中国西南季风海岸地区雨滴尺寸分布的季节性特征及其相应的物理过程

《Atmospheric Research》：Seasonal characteristics of raindrop size distribution and corresponding physical processes over Southwest China monsoon coast

本研究基于2017-2024年PARSIVEL2数据，分析中国西南海岸暴雨核心区降水微物理特性。结果表明，季风期雨滴谱最宽，中大型雨滴占优；后季风期谱窄，以小滴为主；前季风期介于两者之间。对流雨占比83%以上，其Dm和NW参数与大陆性对流特征相似。通过微物理主成分分析及垂直结构剖面揭示，季风变化主要由冰相过程增强引起，后季风期则受暖雨过程主导，形成海洋性对流特征。构建的雨参数图有效区分降水类型并揭示微物理机制的季节演变规律，为沿海季风区降水参数化及定量估计算法提供理论基础。

　　

作者名单：林娜·沙（Lina Sha）、吕静晶（Jingjing Lv）、莫祖西（Zusi Mo）、陶伟（Wei Tao）、朱斌（Bin Zhu）、卢春松（Chunsong Lu）、周月（Yue Zhou）、史冰莹（Bingying Shi）、龚海星（Haixing Gong）

单位：中国气象局气候系统预测与风险管理国家重点实验室、气溶胶-云与降水重点实验室及气象灾害预报与评估协同创新中心（CIC-FEMD），南京信息科学研究院，南京 210044，中国

摘要

本研究利用2017至2024年八年的雨滴计数器观测数据，分析了中国西南沿海地区强降雨核心区域的雨滴尺寸分布（DSD）特征的季节性变化。季风期间的尺寸分布范围最广，以中等和较大尺寸的雨滴为主；季风后期尺寸分布较窄，以小尺寸雨滴为主；而季风前期则呈现中间特征。对流雨（CR）贡献了总降水量的83%以上，其中中等和较大尺寸雨滴的浓度比层状雨高1-3个数量级。季风期间的对流雨具有最高的质量加权平均直径（Dm）（1.92毫米）和标准化的截距参数log10Nw（3.81），其特性更接近大陆性对流。微物理主成分分析和垂直结构剖面显示，在高不稳定度、上升运动和混合相云的条件下，冰相过程得到了增强。相反，季风后期低不稳定性和浅层云层则导致以暖雨过程为主，具有海洋性对流特征。通过雨滴参数图可视化了雷达反射率与降水率之间的关系以及Dm-Nw值对，有效区分了不同类型的降水，并揭示了沿大陆性和海洋性对流特征的微物理变化。这些发现为理解DSD季节性变化的关键物理机制提供了基础，对季风主导的沿海地区的微物理参数化和定量降水估计具有重要的意义。

引言

亚洲季风系统是全球气候系统的重要组成部分，显著影响亚洲地区的降水时空分布（Ding和Chan，2005）。季风的建立、增强和消退过程从根本上塑造了季风区域的降水季节性演变，从而调节了区域水文循环和生态系统动态（Zhang等人，2024）。随着全球气候变暖，季风地区的暴雨事件强度增加，给模型预报带来了重大挑战（Shu等人，2025；Thackeray等人，2022）。对降水微物理过程理解不足导致降水预报存在较大不确定性（Luo等人，2017）。 雨滴尺寸分布（DSD）作为降水的基本微物理属性，包含了关于水成物凝结、碰撞、冻结、破碎和蒸发等微物理过程的关键信息（Rosenfeld和Ulbrich，2003）。DSD直接影响雷达反射率因子（Z）与降水率（R）之间的关系。Z-R关系是地面雷达系统（Zhang等人，2001）和主动卫星雷达遥感（Liao等人，2014；Vivekanandan等人，2004）中进行定量降水估计（QPE）的基础。因此，研究DSD特征对于理解降水微物理机制和提高预报能力至关重要（Ulbrich和Atlas，2007）。 不同季风区域以及季风活动不同时期观察到了DSD的显著差异（Murali Krishna等人，2021；Seela等人，2024；Shrivastava等人，2026）。Wen等人（2016）发现，梅雨前后的平均质量加权平均直径（Dm）有所下降，而梅雨后的标准化截距参数（Nw）高于其他两个时期。Zeng等人（2019）发现，南海地区的季风前期以小雨滴为主，而季风后期则以大雨滴为主。夏季季风期间进行的双极化雷达反演和雨滴计数器观测表明，对流雨以较小雨滴为主，具有海洋性对流特征（Lai等人，2026；Yu等人，2023）。这些DSD的变化表明，在整个季风期间，降水微物理机制发生了根本性变化，这些变化同时影响了用于雷达降水估计的Z-R关系。 中国南部同时受到东亚季风和南亚季风的影响，其降水时空分布受到地形特征和季风动力学的复杂相互作用的影响（Ha等人，2018）。由于地形特征与季风动力学的相互作用，中国南部沿海地区的降水分布具有明显的区域性差异（Bai等人，2020）。东南沿海地区形成独特的喇叭形地形，直接与开阔的南海相连，主要受东亚季风系统控制（Rao等人，2023）。相比之下，西南沿海地区面临半封闭的北部湾，其降水特征受到东亚和南亚季风系统的共同影响（Wang等人，2025）。这些差异可能导致两个地区在不同季风期间的降水特征存在显著差异。尽管在东南沿海地区进行了大量的微物理研究（例如Han等人，2022；Lai等人，2025；Yu等人，2023），但西南沿海地区的DSD特征及其季节性变化的研究仍相对不足。 中国西南沿海地区（SWCC）北邻石湾山，面向北部湾，是西南湿润气流向内陆输送的主要通道。石湾山南麓地区降雨持续时间长，降水量大，极端降水事件频繁。该地区是中国的主要降雨中心之一，也被称为广西的雨区（Li等人，2019；Zhao等人，2017）。然而，关于夏季季风期间降水微物理过程的分析在西南沿海地区仍较为缺乏，尤其是长期观测数据。尽管Z-R关系的变化已有大量记录，但其背后的微物理机制仍需进一步研究，特别是在不同降水类型和季风期间。 本文利用2017至2024年在该地区强降雨核心区域的雨滴计数器观测数据，研究了西南沿海地区季风前期、季风期和季风后期的降水微物理及相关物理机制。研究内容安排如下：第2节介绍数据和方法；第3节描述不同降水类型下的DSD特征；第4节探讨影响DSD季节性变化的潜在机制；第5节进行总结。

材料与方法

本研究分析的数据来自部署在SWCC两个代表性站点（东兴DX，21.57°N，107.95°E；钦州QZ，21.98°N，108.60°E）的第二代粒子尺寸速度（PARSIVEL²）雨滴计数器，观测时间为2017至2024年，分辨率为1分钟。SWCC位于北回归线以南，属于亚热带季风气候区，位于中国西南沿海最南端。

DSD特征

图3a展示了季风前期、季风期和季风后期的复合雨滴光谱特征，图3b展示了不同降水类型的雨滴光谱。不同季节和不同降水模式的复合光谱均呈现相似的单峰分布，符合伽马函数分布。为了清晰显示DSD的变化，添加了两条虚线以区分小尺寸（D < 1毫米）、中等尺寸（1 ≤ D ≤ 3毫米）和……

讨论

上述分析表明，SWCC地区的降水微物理过程存在显著的季节性变化，这显著影响了Z-R关系，尤其是在海洋性对流和大陆性对流特征之间的转换。这些微物理变化并非随机波动，而是与环境条件和云尺度微物理过程的季节性变化密切相关（Bringi等人，2003；Tokay和Short，……

结论

本文利用2017至2024年间在SWCC强降雨核心区域部署的两个PARSIVEL²雨滴计数器收集的数据，研究了季风期间DSD的变化。主要结论如下： （1）季风期间的DSD尺寸分布范围最广，以中等和较大尺寸的雨滴为主；而季风后期小尺寸雨滴的浓度最高。

CRediT作者贡献声明

林娜·沙（Lina Sha）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析。 吕静晶（Jingjing Lv）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、指导、方法论、概念构思。 莫祖西（Zusi Mo）：软件开发、数据管理。 陶伟（Wei Tao）：数据管理。 朱斌（Bin Zhu）：撰写 – 审稿与编辑、指导。 卢春松（Chunsong Lu）：撰写 – 审稿与编辑、指导。 周月（Yue Zhou）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。 史冰莹（Bingying Shi）：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42575085、42325503、42021004、41675136）和广西重点研发计划（项目编号：AB20159013）的共同支持。