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1、4 2 第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议( 上册) 我国黄河上游地区秋季雨滴谱观测分析 马新成1王广河j游来光1王黎俊2何生存2 ( 1 中国气象科学研究院，北京1 0 0 0 8 1 ；2 青海省人工影响天气办公室，西宁8 1 0 0 0 1 ) 19 月1 0 日雨滴谱分析 1 1 观测资料 2 0 0 2 年9 月1 0 日，从1 4 点的雷达回波上看，河南县西南方有排列有序的积状云。由1 4 ：4 0 的 地面观测大片积雨云移至头顶。从1 4 ；4 2 开始降水，为间断性阵性降雨。此次为四个积雨云云团降 水，资料情况见表1 1 ( 略) ： 1 2 积雨云平均雨滴谱 图1
2、1 画出了此次积雨云降水的平均雨滴谱。青海省河南县积雨云未出现宫福久等人在沈阳测 的大于5 m m 以上的雨滴，尤其是7 m m 和8 m m 的特大雨滴，而这种特大雨滴，何珍珍等早在1 9 6 7 年 夏季在泰山已观测到。这种大于5 m m 以上雨滴的出现与云中垂直气流强、含水量大、云顶高度高、 负温度区厚等不无关系，这从另一个侧面也反映了黄河上游地区积雨云云中垂直气流速度相对平原 地区较小。此次在河南县观测到的积雨云的最大雨滴直径为4 4 m m 。雨滴直径在2 m m 4 4 m m 之 间出现了多峰结构，并且大滴多集中在直径3 m m 到4 m m 之间。而在直径2 8 m m 附近出
3、现了明显 的低谷区。反映出直径为2 8 m m 左右的雨滴在该次积雨云降水中相对较少，是什么原因造成的有 待进一步的研究。直径超过3 m m 的雨滴的空间浓度都明显比李艳伟等人在天山地区观测的多，且 大水滴方面未出现多峰结构。天山地区观测结果多在高山的峡谷区进行的，而河南县地处高原平谷 区，地形的差异对两地雨滴谱的观测结果可能有很大的影响。河南县本身海拔为3 5 0 0 m ，积雨云平均 底高为1 1 0 0 m 。此次观测的积雨云雷达顶高在距地4 K m 左右，虽然不高，但负温区较厚，冷雨过程在 降水中作用较大，这些有利于大雨滴的形成。 O123 图1 1河南县积雨云平均雨滴谱 ( 注：N
4、( D ) 的单位为m 一3 t r i m _ 。，D 的单位为m m ) 1 3 积雨云雨滴谱分布的演变 图1 2 选取9 月1 0 日1 4 ：4 2 1 5 ：0 5 和1 5 ：1 6 1 5 ：4 5 河南县积雨云两个时段降水的采样 资料绘制成图。其中相对应的采样时段分别为：1 4 ：4 4 1 5 ：0 0 和1 5 ：3 0 1 5 ：4 1 。 O O O O 1 1 ” ， “ S 1 一国家“十五”科技攻关项目主要研究成果 4 3 - 图1 29 月1 0 日河南县积雨云降水两个时段雨滴谱的演变 ( 注：横坐标为雨滴直径D ，单位：m m ；纵坐标为雨滴空间数密度N (
5、D ) ，单位：m _ 3 m m - 1 ) 图中大致描述出了该段时间河南县积雨云雨滴谱分布的演变过程。从1 4 ：4 4 开始滴谱图大体 上向大水滴方向移动。1 4 ：5 6 时达到最大。此时出现了这次降水的最大直径3 4 m m ，最大雨强 3 7 5 5 m m h ，由当时观测知有霰降落在试纸上。次后谱宽变窄，1 5 ：0 5 降水结束。同时在图1 2 中 还可以看出出现直径大于2 m m 的雨滴时，1 1 8 m m 间隔的雨滴数明显减少，有可能较大雨滴是由 碰并较小滴而形成的，但较大雨滴的破碎也可能贡献了其中的一部分，需要观测事实给予进一步的证 明。图1 4 的上图中1 4 ：5
6、 6 ( 即曲线8 ) 的雨滴谱，是观测到的霰落到滤纸上融化后得到的谱，这是冷 雨过程在该地区积雨云降水中占重要作用的一个证据。 同时，一个显著的特点就是在小于0 2 m m 的小滴处一直出现峰值。据实测的地面相对湿度显 示1 4 点和1 5 点的相对湿度均较低，分别为3 8 和5 1 ，这么低的相对湿度势必影响小雨滴数浓度。 相对湿度较大，在这种环境下小雨滴在落到地面之前就不易蒸发，也就是说更容易到达地面。这与实 测相矛盾。看来其他因素对小雨滴数量峰值的出现有着更重要的影响。据当时观测时的实测风速值 为1 8 m s ，查看根据国际上采用的由蒲福风级演变来的分级标准和陆地上常见的特征列出的蒲
7、福风 力等级表，该速度下的风化分为轻风，风力等级为2 。这么小的风速下就减少了大滴降落到滤纸上溅 散产生小滴，而这些小滴数目并非实际降落的小滴数目。从而可以进一步忽略大滴溅散所产生的小 滴数目的误差。可以粗略的认为小滴数浓度的峰值即为实际降水产生。从实测的雷达资料来看，当 时的积雨云云顶较低，基本距地约4 k m ；云底也较低。约1 1 k m 。由探空资料估计此时的0 高度在 距地约1 2 k m 。常规观测记录显示降水时段空中的云由多到少依次由C b c a p 、C u c o n g 、C u h u m 和F c 构成。一种猜测小滴浓度峰值主要由冷雨过程贡献。云下相对湿度较低，只有约
8、5 0 ，这样低的相 对湿度下，暖雨过程形成的较多小滴在还未落到地面就已经蒸发完毕，有可能是在云中形成了大量的 较大雨滴，而这些大量较大雨滴在如此低的相对湿度下，在下落过程再接着蒸发为大量小滴落到地 面，形成了观测到的小滴峰值。而要形成这么多大的大雨滴，就要求降水云云顶伸入到0 层以上的 很大的高度上，在云上部出现一定数量的冰晶，通过冰相凝华长大成为初始的降水元，再经进一步的 粒子间的碰并，最终生成降水粒子落下。而这个降水形成过程就是由冷雨过程主导的。同时实测的 雷达资料显示降水云主体的大部分都处在0 层以上。另外一种推断是从上面可以看出云体大部分 处在0 。C 以上，可能云中的冰粒子在克服上
9、升气流后随雨滴降落地面，除一部分长大形成大雨滴外其 他部分冰粒子虽然相对湿度较低，但环境温度较低，这样在下降过程中水气压对冰面来说还是相对饱 和，从而不易在下降过程比其他小雨滴被蒸发的概率就相对小，在接近地面时融化为小雨滴，从而对 小雨滴峰值给予了很大贡献。此外，雨滴在增长过程中的碰并增长有可能贡献图中的第二峰值，而碰 并过程中的破碎就有可能对小滴峰值的出现有所贡献。这些只是猜测，需要进一步的观测事实给予 证实。 由于积雨云降水雨滴谱起伏变化比较大，再加上取样时间过长，很难分析其演变规律特征，以上 4 4 第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议( 上册) 的分析只能是对其一般特征的初步分
10、析。 1 4 积雨云雨滴对雨强贡献和影响 根据河南县9 月1 0 日的四次积雨云降水计算了各档大小雨滴对雨强的贡献见表1 3 ( 略) 。由 表可见，当D 4 3 m m 对数密度的贡献只有0 0 0 7 8 和0 1 5 时，它对雨强的贡献就达到了1 2 7 和4 9 。从表中也很明显的看出一旦大滴数密度增大，对雨强的贡献马上向大滴方向转移。在没有 较大的雨滴出现的情况下，直径为D 1 I m m 的雨滴对雨强的贡献占绝对优势，如1 6 ：2 1 7 ：0 0 的 积雨云降水。从整体来讲对雨强的贡献主要以直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴为主。 图1 3 给出了直径为D 1 l m
11、 m 和直径为l m m D 2 2 m 的雨滴计算的雨强随时间的变化。由 于直径为2 m m 3 m m 的雨滴出现概率较小，所以未考虑它们对雨强的影 响。图中给出了从1 4 ：4 4 开始观测的3 6 个样本的演变。最上面的曲线代表总雨强I 。由图可见， 无论是直径为D 1 l m m 还是直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴所产生的雨强起伏变化都较大。但 是，直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴的雨强与总雨强的起伏的变化基本一致。从计算结果来看，直径 为D 1 l m m 和直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴的雨强与总雨强的相关系数分别为0 6 3 和0 8 4
12、 。 这从另一方面也说明了直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴雨强的起伏变化是总雨强起伏的主要影响因 素。从图中我们也不难看出雨强工2 有两处有明显的谷值。表现出与总雨强变化趋势明显的不一 致。如样本2 3 和样本2 6 。由观测资料知，样本2 3 中，直径为l m m D 2 2 m m 的雨滴只有一个，而 绝大多数都为直径为D 1 1 m m 的雨滴。在这种情况下，总雨强的大部分贡献当然来自直径为D 1 1 m m 的雨滴。再来看样本2 6 ，从观测资料看出直径为1 m m D 2 2 m m 的雨滴也只有一个，由 于出现了较多直径为2 m m 3 m m 的雨滴，承担了雨强的大部
13、分贡献，最终的结 果是出现了图中的情况。这也进一步说明了，旦出现一定数量的大雨滴，雨强的贡献将主要来 自于它们。 1 5 积雨云雨滴谱型的演变规律 这次积雨云降水虽然中间有间断，但持续较长，所收集的雨滴谱与其他几天的相比较完整。谱型 是指滴谱曲线的总的型式。根据收集的雨滴谱资料把谱型归类为以下四种，分别为：A ：单调递减谱； B ：单峰谱；C ：双峰谱；D ：多峰谱。“单调递减”是指滴粒愈大，则数密度愈小；“单峰”是指曲线的两端 数密度小，其间有一个数密度最大的峰值直径或半径；“双峰”是指曲线中有两个极大数密度直径或半 径；“多峰”规定为曲线中有超过两个但不包括两个的极大数密度直径或半径。各类
14、谱型的分布由图 1 4 和图1 5 给出。 图1 4A 、B 型谱分布 S 1 一国家“十五”科技攻关项目主要研究成果 4 5 图1 5C 、D 型谱分布 表1 4 给出了四类型雨滴谱所占的比例、谱宽以及各种雨滴谱型雨强的变化范围和对总雨强的 贡献率。 表1 4 各种谱型雨强变化范围及所占的比例 从表1 4 可见，A 型单调递减谱，占总谱的1 7 ，这种谱型，雨滴谱较窄，最大谱宽为1 2 1 6 m m ，对总雨强的贡献率仅为2 2 ，说明在降水中，A 型谱的贡献较小。B 型单峰谱所占总谱仅 为3 ，谱宽比A 型谱宽，在本次积雨云降水中只收集到了一张，但作为一种出现的谱型，还是统计在 内了，在
15、其他几次积雨云降水中都未出现该谱型，可以初步认为在黄河上游地区的积雨云降水中该谱 型应归为不常出现的谱型。同时也需要更详实的雨滴谱资料给于证实。 C 型双峰谱和D 型多峰谱在这次降水中，这两种谱的谱宽都在1 2 4 4 m m 之间，这两种谱占 总谱的8 0 ，其特点是雨滴谱较宽，降水强度大，对整个降水的贡献也大。其中C 型谱为主要的降水 类型谱。也可以粗略的认为C 型双峰谱为黄河上游地区积雨云降水的主要谱型。 2 9 月1 8 日雨滴谱分析 2 1 观测资料 2 0 0 2 年9 月1 8 日的降水云系地面观测为积雨云降水。降水时段从1 7 ：0 4 开始到2 3 ：3 5 结 束。降水期间
16、出现多次不连续，属于间断性积雨云阵性降雨。从当时的雷达观测资料显示，降水为有 规则排列的条带状降水云系，1 5 ：1 6 初现模糊轮廓，1 6 ：1 8 基本形成，有三条排列有规律云带，基本 成N E S W 走向。到1 9 ：0 0 基本消散，历时约3 小时。同时此次降水也主要集中在这个时段。对这 段时间进行了雨滴谱的取样，取样时间间隔为5 或1 0 分钟。资料情况见表1 5 ( 略) o 2 2 降水过程中的雨滴谱随肘间的演变 根据雨滴谱资料把每隔1 0 分钟和每隔5 分钟取样的一次降水的完整过程雨滴谱的演变分别绘 制成图( 见图1 6 和图1 7 ) 。 ” ， ， 。 乱 4 6 第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议( 上册) 图1 6 不同时刻雨滴谱演变图 ( 注：1
