基于DSG4型降水现象仪和自动雨量计的典型天气过程下的雨滴谱特征分析

摘要：为深入了解降水微物理过程，选取国家基本气象站典型天气过程，基于DSG4型降水现象仪雨滴谱反演降水量和自动雨量计的同步分钟数据，分析层状云降雨及降雪的雨滴谱特征差异。针对层状云降雨及降雪过程，分析其分钟粒子总数时序变化及在32个粒径-速度通道上的分布特征。结果表明：（1）DSG4 降水现象仪雨滴谱反演降水量与自动雨量计观测值一致性良好。（2）层状云降雨以小粒子（0.25-0.625 mm）、较低速度（1.0-3.2 m/s）为主；降雪粒子落速（0.6-1.4m/s）低于降雨，直径集中于 0.375-1.0 mm。研究证实 DSG4 降水现象仪雨滴谱反演降水量可靠性较高，不同类型降水雨滴谱特征差异显著，可为雷达定量降水估测算法优化及人工影响天气效果评估提供重要微观物理依据。

关键字：DSG4型降水现象仪；反演降水量；雨滴谱特征；层状云降雨

引言

大气降水的宏观特征主要包括降水量、降水强度、累积时间等，微观特征包括降水粒子粒径、形状、下落速度、相态等[1]。降水量、降水强度和降水累积时间是气象观测的核心参量，其精准反演对洪涝预警、水资源评估至关重要[2-5]。降水粒子微观特征雨滴谱是指单位空间体积内不同尺度雨滴的数量随雨滴直径的分布，开展雨滴谱观测和特征分析，对了解降水的微物理过程和云内成雨机制、提高雷达定量降水估测的准确性以及检验人工增雨效果等具有非常重要的意义。DSG4型降水现象仪输出雨滴谱粒子粒径和速度，可实现降水粒子粒径、下落速度的 32 通道高精度同步观测，基于观测数据可反演降水量、分析降水微物理特征及识别降水类型，在气象观测与降水研究中得到了初步应用。但目前针对该仪器的研究多集中于单一降水类型的特征分析，针对不同强度对流性降雨的精细化分级研究仍较为缺乏，且对北方地区层状云降雨与降雪过程的雨滴谱特征对比研究尚不系统，典型降水过程的雨滴谱特征及 DSG4 型仪器的适用性验证研究较少。

为此，本研究基于邢台地区2021-2024年的DSG4降水现象仪与自动雨量计（翻斗式/称重式）的同步分钟级观测数据，选取典型的层状云降雨及降雪天气过程。重点开展以下工作：（1）验证DSG4降水现象仪雨滴谱反演降水量与自动雨量计的一致性；（2）揭示层状云降雨和降雪过程的雨滴谱差异。

1数据与方法    

1.1观测仪器与方法

邢台地区所辖16个国家基本气象站所用降水现象仪均为DSG4型，由北京华创维想研发，DSG4型降水现象仪输出的数据资料为32个通道的直径和速度对应的粒子个数，如表1所示。其设备发射的水平激光束波长为 780 nm，测定区域为54 cm2 (180mm×30mm)，粒径范围：0.062-24.500 mm；分辨率：32等级；测量精度：±1级。速度范围：0.050-20.800 m/s；分辨率：32等级；测量精度：±1级。雨强范围：0.001 mm/h-1200 mm/h。雨量精度：±5%（液态降水）/ ±20%（固态降水）。

SL3-1双翻斗雨量传感器是目前气象观测业务中基层台站主要测量液态降水的仪器。DSC1式称重式降水传感器是通过质量变化的快速响应来测量降水量，可以测量液态、固态和混合态降水，全年进行观测。在邢台地区所辖16个国家气象观测站，非结冰期以SL3-1作为正式记录，称重式雨量传感器为备份，结冰期以称重式降水传感器为正式记录。双翻斗式雨量传感器和称重式降水传感器均输出分钟降水和小时降水。

1.2研究方法

1.2.1天气过程分类

根据地面气象观测的分类和定义，主要针对层状云降雨及降雪两类典型降水过程，基于观测特征定性划分。选取了清河国家基本气象观测站的一次天气过程进行分析，为确保数据可比性。将DSG4降水现象仪雨滴谱按照特定的反演算法计算出降水量。反演算法基于雨滴下落速度与粒径的关系，以及降水粒子的质量与粒径的关系，通过积分运算得到单位时间内的降水量。

1.2.2 DSG4型降水现象仪雨滴谱反演降水量计算公式

降水现象仪雨滴谱中每分钟可以观测到在不同速度和直径通道的粒子个数，利用降水现象仪雨滴谱反演公式可以得到每分钟的累积降水量，将每分钟降水量累加得到每小时降水量。

DSG4型激光雨滴谱仪雨滴数密度计算公式为：

                                     （1）

其中，式（1）N（Di）为各粒径粒子数密度；nij代表降水粒径第i级、速度第j级的雨滴个数；A为激光雨滴谱仪采样底面积为5400mm2 （180mm×30mm）；△T为取样时间1min（60s）；Vj第j速度级的速度值，单位为m /s。

雨强计算公式，降水雨强为

                               （2）

其中，ρw为水的密度，Di为第i粒径通道的代表直径。

2.层状云降水过程

层状云降水一般持续时间较长，故选取2023年4月4日降水过程中白天段8:00至19:58一段，过程时长近12小时，降水时段内有雨和毛毛雨间歇出现，此时间段降水量翻斗雨量计降水量累计为9.2 mm，雨滴谱反演小时累计降水量为8.9 mm，两者相关性为0.99。由图1可以看出，9:00左右粒子数目出现小幅峰值，随后逐渐减少，10:00 左右降至较低水平，10:00 后粒子数逐步上升（此时雨暂停），12:00 左右出现一次明显峰值（约600个），14:00 前后粒子数骤降，接近 “无粒子” 状态；15:00 后粒子数再次增长，17:00~18:00达到过程粒子数最高峰值（超 700 个），18:00 后粒子数波动下降，但 20:00 前后又出现一次较高峰值，随后逐渐减少。虽然整个降水天气过程粒子数目出现几次小高峰，但粒子数目明显低于强对流天气过程。

图1  2023年4月4日层状云天气过程雨滴谱数目随时间变化的序列图

由图2可以看出，层状云降水的直径主要在通道3-6（粒径为0.25~0.625 mm）之间，通道4-5粒子数目（0.375~0.5 mm）最多，达到50000个（近12 h）。通道1-2、通道9-31粒子数很少，说明层状云降雨几乎不存在粒径大于1.0 mm和小于0.125 mm的粒子。粒子速度主要在通道11-19（1.0~3.2 m/s）之间，通道17-19（2.4~3.2 m/s）明显增多，通道1-9和22-32之间粒径很少，说明层状云降水的敏感区间存在于2.4~3.2 m/s，下落速度小于0.8 m/s或大于4.8 m/s的粒子较少。

图2 2023年4月4日层状云天气过程雨滴谱粒子总数与直径和速度的对应图

3.降雪

降雪过程选取2023年12月14日暴雪天气过程，天气现象观测记录时间为雨 08:00-10:16，雨夹雪 10:17 -10:22，雪 10：23 -17：56。此时段内称重雨量累计降水量为21.6mm。降雪的粒子特征不适合用此方法进行雨滴谱反演降水量，仅分析粒子特征。由图3可以看出，10:00 起，粒子数逐渐上升，在 11:00–13:00 间多次起伏，主要受雨和雨夹雪相态变化影响，并于 13:00 前后达到显著高峰（接近4000个），此时降水量最大，小时降水量达5.1 mm；13:00 后粒子数有所回落但仍有波动，15:00 左右出现次高峰；16:00 之后粒子数整体下降，17:00 后显著减少并维持在较低水平。可以得出，粒子数目随时间变化序列图反映了降水粒子的生成、发展与消散过程随时间的演变，与当日不同时段的降水微物理过程（如凝结、碰撞合并、蒸发）及天气系统（如云系活动）的变化密切相关，粒子数峰值对应降水的活跃阶段，粒子数的持续下降则指示降水过程的减弱或趋于结束。

图3 2023年12月14日降雪天气过程雨滴谱数目随时间变化的序列图

由图4可以看出，降雪粒子直径主要集中在通道4-9（0.375~1mm）之间，在通道5（≥0.5 mm）粒子数目达到峰值（近1×105个），随后呈快速下降趋势，通道 5 后降至 2×10⁴个以下，通道 11 （≥1.25 mm）后趋近于 0。粒子速度主要集中在通道7-13（0.6-1.4 m/s）之间，在通道 11处（≥1.0 m/s）达到峰值（约 9×10⁴个），通道18（≥2.8 m/s）后趋近于 0。

图4  2023年12月14日降雪天气过程雨滴谱粒子总数与直径和速度的对应图

4. 结论

（1）仪器可靠性验证：针对此次选取的典型天气过程，DSG4 型降水现象仪利用雨滴谱反演降水量与称重式、翻斗式自动雨量计观测结果整体一致性良好，层状云降雨、降雪相关性表现稳定。

（2）雨滴谱特征差异：层状云降雨则以小粒子（0.25-0.625 mm）为主，落速较低（1.0-3.2 m/s），体现其持续时间长、降水强度平缓的宏观特征；降雪粒子直径集中于 0.375-1 mm，粒子落速（0.6-1.4 m/s）普遍低于降雨，粒子数高峰（近4000个）对应雨夹雪向纯雪转换的降水活跃期，反映相态变化对微物理特征的影响。

层状云降雨和降雪两者的雨滴谱特征差异显著，体现在粒子平均直径、浓度、谱宽及下落速度等多个维度。本研究系统揭示了邢台地区不同类型降水的雨滴谱特征，可直接应用于改进本地雷达QPE算法、基于雨滴谱特征的天气类型自动识别及人工影响天气的精细化管理。

参考文献

[1]邹书平,柯莉萍,熊凯,等. 雨滴谱反演降水与实际降水变化趋势一致性分析[J]. 中低纬山地气象, 2021, 45(02): 1-7.

[2]马远,王光里,尤海. 不同降水量强度标准在降水强度判断上的差异[J]. 气象水文海洋仪器, 2011, 28(03): 9-12.

[3]葛黎黎,吕国真,赵桂香,等. 山西晋城“7·11”暴雨过程雨滴谱特征_葛黎黎[J]. 沙漠与绿洲气象, 2023, 17(03): 17-25.

[4]刘平,黄彦彬,王维佳,等. 基于雨滴谱的增雨作业微物理特征分析[J]. 气象科技, 2021, (02): 244-252.

[5]申高航,高安春,王子悦,等. 一次冰雹过程降水量观测对比分析[J]. 气象科技, 2024, 52(01): 10-18.

基金项目：邢台市市科技计划项目《基于DSG4型降水现象仪数据的邢台地区降水的雨滴谱特征研究》(项目编号:2023ZC302)

作者简介：荀伟唯（1982.05）女，汉族，河北省隆尧县，本科学历，副高级工程师，研究方向：综合气象业务。