引言

热带气旋登陆所带来的强降水是影响中国最大的灾害性天气之一(陈联寿等, 2004, 2017；岳彩军等，2017)。近年来，安徽省发生的严重致灾暴雨有相当一部分都是由台风引发，如2005年“泰利”台风暴雨、2008年“凤凰”台风暴雨等，气象专家对此已有研究(何立富等，2006；刘裕禄等，2009；朱红芳等，2015)。以上台风暴雨研究主要集中在天气学诊断分析、数值模拟等方面，而利用雨滴谱资料研究台风暴雨过程中降水微物理特征的不多。

近年来雨滴谱等新型探测仪器得到了广泛应用，对雨滴谱资料的观测分析已成为研究云降水物理特征的一个重要方面，这对理解降水内部的微物理特征变化、改善雷达定量估测降水、改进模式微物理参数化进而提高其预报能力均具有重要意义和作用(吴亚昊等，2016；张扬等，2016；梅海霞等，2017)。在不同气候区、不同地形下雨滴谱特征分布的时空变化存在很大差异(Bringi et al., 2003；陈磊等，2013；江新安和王敏仲，2015；杨俊梅等，2016)。Wen等(2016)分析中国东部地区夏季降水雨滴谱特征表明，与相同气候区(台湾、日本)的结果相比，其雨滴粒径整体更小且浓度更大。即使同一气候区，不同系统降水的微物理特征也有明显差异。目前国内外学者多是针对不同天气系统如锋面暴雨、暴雪、飑线等的微物理特征作出分析研究。Tokay等(2008)统计分析2004—2006年大西洋台风季7个台风的雨滴谱分布(DSD)特征发现，热带台风降水主要由高浓度的中、小雨滴组成，而温带台风的DSD则存在相对高浓度的大雨滴。廖菲等(2011)分析2008年6月珠江三角洲地区两次雷电降水过程的雨滴谱特征揭示了云系不同部位雨滴谱的各谱特征量有所不同，谱型分布也存在明显差异。Chen等(2012)分析了台风“莫拉克” (0908)登陆前后雨滴谱特征及其微物理参量变化，探讨了台风不同部位的云体结构区别，结果表明:台风外雨带和眼区产生层状降雨，而眼墙为对流或混合性对流降雨；眼墙的粒径分布更广。李德俊等(2013)利用激光雨滴谱仪、微波辐射仪等多种探测资料详细分析了2011年2月12日武汉一次短时暴雪天气过程中不同降水相态的滴谱变化、水汽相态变化等演变特征。金祺等(2015a)分析安徽滁州夏季一次飑线过程雨滴谱特征表明，对流中心降水各粒径段雨滴数浓度均较高，层云降水小雨滴浓度较低且有少量大雨滴，过渡性降水由小雨滴组成。袁野等(2016)分析安徽黄山山顶和山底不同高度和不同云系降水的雨滴谱特征表明，山顶平均雨滴数浓度大于山底，平均峰值直径和平均质量半数直径在下落过程中均有增加，但雨滴谱谱宽变化较小。Thurai等(2016)使用二维视频雨滴谱仪探测的雨滴标准化数浓度和雨滴体积中值直径进行了层状云、对流云降水分类。周黎明等(2017)分析3类不同天气系统影响下暴雨的降水微结构特征显示，3类暴雨的雨滴谱都很宽，且直径大于1 mm的雨滴数量是决定降水量的主要因素，雨滴数浓度、降水强度、最大直径值等参量按低槽冷锋暴雨、切变线暴雨、气旋暴雨递减。上述研究对揭示各类降水天气雨滴谱特征变化规律具有重要参考价值。然而，安徽作为华东内陆省份，每年从其过境的台风不多，受限于样本数据积累不多，目前对台风暴雨中降水粒子谱的微物理特征认识还不充分，尚需深入研究。为此，本文以2012年第11号台风“海葵” (1211号)进入安徽后所造成的暴雨过程为例，利用常规气象观测资料、雨滴谱资料以及NCEP/NCAR再分析资料，分析了“海葵”台风暴雨中不同阶段雨滴谱特征变化，以期提高对台风暴雨过程降水形成特点和机制的认识，进而为安徽台风暴雨精细化预报和临近预警提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 资料说明

本文使用的资料包括Parsivel激光雨滴谱仪观测数据、2012年8月7—10日安徽省区域自动气象站降雨量资料与NCEP/NCAR间隔6 h的1°×1°再分析资料。两部Parsivel激光雨滴谱仪均为德国OTT公司生产，其测量传感器能精密测得地面降水粒子，谱数据分为32个直径通道和32个速度通道，以1 min为采样间隔。

1.2 观测站点选取与数据预处理

图 1给出2012年8月3日08时(北京时，下同)—11日08时台风“海葵”的移动路径(数据来源于CMA热带气旋最佳路径数据集)。上述两部雨滴谱仪分别安装在安徽省江淮地区东部的滁州站(118.31°E，32.3°N，图 1中以“○”标示)以及江南南部黄山汤口镇黄山山底站(118.17°E，30.07°N，图 1中以“+”标示)。从图 1中可见，两站分别位于台风“海葵”路径的北面和南面：黄山山底站更接近台风移动路径，滁州站位于台风外围，由雨滴谱数据可反映台风环流中心附近以及其移动方向右侧强降水区的降水特征。

雨滴谱仪在观测时，考虑到其存在信噪比，因此未使用前两个直径通道的数据，实际可测的降水粒子直径范围在0.3~25.0 mm之间；另外，为减小误差，对收集到的雨滴谱数据，参考金祺等的文献(2015b)进行了变形订正，剔除每分钟总雨滴数小于10或雨强小于0.1 mm·h^-1的样本。经预处理后，分别计算滁州、黄山山底站雨滴谱仪测得的小时雨量，与同站地面雨量筒所测的小时雨量进行相关性分析，其相关系数分别为0.92、0.99。考虑到仪器测量精度的差异，可认为雨滴谱仪所测数据均能较好反映实际降水变化，其数据质量可靠。

1.3 雨滴谱参数计算方法

利用观测得到的雨滴谱资料，根据下式计算雨滴数浓度N(D_i)

$ N\left(D_{i}\right)=\sum\limits_{j=1}^{32} \frac{n_{ij}}{A \cdot t \cdot V_{j} \cdot \Delta D_{i}} $

(1)

式(1)中，n_ij为第i个直径通道、第j个速度通道的雨滴数；A (单位: m²)、t (单位: s)分别为取样面积和取样时间；V_j (单位: m·s^-1)为第j个速度通道的雨滴下落末速度；D_i (单位: mm)为第i个直径通道的雨滴直径；ΔD_i为对应的分档尺度间隔，N(D_i) (单位: mm^-1·m^-3)为单位体积内第i个直径通道D_i至D_i + ΔD_i的雨滴数浓度。

另外，参考有关文献(李德俊等，2013；金祺等，2015b)中的方法，通过N(D_i)计算质量加权平均直径D_m (单位: mm)、雨强R(单位: mm·h^-1)和标准化数浓度N_w (单位: mm^-1·m^-3)等雨滴谱参数。其中，N_w是一个独立的物理量，可反映雨滴数浓度大小，且与降水类型有关(Testud et al., 2001)。

2 降水实况与环流背景 2.1 台风“海葵”概况

2012年第11号台风“海葵”于8月3日08时在日本东偏南的西北太平洋洋面上生成，并在西太平洋副热带高压(以下简称副高)南侧的偏东气流引导下向西北偏西方向移动；8日03时以强台风级别在浙江省象山县沿海登陆，登陆后“海葵”继续向西北方向移动，于8日20时进入安徽省东南部，并沿宁国、泾县、青阳、池州一线以5~10 km·h^-1速度缓慢移动，强度逐渐减弱；9日11时后其原地回旋少动，12时减弱为热带低压，23时在池州停止编报(移动路径见图 1中的蓝线)。

自8月7日夜至11日“海葵”带来的风雨天气给安徽部分地区造成严重影响，强降水集中在安徽淮河以南地区，其中降雨显著时段在8—9日，其逐日累计降雨量分布见图 2。分析安徽省区域自动站雨量资料可知: 8日强降水(图 2a)集中在江淮地区南部和江南地区，其中滁州地区东部和皖南山区出现大暴雨，有328站(含区域站，下同)日雨量超过100 mm，最大达421.9 mm (黄山大峡谷站)；9日强降水区(图 2b)位于江淮地区中北部和沿江江南西部，大别山区和江南西部出现大暴雨，有201站日雨量超过100 mm，最大达305.3 mm (金寨马鬃岭站)。8日00时—10日08时逐时降水量大于等于10 mm、25 mm站数与最大小时雨强变化(图 2c)显示，“海葵”台风降水过程持续时间较长，可分为两个阶段：第一阶段在8日04时—9日02时，暴雨区位于江淮地区南部和江南，即台风低压中心附近，强降水集中时段为8日09—20时，小时雨量维持在35~50 mm之间，最大为48.9 mm；第二阶段在9日02时—10日00时，暴雨区北移至沿淮、江淮地区北部和江南西部，即台风倒槽西侧，强降水集中时段为9日08—20时，小时雨量变幅为30~55 mm，最大51.3 mm，出现在滁州地区北部，略强于第一阶段。

2.2 环流背景

台风暴雨发生发展与大尺度环流形势关系密切(程正泉等，2009)。“海葵”影响安徽期间两个强降水阶段的天气环流形势存在较大差异，影响系统也不尽相同。图 3给出2012年8月8日02时—9日02时、9日02时—10日02时两段强降水期间500 hPa平均高度场(NCEP再分析资料)。图 3a显示：第一段为8日凌晨到9日前期出现在安徽南部的台风本体降水；此降水期间，位于台风北侧的副高与大陆高压合并，并从海上一直深入到河套地区，形成一个窄长的高压坝横亘在35°N附近，其南面的偏东气流引导“海葵”向西北方向移动，暴雨发生在环流中心及北侧偏东急流区中。图 3b显示：第二阶段是9—10日因弱冷空气入侵由“海葵”低压环流与西风槽结合产生的强降水，9日08时台风倒槽位于安徽江淮之间东部，随着华北低槽东移南下，倒槽东侧低空东南急流携带的暖湿气流与南下冷空气交汇，触发不稳定能量释放，导致降水再次增强，暴雨发生在江淮之间的安徽北部。

综上所述，“海葵”台风暴雨的主要特点是降水持续时间长，累计雨量大，强降水集中在大别山区、江淮中东部和江南地区；结合降水分布和主要影响系统分析可知，此过程可分为台风本体降水(第一阶段)和冷空气入侵台风倒槽降水(第二阶段)两个阶段，其中第二阶段大暴雨区域比第一阶段小，但暴雨中心降水强度略大。

3 雨滴谱特征分析

“海葵”影响安徽期间，滁州和黄山山底站均出现暴雨，地面雨量计观测的逐小时雨量分布(图略)显示，两站最大雨强均达到30 mm·h^-1左右，但两站出现较强降水的时段差异明显：黄山山底站在8日09—20时雨强持续超过5 mm·h^-1 (17—18时最大为29.7 mm·h^-1)，滁州站仅在9日12—15时雨强超过5 mm·h^-1 (13—14时最大为30.5 mm·h^-1)。结合对图 3的分析可知，两站分别处于台风不同部位上：黄山山底站处于台风环流中心附近，降水类型以台风本体降水为主；而滁州站位于西风槽与台风低压环流结合处，是由弱冷空气入侵所引发的暴雨，其强降水发生时间较黄山山底站略晚且明显偏短。本文利用这两站的雨滴谱观测数据对“海葵”前后两个强降水阶段的微物理特征对比分析如下。

3.1 雨滴谱时间演变特征

雨滴谱的微物理参数可反映降水的若干微物理特性，其随时间演变能较好地反映降水粒子的演变特征。因此，本文利用滁州和黄山山底站高分辨率(分钟级)雨滴谱资料，制作了“海葵”台风降水过程中两站的雨滴数浓度lgN(D)、雨强R的时间变化图(图 4)。从中看到：(1)滁州站(图 4a)在9日00时之前处于台风外围，仅出现弱降水，雨强基本上小于1 mm·h^-1；9日00时后表现为阵性强降水，雨强起伏较大，最大雨强达到100 mm·h^-1。黄山山底站(图 4b)始终处于台风环流中心附近，9日02时前以阵性降水为主，雨强普遍较大，最大雨强达60 mm·h^-1；9日02时后随着台风低压环流减弱，黄山山底站降水减弱且变化平稳。这与上文分析的地面雨量计观测的降水演变特征一致，即黄山山底站主要反映了第一阶段台风本体强降水特征，而滁州站反映了第二阶段冷空气入侵台风倒槽降水的特征。(2)滁州站(图 4a)在第二阶段的lgN(D)大多超过1.7 mm^-1· m^-3，较第一阶段明显增大；其大值主要集中在9日12—15时即雨强陡增时段，最大为3.57 mm^-1·m^-3。而黄山山底站(图 4b)在第一、二阶段lgN(D)均大于1.7 mm^-1·m^-3，明显高于滁州站；其lgN(D)大值集中在第一阶段后期和第二阶段前中期，普遍超过3.2 mm^-1·m^-3，最大达到3.88 mm^-1·m^-3。(3)从雨滴大小分布看，滁州站(图 4a)在第一阶段雨滴直径大多不超过2 mm，在第二阶段有所增大，其中最大雨强时段的雨滴直径超过5 mm。而黄山山底站(图 4b)，在第一阶段的雨滴直径最大为4 mm，小于滁州站强降水时段的雨滴直径；第二阶段雨滴直径减小到2 mm以下，尤其是大于3.2 mm^-1·m^-3的lgN(D)大值区的雨滴直径集中于1 mm以下。

3.2 雨滴谱物理参数特征分析

为了解“海葵”台风降水过程中滁州和黄山山底站降水粒子的分布情况，分别给出其雨滴质量加权平均直径(D_m)、标准化数浓度(N_w)与雨强(R)的散点分布图(图 5)。从中可见：(1)黄山山底站D_m的分布范围在0.5~2.5 mm之间(通常雨滴直径1 mm以下为小雨滴，3 mm以上为大雨滴，介于两者之间为中雨滴)，以中小雨滴为主且分布集中，与R关系不大。而滁州站在R＜25 mm·h^-1时，D_m＜2.5 mm，以中小雨滴为主；当R＞25 mm·h^-1时，D_m增大至2.5~3.5 mm，但数量明显减少。通过对比可知，“海葵”降水过程中黄山山底站多为中小雨滴，而滁州站则有一定数量的大雨滴存在(图 5a)。(2)当R较小时，黄山山底站的N_w分布范围较广，为10²~10⁵ mm^-1·m^-3；随着R增大，雨滴数浓度逐渐稳定在10⁴ mm^-1·m^-3左右。滁州站在R较小时N_w为10²~10⁴ mm^-1·m^-3，分布范围也较广，但其极值远小于黄山山底站；R增大时，N_w在10³~10⁴ mm^-1·m^-3之间波动，仍略小于黄山山底站雨滴数浓度，这说明此时较大直径的雨滴对R增大的贡献更为显著，使得滁州站瞬时雨强超过黄山山底站。以上分析表明，整个台风降水过程中黄山山底站具有更高的雨滴数浓度(图 5b)。

为进一步研究降水微物理特征在不同降水阶段的变化，对滁州和黄山山底站在此次台风降水过程中的微物理参量R、D_m和N_w进行了统计分析。表 1给出整个降水过程中以及不同降水阶段的微物理参量平均值。从中看到：本次降水过程中滁州站的D_m略小于黄山山底站，R和lgN_w (对N_w取对数值)则小于黄山山底站，总体而言，其差异不明显；而在不同降水阶段，滁州站和黄山山底站各微物理参量差异较大。台风本体降水阶段，滁州站R、D_m和lgN_w均明显小于黄山山底站，这是由于此阶段滁州站处于台风外围，降水不明显(平均雨强仅为0.4 mm·h^-1)；而黄山山底站位于台风环流中心附近，降水强度大，有直径为2~4 mm的中大雨滴存在(图 4b)，因此平均雨强达8.18 mm·h^-1，相应的D_m和lgN_w也远大于滁州站。在冷空气入侵降水阶段，滁州站各微物理参量明显增大，其R、D_m明显大于黄山山底站，lgN_w仍略小；究其原因，弱冷空气由偏北、偏东位置入侵江淮东部，滁州站及其附近有对流性降水发生，其降水强度明显增大，达5.09 mm·h^-1，且出现了直径3~5 mm的大雨滴(图 4a)。

3.3 平均谱分布特征

不同的降水类型和天气形势下降水的雨滴谱特征差异明显，为了研究不同降水阶段的谱分布特征，计算了滁州和黄山山底站在“海葵”台风降水过程中以及不同降水阶段的平均谱分布即雨滴直径-雨滴数浓度谱分布(通过对各直径区间的雨滴数浓度平均求得)特征(图 6)。从中看到：(1)整个降水过程中滁州站和黄山山底站的谱宽较大(图 6a)，均超过6 mm，滁州站的谱宽略大。当雨滴直径小于2.5 mm时，黄山山底站有更大的雨滴数浓度(N(D))，峰值达到10³ mm^-1·m^-3；大雨滴时，黄山山底站的粒子数迅速减小，而滁州站具有更大的雨滴数浓度。这表明黄山山底站降水的小雨滴数更多，而滁州站有较多的大雨滴。(2)将两站整个降水阶段平均谱(图 6a)与各阶段平均谱(图 6b)对比来看，黄山山底站整个降水过程中的平均谱接近第一阶段的雨滴谱型，而滁州站整个降水过程的平均谱型接近第二阶段的雨滴谱型。这再次印证了黄山山底站主要反映了第一阶段台风本体强降水特征，而滁州站反映了第二阶段冷空气入侵台风倒槽降水的特征。(3)分析各阶段雨滴平均谱(图 6b)可知，滁州站在台风本体降水阶段谱宽小于4 mm、雨滴数浓度小于10² mm^-1·m^-3；到冷空气入侵降水阶段，谱宽、雨滴数浓度均明显增加大，分别达到8 mm和10² mm^-1·m^-3以上；从第一到第二阶段其雨滴谱型变化明显，呈现出谱宽由窄变宽、各档尺度雨滴数浓度均增大的特点。黄山山底站在台风本体降水阶段谱宽约为7 mm，雨滴数浓度由10² mm^-1·m^-3增大至10³ mm^-1·m^-3，再随直径增大逐渐减小；到冷空气入侵降水阶段，谱宽减小至5 mm，雨滴数浓度变化与第一阶段相似；从第一到第二阶段，雨滴谱型差异不大，表现出谱宽由宽变窄、雨滴数浓度随直径增大先增后减的特点。

为更深入认识降水过程中雨滴谱的分布特征，将滁州站和黄山山底站台风降水整个过程的雨滴谱数据按照雨强(R，单位: mm·h^-1)大小分为6档(0＜R≤2, 2＜R≤5, 5＜R≤10, 10＜R≤20, 20＜R≤40, R＞40)，进一步分析降水粒子数浓度、大小与降水强度之间的关系。图 7给出上述两站各档雨强下的平均雨滴谱分布情况。从中可见，两站各档雨强的雨滴谱谱型基本相似，大多数表现为单峰型结构；其中滁州站在10 mm·h^-1＜R≤20 mm·h^-1时、黄山山底站在5 mm·h^-1＜R≤10 mm·h^-1时雨滴谱型呈双峰结构。同时，随着R增大，两站的谱宽均逐渐增大，且雨滴数浓度相应变大，即雨滴数浓度和谱宽均呈现显著增加趋势，谱型有明显外扩现象。这表明较大粒子的增加是造成降水强度增大的原因之一。

3.4 速度谱分布特征

雨滴谱仪还可用来测量雨滴的下落速度，这对研究降水下落条件、雨滴碰并过程等具有重要意义。图 8给出“海葵”降水过程中滁州和黄山山底站的雨滴下落末速度与雨滴直径分布图。从中可见，8月8日00时至10日00时整个降水过程中，两站的雨滴下落速度主要集中在2~6 m·s^-1之间，最大可达8 m·s^-1，其差异不明显；但黄山山底站的粒子中心浓度达1 000个·m^-3，远高于滁州站的300个·m^-3，而滁州站的最大雨滴直径略大于黄山山底站。其中滁州站的下落速度峰值在4 m·s^-1附近，峰值直径集中在1 mm处；而黄山山底站下落速度除4 m·s^-1左右的主峰值外，还存在一个3 m·s^-1的次峰值，对应的峰值直径分别为1.0 mm、0.5 mm左右。

4 结论与讨论

本文利用安徽省滁州和黄山山底站的雨滴谱资料等，着重对2012年8月8—9日“海葵”台风暴雨过程中前后两个阶段(即台风本体暴雨与冷空气入侵台风倒槽暴雨)的雨滴谱特征进行了分析研究，其初步结论如下：

(1) “海葵”台风降水过程中，黄山山底站具有更高的雨滴数浓度和较小的雨滴直径；而在不同的降水阶段，滁州和黄山山底站表现出不同的滴谱特征，即从台风本体降水到冷空气入侵降水阶段，滁州站降水明显增强、雨滴数浓度增大以及雨滴直径变大，黄山山底站降水略有减弱、雨滴数浓度变化不大、雨滴直径减小。

(2) 整个降水过程中，黄山山底站以小雨滴为主且分布集中，与雨强(R)大小关系不大；滁州站在R＜25 mm·h^-1时以小雨滴为主；R超过25 mm·h^-1时，雨滴质量加权平均直径(D_m)增大，但雨滴数量明显减少。在台风本体降水阶段，滁州站R、D_m和标准化数浓度lg N_w的均值均小于黄山山底站；至冷空气入侵降水阶段，滁州站的R、D_m和lg N_w明显增大，其中R、D_m均大于黄山山底站。

(3) “海葵”降水过程中，滁州站和黄山山底站平均谱谱宽均较大，但滁州站的谱宽更宽。从台风本体降水到冷空气入侵降水阶段，滁州站雨滴谱型变化明显，呈现出谱宽由窄变宽、各档尺度雨滴数浓度均增大的特点，且整个降水过程的平均谱接近冷空气入侵降水阶段的雨滴谱型；黄山山底站雨滴谱型差异不大，表现出谱宽由宽变窄、雨滴数浓度随直径增大先增后减的特点，其整个降水过程的平均谱接近台风本体降水阶段的雨滴谱型。另外，不同雨强下两站的雨滴谱谱型基本相似，且随着降水强度增大，谱宽和雨滴数浓度均呈增大趋势。

本文针对“海葵”台风暴雨所归纳的雨滴谱特征，如“存在较高浓度的中小尺度降水粒子”“单峰型谱型结构”“高浓度雨滴多出现在0.5~0.7 mm范围”，与Tokay等(2008)、廖菲等(2011)及Chen等(2012)研究得到的相关结论基本一致，但与“莫拉克”台风暴雨雨滴直径分布相比(Chen等，2012)，“海葵”台风暴雨雨滴直径分布更广。因此，虽然本文对台风暴雨过程中不同站点和降水阶段的雨滴谱特征差异的分析有助于加强对其降水形成机制的认识，但需要说明的是，文中雨滴谱特征的分析仅基于一次台风暴雨过程中的两个站点，其相关结论的可靠性还有待于后期积累更多台风个例、选择更多站点的统计分析来验证，并探讨台风雨滴谱特征与区域和降水类型的关系。此外，将本文分析得到的“海葵”台风暴雨雨滴谱型、谱宽等雨滴谱特征与其他降水系统的进行比较，其间仍有较大差异，如暖切暴雨最大雨滴数浓度达10⁴量级，且不同雨强下平均雨滴谱型分别表现为单峰型、指数型、多峰型(周黎明等，2015)；而锋面降水过程中雨滴谱的谱宽一直较大，且在降水旺盛时期呈双峰(多峰)型分布(廖菲等，2011)。要探明这些差异的原因，后期仍需积累更多个例，加强对安徽不同类型降水系统雨滴谱特征的比较分析。