滴谱可以观测到的直径范围0.2mm-25mm、降水强度范围0.005mm/h-250mm/h，降水量的分辨率是0.001mm，测量间隔是10s。

    本文利用2017年8月3日兴安盟索伦国家基准气候站雨滴谱仪、翻斗雨量计、高空L波段雷达资料，同时结合天气雷达资料，对此次降水过程进行分析。

    本文按照GB/T28592-2012，把2017年8月2日23：58到8月3日3：07降水量为35.3mm的过程记为暴雨。

    二、天气形势

    索伦处于高空槽前暖区，夜间高空槽在东移过程中由于后部弱冷空气的补充，强度增强，槽前上升运动增强。低层从渤海湾有一只低空急流向北輸送水汽和暖空气，为降水提供了有利的水汽和不稳定条件。

    3L波段探空雷达演变特征：

    从降水时段索伦探空显示，本次降水对流性质显著，湿层从地面扩展到400hPa，低层暖平流明显，抬升凝结高度到0度层之间的高度在4.5km左右，暖区降水性质显著，而0度层和-20度层高度较高，湿层已经很深厚，且有一定的不稳定能量储存，在夜间切变线的抬升作用下，不稳定能量将会释放，产生短时强降水天气。

    三、降水过程分析

    1、雨滴谱和自动站翻斗雨量计分钟雨量对比

    由于雨滴谱仪和自动站翻斗雨量计的精度不同，雨滴谱的采样间隔为10s，所能测量的最小量值是0.001mm;而自动站翻斗雨量传感器的采样速率是1min，分辨力是0.1mm。同一降水过程，雨滴谱仪观测到的降水开始时间优先于翻斗雨量计观测到的降水开始时间。从分钟降水量看，自动站翻斗雨量计比雨滴谱有一定的滞后性，但降水过程累积量仅相差2.1%。

    2、雨滴谱演变特征

    2016年兴安盟引进ZBT-LR-01激光雨滴谱仪，可实现降水的连续自动观测，每10s即可获取一组降水强度、粒子个数、直径、降水量（包括累计降水量）、雷达反射率因子等要素。本文基于这些数据，分析2017年8月3日一次暴雨过程的雨滴谱特征，从而充分研究兴安盟地区暴雨的微物理过程和特征分布，为提高预报预警工作提供有效的参考。

    ①特征参量

    表1给出了本次暴雨的各特征参量，雨滴浓度在104量级，平均直径1.617mm，直径小于3mm的雨滴粒子占总个数的99.99%。

    ②雨强、雷达反射率因子、粒子个数和直径随时间的变化特征

    2017年8月3日00时至03时雨强、雷达反射率因子、粒子个数和直径随时间的变化特征。雨强、雷达反射率因子、粒子个数和直径都有很好的对应关系，随时间的变化趋势是相似的。雨强变化显著，从采集到雨滴粒子到雨强达到301.3mm/h，只有短暂的17分钟，雨强持续超过80mm/h的仅3分钟，雨强10-25mm/h占总雨强的51.3%，降水过程的平均雨强12.67mm/h.;雷达反射率因子和雨强的大值区出现在相同的时间段，峰值达85.77dBz;除0：37-1：05和2：47-3：00时段内雷达反射率因子低于30dBz，其他时段大多维持在45dBz左右;雨强大，降水粒子密集，在雨强较大的0：12-0：37时段内，降水粒子15526个，占总个数的25.67%;在雨强较小的0：38-1：07和2：41-3：00时段内，降水粒子分别是1741个和752个;粒径在初期出现先增后减，再回弹，后逐渐趋于平稳，直到降水快要结束，零星出现大雨滴;雷达反射率因子超过50dBz，粒径>1.5mm;但在降水过程快结束的一段时间内，粒径>1.5mm，雷达反射率因子也只有20dBz左右。

    ③不同粒径雨滴对总个数、雨量、雨强和反射率的贡献率

    ZBT-LR-01激光雨滴谱仪可采集32等级粒子直径，根据本次降水粒子的直径范围，能获取降水粒子的通道有10个，为了分析不同粒径的雨滴对个数和雨量的贡献，将雨滴按粒径通道划分开。

    不同粒径雨滴对雨量和雨强贡献率几乎完全吻合，1.5-1.75mm的降水粒子是所有参量贡献率的峰值。这与陈磊等[11]研究的梅雨锋暴雨过程中小于1mm的粒子占总个数比例最大，而1-2mm的粒子对雨强贡献率最大的结论有所不同。出现这种差异的原因可能是：本次降水过程持续时间较短，降水集中，粒径<1.5mm的雨滴对个数、雨量、雨强和反射率都比较小，只占0.01%-13.08%;1.5-175mm的雨滴粒子，分别占总个数的59.58%、总雨量的49.29%、总雨强的49.34%和总反射率的49.70%;粒径>2mm的雨滴对雨量的贡献率比对总个数的贡献率大近5倍，也就是说，2.486%的>2mm的雨滴贡献了11.676%的降水量。可见，大雨滴对雨量和雨强的贡献极大。

    四、结论

    1、本次降水过程是在高空槽、切变线和低空急流的共同作用产生，比湿达到12-14g/kg，L波段探空雷达资料显示，湿层深厚，低层暖平流明显，降水对流性质显著。

    2、自动站翻斗雨量计要比激光雨滴谱仪滞后约10min、雨量偏大约2.1%。

    3、雨强、雷达反射率因子、粒子个数和直径都有很好的对应关系，随时间的变化趋势是相似的。

    4、1.5-1.75mm的降水粒子是雨强、雷达反射率因子和个数贡献率的峰值，粒径>2mm的雨滴占总个数的2.486%，却占雨量11.676%、雨强的11.7%。

    （作者单位：137400内蒙古乌兰浩特市兴安盟气象局）