近地百米，雨滴为何忽大忽小？风湿联手揭秘

研究背景

降水在水文与气候系统中居于核心地位，且呈现显著的时空变率。其特征深受小尺度微物理过程影响，并能显著改变云的形成与降雨发展。其中，雨滴尺寸分布（DSD）是云与降水微物理的基本表征之一，随降水类型与环境条件而变化。可靠的DSD观测证据对于理解微物理过程与改进定量降水估计（QPE）至关重要。然而，卫星/雷达遥感受反演不确定性与分辨率所限，传统地面仪器又缺乏垂直细节，导致我们对近地表百米尺度内高度可变的雨滴行为及其对 QPE 的影响仍缺乏认识。

为弥补这一空白，本文利用深圳356 m气象塔多高度的原位观测，系统量化环境因子（相对湿度、风速）与DSD的关系，并展示其用于改进QPE的实际价值。

近地面DSD特征

研究发现，在华南地区夏季近地面，雨滴在降落过程中会发生显著的破碎，导致尺寸减小，伴随大型（约大于3 mm）、中型（约大于1 mm）雨滴向小雨滴（约小于1 mm）转化，使得大、中型雨滴粒径（Dm），液态水含量（LWC）等随高度减小，小雨滴则相反。深入分析后得到，雨滴破碎阈值约为1.16 mm，为模式参数化提供参考约束。

图1. （a）在

的二维空间中，雨滴谱观测的归一化频率（%）。数字表示每个象限中的样本比例。（b）柱状图表示不同雨滴大小在三个高度对LWC的相对贡献，而折线图显示了它们对RR的贡献。黑色数字表示平均Dm值。（c）三个高度的平均DSD，红色数字表示三条线1.16 mm处的交点。

环境因子与微物理参量的统计关系

探究了环境因素如何影响雨滴微物理参数变化，特别是雷达反射率因子（Z）、液态水含量 （LWC） 和雨滴质量加权直径（Dm）。随着相对湿度的增加，这些参数的变异性减小 相反，更高的风速会导致更大的变化。

根据相对湿度、风速与上述参数的拟合函数检验环境对微物理参数估计效果。与真实分布相比，仅基于相对湿度估计会偏正，仅基于风速估计会偏负。基于相对湿度与风速的联合估计达到了最佳，与真实分布最接近。

图2.

与（a）相对湿度（%）和（b）风速（m/s）的散点图，以及最小二乘法的拟合曲线。图（c-e）显示了基于相对湿度（绿色）、风速（橙色）及联合（紫色）的中值估计值和标准偏差的分布与观测值（实心标记）比较。数据按降雨率百分位数分类：第0-30、第30-70和第70-100。p值表示零假设下结果的概率（Student检验；p<0.05表示在95%置信水平下具有统计学意义）。

环境对雨滴微物理的调控机制

根据上述统计关系物理解释：较高的湿度促进雨滴聚并生长，强风则是促进雨滴破碎，因此导致图2中参数差异随风速增大，但随湿度减小的现象。以季风与台风（主要由外雨带组成）个例检验结论适用性，季风相比台风外雨带风速偏小，湿度相对高。在潮湿环境与风力较弱的季风条件下，雨滴破碎较弱，聚并更为明显。

图3. 散点图类似于图1a，显示了（a）相对湿度和（b）风速的变化。点表示落入

的第0-30、第30-70和第70-100百分位数的情况。小点表示Nt随着高度的降低而减小得更大（即

值越小）。（c）季风和台风相对湿度（绿线）和风速（橙线）的垂直剖面图。（d）散点图，如图1a所示，比较季风和台风情况。

量化与微物理过程相关的QPE偏差

显著的雨滴破碎会导致基于Z-R的QPE算法对地表降水高估。在不同天气系统强降雨期间，结合相对湿度和风速的校正将这种偏差减少最高可达75%，同时缓解降雨高估。

图4. （a）与观测值相比，估计中值和标准偏差的分布，按季风（红色）和台风（蓝色）的五个地表RR百分位数分类。（b，c）季风和台风条件下RR未校正、RR校正和地表RR（真值）的折线图。黑色和红色条分别表示校正前后的偏差，即

和

。红色文本（值，%）表示应用校正后实现的偏差减少百分比。

总结

本研究基于深圳铁塔多层原位观测，揭示华南季风区垂直百米精细尺度内破碎主导的降水微物理特征，其截断参数约为1.16毫米，为模式参数化提供直接观测证据。进一步建立环境与微物理关系的定量关系式并用于改进定量降水估计，显著降低由于探测盲区造成的降水高估现象，最高降低台风强降水偏差75%。该研究基于观测证据证明了即使在近地层百米尺度内，微物理过程造成的降水特征影响也不可忽视；本文相关定量参数可以为华南地区相关研究做重要参考。

论文发表

该研究成果《Hundred‐Meter‐Scale In Situ Observations Reveal Joint Impact of Humidity and Wind on Raindrop Microphysics》发表在《Geophysical Research Letters》。论文第一作者为2023级硕士研究生刘子彤，通讯作者为周昂博士、赵坤教授，南京大学为论文通讯单位。本论文研究受国家自然科学基金（42025501、42305006）、江苏省自然科学基金（BK20230800）、中国博士后科学基金博士后科研项目（GZC20231094）、灾害天气国家重点实验室开放课题（2024LASW-A02）、关键地球物质循环前沿科学中心“GeoX”跨学科项目（2020250209、020714380210、2024300264、2023300278）等支持。

END

声明：欢迎转载、转发。气象学家公众号转载信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。文中部分图片来源于网络，如涉及内容、版权和其他问题，请联系小编处理。