陳捷雄，陳美玲，陳思，徐楚忠，吳曉鑫，霍倩嵐

（1.惠州市氣象局，廣東惠州 516000；2.廣東省氣象局，廣東廣州 510080；3.惠東縣氣象局，廣東惠東 516100；4.博羅縣氣象局，廣東博羅 516100）

惠州位于廣東東南部，是粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點城市。臺風(fēng)是對惠州影響最大的氣象災(zāi)害之一，每年約有3～5個臺風(fēng)對惠州造成風(fēng)雨影響。雨滴譜是表征云微物理結(jié)構(gòu)的重要參量，研究不同類型云的雨滴譜特征能加深理解降水結(jié)構(gòu)和云的內(nèi)部微物理過程，對于臺風(fēng)降水預(yù)報和臺風(fēng)暴雨的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

不同氣候背景下，地面雨滴譜特征具有較大差異，特別是大陸性氣候背景下雨滴總體的平均粒徑偏大、雨滴濃度偏低，海洋性氣候背景下雨滴的平均粒徑較小、濃度偏高［1-2］。積雨云、混合云和層狀云等不同云狀降水的雨滴譜特征也存在差異，如鋒面過程降水和臺風(fēng)過程降水雨滴譜表現(xiàn)不盡相同［3-5］。降水粒子直徑分布不同在相同的回波強度下可以得到不同的降雨強度，研究雨滴譜特征可以有效改善雷達(dá)估測降水精度［6-10］。雨滴譜的分布模型常用的有3種，即指數(shù)模型（M-P模型）、雙參數(shù)型和三參數(shù)的Г分布模型；Г模型有效提高了指數(shù)模型的擬合精度，也較接近實際觀測模型。

本研究所使用雨滴譜數(shù)據(jù)來自Parsivel激光雨滴譜監(jiān)測儀，其數(shù)據(jù)與地面雨量有較好對應(yīng)關(guān)系［11-13］。2016年強臺風(fēng)“妮妲”嚴(yán)重影響惠州，本研究利用位于惠州市中心城區(qū)的惠陽觀測站獲取的“妮妲”過程的雨滴譜數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)降水微物理結(jié)構(gòu)特征，以期更深入了解臺風(fēng)降水的類型、雨滴譜特征及演變過程，為今后臺風(fēng)影響預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 研究資料和方法

本研究所使用雨滴譜數(shù)據(jù)來自惠陽國家基本觀測站安裝的Parsivel激光雨滴譜監(jiān)測儀，采用發(fā)射頻率為50 kHz的激光對降水粒子進(jìn)行觀測記錄，儀器取樣截面為18 cm×3 cm，雨滴等效體積直徑和雨滴速度分為32×32檔，共計1 024個數(shù)據(jù)類別，雨滴譜取樣間隔為60 s，雨滴直徑和落速的測量精度為±5%。

本研究將針對2016年第4號強臺風(fēng)“妮妲”過程降水，利用惠陽觀測站的激光降水粒子雨滴譜儀所獲取觀測資料開展研究。根據(jù)臺風(fēng)從外圍螺旋雨帶至臺風(fēng)眼壁不同部位，分析臺風(fēng)降水過程的雨滴譜特征演變；對觀測樣本進(jìn)行分類，分析不同部位雨滴譜的譜型和粒子濃度的時間序列變化，并對獲取的觀測數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行檢驗分析。本研究在表征雨滴譜特征時參考了劉紅燕等［5］對雨滴直徑的定義，即計算了平均直徑（Dm）、眾數(shù)直徑（Dd）、平均體積直徑（Dv）、優(yōu)勢直徑（Dp）、中數(shù)直徑（Dnd）、中數(shù)體積直徑（Dn）。

2 強臺風(fēng)“妮妲”過程基本情況

2016年第4號強臺風(fēng)“妮妲”（NIDA）是2016年第一個登陸廣東的臺風(fēng)，具有“移動速度快、近海加強急、臺風(fēng)眼區(qū)大、風(fēng)雨范圍廣”的特點?！澳萱А庇?月30日17：00（北京時，下同）在菲律賓馬尼拉東偏北方約510 km的西北太平洋洋面上生成，31日08：00加強為強熱帶風(fēng)暴，23：00加強為臺風(fēng)；8月2日02：00加強為強臺風(fēng)，近岸擦過惠州市惠東縣稔平半島，2日03：35強臺風(fēng)“妮妲”在深圳大鵬半島沿海地區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級（42 m／s，強臺風(fēng)級），登陸后向西北偏西行，2日07：00于深圳寶安減弱為強熱帶風(fēng)暴，于11：00在佛山境內(nèi)減弱為熱帶風(fēng)暴，并逐漸移出廣東省，中心遠(yuǎn)離惠州（圖1）。

圖1 201604號強臺風(fēng)“妮妲”8月1日00：00—2日23：00路徑

惠陽站在整個臺風(fēng)過程測得雨量97.8 mm，實測雨量值從8月2日01：00開始獲取雨量數(shù)據(jù)，最大時雨量14.6 mm出現(xiàn)在2日08：00。其中，8月2日01：00—19：00為臺風(fēng)本體降水；3月2日02：00—19：00為臺風(fēng)減弱后的低壓外圍環(huán)流降水。

3 強臺風(fēng)“妮妲”雨滴譜特征

圖2給出了8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴譜儀監(jiān)測的瞬時雨強和雨滴數(shù)濃度的分鐘時間序列。由圖2可知，臺風(fēng)期間共獲取706個有效分鐘樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)計算分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)，“妮妲”期間最大瞬時降雨強度為96 mm／h，最大雨滴數(shù)濃度為28 662 m-3，平均雨滴數(shù)濃度為6 917 m-3，雨滴直徑普遍小于4.75 mm，小于0.5 mm的雨滴占總濃度的57.69%；小于1 mm的雨滴占總濃度的91.08%。從時間演變上來看，臺風(fēng)登陸前，雨滴濃度逐漸增加，降雨強度也逐漸增大。到臺風(fēng)登陸時，約03：35—04：00有一段雨滴濃度低值區(qū)和降雨強度低值區(qū)。隨后，降雨強度基本為小于40 mm／h。約06：45后，出現(xiàn)降水強度大于40 mm／h的降水，從雨滴濃度變化上可以看出小雨滴濃度急劇增大，達(dá)到104m-3，雨滴直徑大于1 mm的雨滴濃度也明顯增加。09：00以后降雨強度減小。到10：35以后臺風(fēng)本體降水基本結(jié)束，13：00—14：00、16：00—17：00、18：00還出現(xiàn)了短時降水，其中13：00—14：00和16：00—17：00為對流性強降水。

圖2 8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴譜儀監(jiān)測的瞬時雨強（a）和雨滴濃度的分鐘時間序列（b）

3.1 雨滴譜微物理特征參量

圖3展示了臺風(fēng)過程雨滴的分鐘平均直徑（Dm）、眾數(shù)直徑（Dd）、平均體積直徑（Dv）、優(yōu)勢直徑（Dp）、中數(shù)直徑（Dnd）、中數(shù)體積直徑（Dn）。從圖3可知，臺風(fēng)過程平均雨滴直徑Dm為0.5 mm左右，最大平均直徑為1.3 mm。眾數(shù)直徑Dd最大為0.437 mm，其次為0.312 mm，較大直徑的偏少，說明臺風(fēng)降水中小雨滴偏多。強臺風(fēng)“妮妲”雨滴平均體積直徑Dv在0.5～1 mm，平均體積直徑的平均值為0.723 mm。中數(shù)直徑大多在0.312 mm，其次是0.437 mm。優(yōu)勢直徑Dp即對含水量貢獻(xiàn)最大的直徑，優(yōu)勢直徑中最多的為1.375 mm的雨滴，其次是0.937和1.625 mm直徑的雨滴。超大雨滴較少，最大的為9.5、7.5、4.75 mm，都僅出現(xiàn)一次。而中數(shù)體積直徑集中在1.062、1.187和1.375 mm，大于2.125 mm的中數(shù)體積直徑極少存在。根據(jù)劉紅燕等［5］的研究指出，雨滴譜的平均體積直徑大于1.20 mm和中數(shù)體積直徑大于1.5 mm的降水是對流云降水。數(shù)據(jù)對比可知，強臺風(fēng)“妮妲”過程的雨滴譜分布的平均體積直徑和中數(shù)體積直徑均小于該閾值，說明強臺風(fēng)“妮妲”的降水以非對流性降水為主，即以層狀云降水或混合降水為主。

圖3 8月2日00：00—19：00惠陽站雨滴各種直徑的時間序列

3.2 臺風(fēng)不同區(qū)域雨滴譜特征

該次臺風(fēng)過程，惠陽站由臺風(fēng)的第4象限轉(zhuǎn)第1象限，距離臺風(fēng)中心位置最近僅52.9 km，為了更清晰區(qū)分出不同階段臺風(fēng)的雨滴譜特征，按逐小時重新計算平均雨滴譜數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4臺風(fēng)各階段的雨滴譜特征來看，臺風(fēng)各階段雨滴譜多呈多峰結(jié)構(gòu)。圖4a中01：00和02：00惠陽站位于臺風(fēng)的第4象限，從01：00到02：00是一個小雨滴增多而大雨滴減少的過程，尤其是大于2 mm以上的雨滴。而隨著接近臺風(fēng)中心，即03：00大雨滴和小雨滴濃度均急劇增加并且出現(xiàn)了大于6.5 mm的大滴。04：00臺風(fēng)登陸過程中，大小雨滴濃度均呈下降趨勢，隨后05：00轉(zhuǎn)為第1象限，小雨滴濃度達(dá)到最高峰。圖4b中，06：00—08：00小雨滴保持高濃度，大于1.375 mm 以上的雨滴在08：00達(dá)到最高峰；09：00—10：00大雨滴濃度明顯減小，10：00大雨滴最大直徑小于3 mm，小雨滴濃度小于103m-3，而09：00有幾個大于6 mm以上的雨滴，可能是由于雨滴的飛濺作用產(chǎn)生的異常值。圖4c中11：00雨滴濃度和雨滴直徑繼續(xù)下降。12：00、15：00無降水。13：00出現(xiàn)強降水，小雨滴濃度大于103m-3，雨滴直徑最大為4.75 mm，但從其分布來看，雨滴大小和濃度均小于08：00。圖4d中16：00也出現(xiàn)了較強降水，小雨滴濃度大于103m-3，雨滴直徑最大為4.25 mm。17：00降水明顯減弱，大雨滴數(shù)急劇減少。18：00和19：00大小雨滴數(shù)略增多，但最大直徑均小于3 mm，小雨滴濃度小于103m-3。20：00無有效降水，忽略不計。

圖4 8月2日惠陽站逐時平均雨滴譜（12：00、15：00無降雨）

3.3 臺風(fēng)雨滴譜參數(shù)擬合

為分析臺風(fēng)雨滴譜特征，本研究按照指數(shù)分布和Γ分布兩種函數(shù)對臺風(fēng)過程的平均雨滴譜分別進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果可以看出，指數(shù)分布為N（D）＝2 981exp（-2.5D），Gamma分布為N（D）＝2 502D-3.2×exp（-2.339D）。兩者的標(biāo)準(zhǔn)差分別為167、503，指數(shù)分布擬合效果略優(yōu)于Gamma分布。根據(jù)前人研究的結(jié)果層狀云降水的雨滴譜趨向呈指數(shù)分布，而對流云降水更趨向Γ函數(shù)分布，認(rèn)為強臺風(fēng)“妮妲”過程降水更接近層狀云降水，或者說以層狀云降水居多。

4 結(jié)論

1）強臺風(fēng)“妮妲”過程期間，最大雨滴濃度為28 662 m-3，最大瞬時降雨強度不超過96 mm／h，以小雨滴居多，小于1 mm的雨滴占總濃度數(shù)的91.08%。

2）強臺風(fēng)“妮妲”過程平均雨滴直徑Dm位于0.5 mm左右，眾數(shù)直徑Dd最多為0.437 mm，較大直徑的偏少，平均體積直徑Dv的平均值為0.723 mm，優(yōu)勢直徑中最多的為1.375 mm的雨滴，中數(shù)體積直徑集中在1.062、1.187和1.375 mm之間，強臺風(fēng)“妮妲”的降水以非對流性降水為主，即以層狀云降水或混合降水為主。

3）隨著強臺風(fēng)“妮妲”登陸靠近，大小雨滴的濃度均急劇增加，出現(xiàn)少量大于6.5 mm的大滴；接近臺風(fēng)中心后呈下降趨勢，隨后又增加并保持一段時間的較高濃度小雨滴；臺風(fēng)遠(yuǎn)離減弱后雨滴濃度和直徑均減小。

4）應(yīng)用指數(shù)分布和Γ分布分別對臺風(fēng)過程雨滴譜進(jìn)行擬合，結(jié)果表明指數(shù)分布擬合效果略優(yōu)。