黨張利，常倬林*，曹 寧，米勇平，王 敏

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；3.寧夏人工影響天氣中心，寧夏銀川 750002）

我國幅員遼闊，降水分布不均，國內(nèi)對(duì)于降水結(jié)構(gòu)特征以及時(shí)空變化的研究眾多。雨滴譜是雨滴數(shù)濃度隨雨滴尺寸的分布變化，對(duì)于了解降水微物理過程，改進(jìn)數(shù)值模式，改進(jìn)降水參數(shù)化方案，提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度具有重要作用。華云雨滴譜儀是目前國內(nèi)觀測(cè)雨滴譜分布的重要手段，但其僅能觀測(cè)單點(diǎn)某一高度上的雨滴譜分布，無法觀測(cè)不同高度的雨滴譜，相關(guān)研究也比較少。20 世紀(jì)90 年代以來，微雨雷達(dá)的出現(xiàn)對(duì)于雨滴譜、定量降水估計(jì)和降水微物理結(jié)構(gòu)特征研究具有重大意義，微雨雷達(dá)是一種垂直指向的調(diào)頻連續(xù)波多普勒雷達(dá)，能夠連續(xù)測(cè)量不同高度降水特征量和雨滴譜的分布特征。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同降水類型下微雨雷達(dá)的變化特征進(jìn)行了研究。溫龍等[1]根據(jù)微雨雷達(dá)反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微雨雷達(dá)對(duì)層狀云降水過程的探測(cè)能力優(yōu)于對(duì)流云降水過程；楊文霞等[2]對(duì)河北層狀云進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)云內(nèi)粒子下落速度由高空向地面逐漸增大；崔云揚(yáng)等[3]對(duì)河北冷鋒云系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)降水在云內(nèi)和云外受不同微物理過程影響，垂直變化特征不同；曹寧等[4]對(duì)六盤山區(qū)山脊和山谷不同類型降水過程中的云微物理特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)六盤山區(qū)三類降水云山脊的反射率及反射率衰減程度均高于山谷。針對(duì)微雨雷達(dá)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，國內(nèi)學(xué)者在不同地區(qū)將微雨雷達(dá)的反演結(jié)果與雨量計(jì)、雨滴譜儀結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其中，宋燦等[5]對(duì)觀測(cè)資料、微雨雷達(dá)和雨滴譜儀3 種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雨滴譜儀和微雨雷達(dá)觀測(cè)降水強(qiáng)度的相關(guān)性較好，微雨雷達(dá)對(duì)于小粒子反演效果較好；王洪等[6—7]對(duì)微雨雷達(dá)和雨滴譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，也發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性較好；王洪等[6]還利用數(shù)值模擬，針對(duì)濟(jì)南市一次降水過程，對(duì)微雨雷達(dá)與THIES 雨滴譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微雨雷達(dá)與THIES 雨滴譜儀的雷達(dá)反射率因子、雨強(qiáng)、雨滴數(shù)濃度、雨滴中值體積直徑變化趨勢(shì)和幅度相近，且低層對(duì)液滴直徑反演的影響大于高層；崔云揚(yáng)等[3]對(duì)100，200，300 m 高度處的微雨雷達(dá)、雨滴譜儀和雨量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微雨雷達(dá)、雨量計(jì)及雨滴譜儀累計(jì)雨量結(jié)果較為接近，且趨勢(shì)一致，其中，微雨雷達(dá)在200 m 高度處雨強(qiáng)值與地面雨滴譜儀雨強(qiáng)值偏差最小，平均偏差為0.05 mm/h，相關(guān)系數(shù)為0.93；相比雨滴譜儀，微雨雷達(dá)雷達(dá)反射率因子和雨滴有效直徑結(jié)果偏小，雨強(qiáng)與液態(tài)水含量結(jié)果接近，雨滴數(shù)濃度差別較大；微雨雷達(dá)觀測(cè)到的小雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)高估，大雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)低估，中雨滴數(shù)濃度較為一致；微雨雷達(dá)在100 m 處雨滴譜和特征量均與雨滴譜儀觀測(cè)結(jié)果偏差較大，可能是由于受到近地層的干擾。

寧夏使用微雨雷達(dá)剛剛起步，研究成果不多。本文利用六盤山地形云野外科學(xué)試驗(yàn)基地布設(shè)在六盤山氣象站和大灣人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)的微雨雷達(dá)，對(duì)六盤山區(qū)一次不同高度上層狀云降水過程進(jìn)行分析，探索六盤山地形影響下不同高度雨滴譜的變化特征，對(duì)進(jìn)一步發(fā)掘六盤山地形條件下人工影響天氣潛力提供依據(jù)。

1 研究資料與方法

研究利用2019 年9 月11—13 日六盤山區(qū)一次典型層狀云降水過程中六盤山氣象站、大灣人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)的微雨雷達(dá)觀測(cè)資料，分析六盤山區(qū)雨滴譜垂直分布特征。六盤山氣象站位于北緯35°40′，東經(jīng)106°12′，海拔高度2 842 m，接近700 hPa 高度，是國家基準(zhǔn)氣候站，具有代表性。大灣人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)位于涇源縣，處于六盤山東坡山腰。

微雨雷達(dá)可以定量反演雷達(dá)上方的降雨率、雨滴譜分布、雷達(dá)反射率、水滴下落速度及其他降雨參數(shù)的垂直廓線，探測(cè)的垂直分辨率為150 m，時(shí)間分辨率為10 s，最大測(cè)量距離為4 650 m，其主要參數(shù)見表1。

表1 微雨雷達(dá)主要參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 降水過程概況

由2019 年9 月11 日08：00 500，700 hPa 環(huán)流形勢(shì)圖（圖略）可以看出，整個(gè)歐亞范圍內(nèi)為兩槽一脊形勢(shì)，巴湖前為一大槽，寧夏處于槽底平直西風(fēng)氣流中，其上游存在弱暖脊，受槽底東移擴(kuò)散冷空氣影響，再加上高空西風(fēng)急流，冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，寧夏北部有冷空氣侵入，配合高原的暖濕空氣，產(chǎn)生降水天氣過程。寧夏處于暖舌中，暖濕空氣較為充沛，至11 日20：00 北部高空槽東移接近10 個(gè)緯度，寧夏處于槽底偏西氣流中，700 hPa 與500 hPa環(huán)流場(chǎng)基本一致，表現(xiàn)出深厚的冷空氣。從12 日20：00 500 hPa 環(huán)境形勢(shì)圖（圖略）中看出，冷空氣勢(shì)力強(qiáng)，降溫劇烈，700 hPa 冷暖切變線位于寧夏南部，從西北方向南下的強(qiáng)冷空氣主體南壓到北緯30°，高空急流位于北緯30°～45°，13 日500 hPa 以偏南風(fēng)水汽輸送為主，700 hPa 也以偏南風(fēng)水汽輸送為主，存在切變線，13 日20：00 系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，高、低空均有西南風(fēng)水汽輸送，700 hPa 切變線較顯著，在此環(huán)流背景影響下，降水開始發(fā)展。六盤山氣象站出現(xiàn)了46.3 mm 的累計(jì)降水，降水從11 日19：00 開始，在12 日12：00 小時(shí)雨量達(dá)到峰值，為8.6 mm，從小時(shí)雨強(qiáng)數(shù)據(jù)看，降水呈先增多后減少，再增多，最后停止的過程，在12 日11：00—14：00，12日21：00 至13 日00：00 降水量稍偏大。

2.2 降水過程微雨雷達(dá)、雨滴譜儀、雨量計(jì)對(duì)比

六盤山氣象站微雨雷達(dá)、雨滴譜儀在同一高度上安裝，相距不到10 m，雨量計(jì)安裝在六盤山氣象站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，高度低于兩個(gè)特種觀測(cè)儀器，相距幾十米，3 種儀器安裝海拔高度一致。為了更直觀地分析微雨雷達(dá)、雨滴譜儀兩種特種觀測(cè)儀器對(duì)雨量的觀測(cè)誤差，通過圖1 描述兩種儀器與雨量計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值。在12 日08：00 之前，雨量計(jì)觀測(cè)到22 次0.1 mm 的微量降水。微雨雷達(dá)對(duì)于12 日08：00之前的降水量觀測(cè)次數(shù)大于22 次，大部分0.1 mm的降水量都能提前觀測(cè)，在時(shí)間上提前了5～15 min，對(duì)于降水累計(jì)量微雨雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果均小于0.1 mm。雨滴譜儀對(duì)于0.1 mm 的降水量基本既沒有預(yù)示也沒有觀測(cè)到。分析11 日17：05 至12 日08：00 的156 個(gè)樣本，發(fā)現(xiàn)累計(jì)降水量為0.1 mm 的觀測(cè)次數(shù)出現(xiàn)22 次，微雨雷達(dá)在150 m 高度處反演出25 次降水，比雨量計(jì)的14 次降水提前5～10 min，在300 m高度處反演出12 次降水，在450 m 高度處反演出9次降水，在300～450 m 高度處降水均出現(xiàn)在雨量計(jì)觀測(cè)之前，雨滴譜儀反演出0 次降水，對(duì)微量降水敏感性較弱。12 日10：10 至14：10 出現(xiàn)連續(xù)降水，隨著降水量的增加，微雨雷達(dá)與雨量計(jì)的降水量差距越來越大，當(dāng)降水量≥0.4 mm 時(shí)，在300 m 高度處微雨雷達(dá)降水量更接近雨量計(jì)實(shí)測(cè)值，而在150 m高度處微雨雷達(dá)降水量比雨量計(jì)實(shí)測(cè)值偏低，在450 m 高度處微雨雷達(dá)降水量比雨量計(jì)實(shí)測(cè)值偏高，當(dāng)降水量超過0.5 mm 時(shí)，微雨雷達(dá)反演誤差增大，從降水開始減弱時(shí)，在150～450 m 高度處微雨雷達(dá)反演結(jié)果均小于雨量計(jì)觀測(cè)值，這段時(shí)間由于雨滴譜儀故障，其未能觀測(cè)到降水。12 日14：55 至12 日18：55 降水?dāng)鄶嗬m(xù)續(xù)，10 min 內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)降水，微雨雷達(dá)和雨滴譜儀均反演出連續(xù)降水，但量值小于實(shí)測(cè)值；12 日20：20 至13 日04：35 出現(xiàn)小于0.5 mm 的降水，雨滴譜儀和微雨雷達(dá)反演的降水量均小于實(shí)測(cè)值，82%的樣本的差值在0.1 mm范圍內(nèi)。

圖1 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達(dá)、雨滴譜儀、雨量計(jì)5 min 累計(jì)降水量的時(shí)間序列圖

2.3 微雨雷達(dá)和雨滴譜儀的相關(guān)性

9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達(dá)與雨量計(jì)5 min 累計(jì)降水量散點(diǎn)圖見圖2。從線性擬合結(jié)果看，150 m 高度處，降水量越小微雨雷達(dá)反演結(jié)果越好，隨著降水量的增加反演結(jié)果越差；300 m 高度處，當(dāng)降水量在0.4～0.6 mm，微雨雷達(dá)反演的降水量與實(shí)測(cè)值基本吻合，當(dāng)降水量大于0.6 mm 時(shí)，反演結(jié)果偏差較大；450 m 高度處，降水量在0.4 mm 左右，微雨雷達(dá)反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合。對(duì)微雨雷達(dá)與雨量計(jì)5 min 累計(jì)降水量的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差分析結(jié)果表明，150 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.767 4，均方根誤差為0.732 2；300 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.817 6，均方根誤差為0.402 0；450 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.811 5，均方根誤差為0.492 5，這與崔云揚(yáng)等[3]在河北邢臺(tái)對(duì)微雨雷達(dá)和雨滴譜儀比較結(jié)果一致，即300 m 高度處微雨雷達(dá)反演降水量更接近于實(shí)測(cè)值。以上結(jié)果表明，微雨雷達(dá)安裝的海拔高度不會(huì)對(duì)降水的反演產(chǎn)生影響，150 m 高度處降水反演的誤差主要受下墊面影響。微雨雷達(dá)和雨滴譜儀時(shí)間分辨率均為1 min，因此，利用1 min 數(shù)據(jù)可對(duì)微雨雷達(dá)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達(dá)與雨量計(jì)5 min 累計(jì)降水量散點(diǎn)圖

由于六盤山氣象站雨滴譜儀觀測(cè)資料的缺失，僅對(duì)六盤山氣象站和大灣人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)微雨雷達(dá)和雨滴譜儀進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者每分鐘降水量都能表現(xiàn)出提前預(yù)示，且兩者之間表現(xiàn)出一致的變化（圖略）。由9 月11 日20：00 至13 日08：00 大灣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)微雨雷達(dá)和雨滴譜儀的雨強(qiáng)散點(diǎn)圖（圖3）發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)高度層微雨雷達(dá)與雨滴譜儀的雨強(qiáng)偏差較小，均方根誤差均在2.0 mm/h 以內(nèi)，兩種儀器的相關(guān)性較好。

圖3 9 月11 日20：00 至13 日08：00 大灣人工影響天氣標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)微雨雷達(dá)與雨滴譜儀雨強(qiáng)散點(diǎn)圖

2.4 降水個(gè)例分析

9 月11 日20：00 至13 日07：00 六盤山降水累計(jì)量為46.3 mm，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在12 日12：00，值為8.6 mm/h；最大反射率、降水率均提前于最大雨強(qiáng)，最大值分別為38 dBZ，12 mm/h；降水量開始于11 日20：00，微雨雷達(dá)雷達(dá)強(qiáng)度、雨強(qiáng)、液態(tài)水含量和下落末速度沒有明顯的躍增，12 日08：00 和20：00 躍增明顯，但12 日08：00 液態(tài)水含量、下落末速度對(duì)于降水的變化較小，20 日20：00 下落末速度的變化范圍增大（圖4）。

3 結(jié)論

（1）六盤山氣象站的微雨雷達(dá)靈敏度高于雨滴譜儀，尤其對(duì)于陣性降雨微雨雷達(dá)的分辨率更高。隨著降水量的增加，當(dāng)降水量在0.4～0.6 mm 時(shí)，300 m高度處微雨雷達(dá)的降水量更接近雨量計(jì)實(shí)測(cè)值。

（2）微雨雷達(dá)在300 m 高度處降水量的反演結(jié)果好于150，450 m 高度處；微雨雷達(dá)和雨滴譜儀雨強(qiáng)偏差在2.0 mm/h 以內(nèi)，相關(guān)性較好。

圖4 9 月11 日20：00 至13 日08：00 微雨雷達(dá)反射率、降水率、液態(tài)水含量、下落末速度隨時(shí)間和高度的分布

（3）9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站最大反射率、降水率均提前于最大雨強(qiáng)，最大值分別為38 dBZ，12 mm/h；液態(tài)水含量、下落末速度對(duì)于12 日08：00 降水的反應(yīng)較差，各物理量對(duì)12 日20：00 雨量的反應(yīng)一致。