安徽大别山一次强雨雪天气过程降水粒子特征分析

2008年1月下旬，受冷空气影响，安徽大别山区出现了3场强雨雪天气过程，持续时间之长，为50年一遇。全国积雪深度最深的地区集中在安徽省大别山区，其中大别山区的金寨县、潜山县积雪深度分别为54 cm、39 cm。长时间积雪、冰冻给该地区交通、电力、通信、人民生活等方面造成严重影响，工农业损失惨重。

研究不同降水云的微物理特征，尤其是强雨雪天气过程的云和降水的物理特征将有助于改进天气预报并提高预报天气的能力，也可为人工影响天气提供理论依据。降水是云微物理过程、云动力学过程以及其他许多因素综合作用的结果, 研究降水物理特征及降水形成机制，必须将宏观过程和微观过程结合，降水粒子观测是微观云降水物理的重要内容之一。深入研究降水粒子特征, 对于更清楚地认识降水的发展演变过程, 揭示云中的降水机制, 具有重要的现实意义。

我国从20世纪60年代就开始在地面对雨滴谱进行观测和研究[1-2]。20世纪80年代，卞礼智等、蒋年冲等、陈万奎等、陈德林等利用滤纸色斑法对这项工作进行了较深入研究[3-6]。由于该方法的条件限制，对地面雨滴谱不能进行连续观测研究。20世纪90年代至21世纪初期，李淑日[7]、党娟等[8]、于丽娟等[9]利用飞机粒子探测仪分别对甘肃、西北地区以及河南层状云的微物理特征进行了分析总结；刘红燕等利用DISDROMETER测雨仪，对北京2004年45次降水过程的雨滴谱进行了研究[10]；宫福久等、陈宝君等、张云峰等、袁成等、石爱丽等利用美国PMS公司生产的GBPP-100型地面雨滴谱仪的连续观测资料，对不同地区、不同降水类型的雨滴谱分布形式分类分析, 进而分析降水特征和形成机制，使得该项研究工作更加深入[11-15]。GBPP-100型地面雨滴谱仪，虽然解决了地面雨滴谱连续观测问题，但不能解决对多种降水粒子观测。21世纪初，德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子测量系统，可以较好解决降水过程中多种降水粒子自动测量难题。目前国内外已有了应用方面的报告[16-17]。

该仪器是以激光为基础的新一代高级光学粒子测量器及气象传感器，可同时测量降水中所有液态和固态粒子的尺度和速度，并根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类。水汽凝结体在测量区域下降的过程中会导致检测射线亮度的变化，其数字处理系统会计算出降水粒子的大小、数量和速率。它在测量各种类型降水的降水量、颗粒大小和速率时可以分辨出降雨类型，如毛毛雨、雨、雪、冻雨、冰雹及其混合降水，并按美国国家海洋局天气代码对其进行分类，为各种天气状况下的降水过程提供了降水类型和强度等报告。它的一体化加热装置可以把冰冻天气对仪器表面的负面影响降到最低，在恶劣户外天气中仍可对多种降水粒子进行自动测量。

2008年1月下旬，安徽大别山区出现了3场强雨雪天气过程，由于强雨雪天气过程含有多种降水粒子，国内外对其微物理特征研究的还很少。本文利用1月26—28日Parsivel降水粒子测量系统取得的一套完整资料，对降水粒子特征进行初步分析。

分析1月下旬末500 hPa位势高度场可知这次天气过程的形势及其演变是：“北脊南槽”为持续低温雨雪冰冻过程提供了稳定的环流背景。此次持续过程的低温、雨雪、冰冻也正是在稳定的“北脊南槽”形势下，冷暖气流在大别山区持续交汇的结果。分析1月下旬低层925 hPa平均水平风场和温度场，可以看到在青藏高原的阻挡作用下，中高纬度西路冷空气自西北方向沿着河西走廊从高原东北侧频繁南下，低于0 ℃的区域已越过长江，大别山区上空已受东北风控制(图略)。另外，计算850 hPa水汽通量及其散度分布得出，热带地区水汽输送异常明显，主要的水汽通道有两个，一个是来自孟加拉湾经中南半岛的西南气流水汽通道，另一条是来自南海的水汽通道。受到活跃的南支槽槽前西南气流和稳定偏强的副高西侧的偏南气流共同影响，孟加拉湾和南海地区的暖湿水汽源源不断地往北到东北方向输送，使得暖湿水汽与北方冷空气持续在南方地区交汇；而在冷暖交汇区上空, 暖湿气流位于上部，对流层中低层(700 hPa以下)持续出现了大范围强烈而稳定的逆温层，导致了我国中东部地区大范围雨雪发生。分析大别山区各层温度也得出，从地面到850 hPa，温度逐渐下降，即850 hPa到近地面为冷盖，再往上850~700 hPa为逆温层，这种温度垂直分布导致该地区持续降雪。

统计分析资料主要是利用一台安装在安徽大别山区潜山县气象局楼顶无障碍平台上的Parsivel激光降水粒子测量系统获取的资料。资料设定为1分钟一个记录(即一个样本)，记录有天气现象、粒子数浓度、下落速度、粒子谱分布等。

2008年1月26—28日这次强雨雪过程，共取得资料2540份。根据仪器所记录的天气现象并与测站地面观测资料比对，将这些资料进行分类，得出：毛毛雨，400份；毛毛雨与雨，469份；雨，258份；雨夹雪，381份；雪，729份；冻雨，303份；然后对分类后的资料进行分析、计算。

降水粒子的物理特性是云内动力过程和微物理过程的综合体现。观测降水粒子并分析其微物理特征，对进一步了解自然降水的微物理过程，研究其成云至雨机制，评估人工影响降水条件、检验效果以及为数值模拟提供科学依据有着重要作用。

将不同类型的降水粒子不分大小求和，再求各自的平均值。图 1给出了不同降水类型粒子总数浓度的平均特征。从图中可以看出：雨夹雪平均数浓度最大，每分钟可达589个；其次是毛毛雨加雨，每分钟为423个；雪、冻雨大致相当，分别为每分钟331个、301个；毛毛雨每分钟为265个；雨最小，为每分钟255个。此外，将得出的不同类型的降水粒子数浓度的平均值和实测的数浓度绝对极大值、绝对极小值列于表 1。

从表 1中可以看出：毛毛雨、毛毛雨与雨、雨夹雪、雪和冻雨数浓度的绝对极大值与平均值有量级的差异，而雨只有倍数之差。这表明在整个降水过程中，气象条件是相当复杂的。从数浓度绝对极大值和数浓度绝对极小值可以看出，两者有102~103的差异，这说明在整个降水过程中阵性是比较强烈。

降水粒子数浓度是云雾过程的最终产物，通过降水粒子数浓度观测，可以进一步了解自然降水的物理过程；同时也提供了研究降水瞬时变化的方法，对云雾降水物理研究、大气遥感探测、大气污染研究等都具有一定的意义。图 2给出了不同类型降水粒子不同尺度平均数浓度分布情况。

从图 2中可以看出：毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪的数浓度都是单峰型，浓度峰值集中出现在粒子测量通道的第4通道，其峰值直径最大为0.50 mm。雪与冻雨的数浓度是双峰型，峰值分别出现在粒子测量通道的第5通道和第11通道，即数浓度峰值直径最大为0.625 mm和1.50 mm。

观测表明，不同的降水类型，其降水的粒子谱分布有较大的差别。图 3给出了这次强雨雪天气过程中不同类型降水粒子谱的平均分布特征。

从图 3中可以看出：不同类型降水粒子尺度谱主要出现在直径为0.125~1.00 mm之间。谱最宽的是雪，最大粒子直径达9.00 mm；冻雨次之，最大粒子直径为7.00 mm；毛毛雨的谱最窄，最大粒子直径只有1.25 mm，约是雪的1/7、冻雨的1/6。

从图 3中还可以看出：这次强雨雪天气过程中，不同降水类型的平均谱分布都是单峰型，但峰值却有所不同，毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪的谱峰值均出现在0. 50 mm；而雪与冻雨的谱峰值则出现在0.625 mm处。这与梅雨锋暴雨的雨滴谱80%为多峰型有很大的差别[4]。

降水粒子的下落速度不仅与粒子的大小、形状有关，而且也与气象的因子，诸如风速、湍流、降水强度等有关。表 2给出了这次强雨雪天气过程中降水粒子不同下落速度下的数分布特征。

从表 2可以看出：粒子的最大下落速度主要集中在1.0~4.8 m·s-1段。在此下落速度段中毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪和冻雨的粒子数分别占各自粒子总数的98.68%、98.46%、97.72%、94.79%和93.69%，而雪只占到85.83%。此外，毛毛雨、毛毛雨与雨、雨夹雪和冻雨粒子的下落速度峰值均出现在粒子的第16观测通(即最大下落速度为2.4 m·s-1)处；雨则出现在2.8 m·s-1处；而雪下落速度峰值分别在1.4 m·s-1和2.4 m·s-1处。

图 4给出了这次暴雪过程中不同类型降水粒子平均速度谱特征。

从图 4可以看出：降水粒子平均速度谱中雨和雨夹雪最宽，最大达到9.6 m·s-1，冻雨次之；毛毛雨最窄，最大达到5.6 m·s-1；其他两者大体相当。在这次强雨雪天气过程中降水粒子平均速度谱都是单峰型，但峰值所处的位置却有较大差异。毛毛雨和冻雨峰值出现在第15速度观测通道，即下落速度在1.8~2.0 m·s-1之间；毛毛雨加雨和雨夹雪则在第16速度观测通道(下落速度为2.0~2.4 m·s-1)；雪在第14速度观测通道(下落速度为1.6~1.8 m·s-1)；雨在第17速度观测通道(下落速度为2.4~2.8 m·s-1)。

根据对强雨雪天气过程降水粒子特征分析得出以下主要结论：

(1) 这次强雨雪天气过程中降水粒子平均数浓度最大为雨夹雪，每分钟可达589个；雨最小，为每分钟255个。毛毛雨、毛毛雨与雨、雨夹雪、雪和冻雨数浓度的绝对极大值与平均值有量级的差异，雨仅倍数之差。表明在整个降水过程中，气象条件是相当复杂的。从数浓度绝对极大值和数浓度绝对极小值的差异中也可说明在整个降水过程阵性比较强烈。

(2) 毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪的数浓度都是单峰型，其峰值直径最大为0. 50 mm。雪与冻雨的数浓度是双峰型，数浓度峰值分别出现在直径最大为0.625 mm和1.50 mm处。

(3) 不同类型降水粒子尺度谱主要出现在直径为0.125~1.00 mm之间。谱最宽的是雪，最大粒子直径达9.00 mm；冻雨次之，最大粒子直径为7.00 mm；毛毛雨的谱最窄，最大粒子直径只有1.25 mm，约是雪的1/7、冻雨的1/6。

这次强雨雪过程不同降水类型的平均谱分布都是单峰型，但峰值却有所不同。这与梅雨锋暴雨的雨滴谱分布有很大的差别。

(4) 这次强雨雪天气过程降水粒子的最大下落速度主要集中在1.0~4.8 m·s-1段。在此下落速度段中毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪和冻雨的粒子数分别占各自粒子总数的98.68%、98.46%、97.72%、94.79%和93.69%，雪只占到85.83%。

(5) 不同类型降水粒子平均速度谱中雨和雨夹雪的谱最宽，最大落速达到9.6 m·s-1，冻雨次之；毛毛雨最窄，最大只有5.6 m·s-1；其他两者大体相当。这次强雨雪天气过程降水粒子平均速度谱都是单峰型，但峰值所处的位置却有较大差异。

(6) 这次强雨雪天气过程中，降水粒子均没有观测到小于1.25 mm的，这可能与该仪器的探测精度有关。

致谢：解放军理工大学气象学院濮江平教授提供了探测仪器和技术指导，安徽省潜山气象局提供了观测场地和有关气象资料，在此表示感谢。