遂寧降雨動(dòng)能的探索性分析

胡 兵,張 玲,張 敏,吳 容

(1.四川省遂寧市氣象局，四川 遂寧 629000；2.四川省防雷中心，四川 成都 610072)

0 引言

降雨動(dòng)能是土壤侵蝕的重要原因，大量使用于降雨濺蝕土壤的計(jì)算、評(píng)價(jià)等工作。雨滴擊濺和徑流，是水滴侵蝕土壤的動(dòng)力。雨滴具有較大的能量，對(duì)土壤顆粒有很大的打擊力。水土流失的程度和降雨的特點(diǎn)具有一定的關(guān)系。雨滴譜特性主要指雨滴的直徑、組成分布、降落末速度和動(dòng)能。雨滴直徑?jīng)Q定了降落雨滴的質(zhì)量和速度，從而決定了雨滴所具有的動(dòng)能。常見(jiàn)測(cè)定雨滴直徑的方法有雷達(dá)觀測(cè)法、攝影法、浸入法、面粉法和濾紙色斑法。①雷達(dá)觀測(cè)法:用雷達(dá)能大面積粗略地觀測(cè)雨滴粒徑。②攝影法:在顯微鏡下測(cè)量經(jīng)高速攝影機(jī)拍好的雨滴的直徑。③浸入法:測(cè)量容器中油里的水珠來(lái)確定雨滴的直徑，對(duì)大雨滴不適用。④面粉法:根據(jù)雨滴滴入面粉所形成粉團(tuán)的重量來(lái)確定雨滴大小，不適用于測(cè)量粒徑太小的雨滴。⑤濾紙色斑法:通過(guò)測(cè)量雨滴在濾紙上留下的色斑大小推測(cè)雨滴直徑。由于測(cè)量技術(shù)粗略，雨滴直徑和下降末速度存在較大誤差。雨滴末速度的測(cè)定也不是直接測(cè)定，而是根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，用雨滴的直徑來(lái)粗略估測(cè)。

與以上方法不同，DSG4降水類天氣現(xiàn)象儀對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，自動(dòng)測(cè)量、記錄雨滴的個(gè)數(shù)，以及每個(gè)雨滴的直徑、末速度。激光測(cè)量的區(qū)域?yàn)?4cm，粒子直徑范圍為0.062～24.5mm，共32個(gè)等級(jí)；速度范圍為0.05～20.8m/s，共32個(gè)等級(jí)。降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蜃?計(jì)算降雨動(dòng)能是進(jìn)行水土流失定量評(píng)價(jià)的基本工作之一。利用DSG4降水類天氣現(xiàn)象儀的雨滴譜資料計(jì)算小時(shí)降雨動(dòng)能，對(duì)促進(jìn)涪江流域沿岸的水土保持有一定的積極意義。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

遂寧國(guó)家基本氣象站DSG4降水類天氣現(xiàn)象儀的核心元件采用Parsivel2激光降水粒子譜光學(xué)傳感器，對(duì)雨滴譜原始矩陣要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集。雨滴譜指單位體積內(nèi)雨滴的數(shù)量隨其直徑的分布。降水的云狀不同，相應(yīng)的雨滴譜也有區(qū)別，一次降水過(guò)程中也會(huì)有雨滴譜的變化。雨滴譜原始矩陣要素?cái)?shù)據(jù)表1 d 1個(gè)文件，文件首行為資料信息，從第2行起每1行存儲(chǔ)1 min的雨滴譜數(shù)據(jù)及其質(zhì)控碼，1行有5126個(gè)字節(jié)：時(shí)間信息占4個(gè)字節(jié)，32行速度和32列直徑共占4096個(gè)字節(jié)，質(zhì)控碼共占1024字節(jié)，回車換行2個(gè)字節(jié)。文件存儲(chǔ)于ISOS地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件的dataset省名區(qū)站號(hào)AWSweather雨滴譜Minute目錄下。本文所用數(shù)據(jù)篩選遂寧國(guó)家基本氣象站2020年10月4日02—08時(shí)、5月21日02—12時(shí)、9月17日00—10時(shí)、7月10日09—17時(shí)、7月30日04—15時(shí)的雨滴譜數(shù)據(jù)，計(jì)算小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨降水強(qiáng)度下的小時(shí)降雨動(dòng)能。

表1 2020年10月4日小雨降雨動(dòng)能、雨滴平均直徑、速度、數(shù)目

1.2 資料預(yù)處理

ISOS地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件雨滴譜原始矩陣要素?cái)?shù)據(jù)文件占7M多存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)量大，且沒(méi)有結(jié)構(gòu)化，無(wú)法直接用于計(jì)算分析。為此開(kāi)發(fā)基于C語(yǔ)言的雨滴譜數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，步驟為：首先去除首行信息、每行的時(shí)間標(biāo)記及其質(zhì)控碼，然后分別在原始數(shù)據(jù)的每第4個(gè)字節(jié)后插入空格，每第32個(gè)字節(jié)插入分號(hào)，最后形成以空格和分號(hào)為分隔符的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件，共5120字節(jié)，相較于原文件少了6個(gè)字節(jié)。將預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到數(shù)據(jù)分析軟件中，以備后續(xù)計(jì)算。圖1為雨滴譜數(shù)據(jù)預(yù)處理程序的主要C語(yǔ)言源程序代碼。

1.3 分析方法

根據(jù)通用的動(dòng)能計(jì)算公式，每個(gè)降雨粒子速度平方的一半，乘上該粒子的質(zhì)量，由于量值較小，單位以10J表示。其中,為降落速度，單位為m·s；為粒子直徑，單位為mm;為密度，單位為g·cm。

雨滴動(dòng)能通用計(jì)算公式：

2 計(jì)算降水動(dòng)能

降雨動(dòng)能是表征降雨侵蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)，廣泛地用于土壤侵蝕模型研究。經(jīng)處理后的雨滴譜分鐘數(shù)據(jù)，經(jīng)空格和分號(hào)識(shí)別，導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件后存儲(chǔ)為1個(gè)n×1024的矩陣。剔除矩陣數(shù)據(jù)中的異常錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后將小時(shí)內(nèi)的分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行行相加，得到該小時(shí)的1×1024的矩陣，再使用數(shù)據(jù)分析軟件的reshape函數(shù)將1×1024矩陣轉(zhuǎn)為32×32矩陣,并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)置，得到的列為32個(gè)雨滴直徑通道，行為32個(gè)雨滴速度通道。每列的數(shù)值乘上該列質(zhì)量的一半，列相加后與速度的平方矩陣相乘，計(jì)算出小時(shí)的降雨動(dòng)能總值。

3 5種降雨強(qiáng)度對(duì)比分析

按照上文計(jì)算降水動(dòng)能的方法，分析2020年10月4日02—08時(shí)、5月21日02—12時(shí)、9月17日00—10時(shí)、7月10日09—17時(shí)、7月30日04—15時(shí)的雨滴譜數(shù)據(jù)，計(jì)算出5種降雨強(qiáng)度下的降水動(dòng)能。表1～5分別為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨降水實(shí)況下，雨量、雨滴數(shù)、雨滴平均直徑、雨滴平均末速度、降雨動(dòng)能的具體數(shù)據(jù)。由此對(duì)比分析得出降雨動(dòng)能與小時(shí)雨滴數(shù)目、雨滴平均速度、直徑、雨量成正相關(guān)。同時(shí)，不同季節(jié)，不同云類，其雨滴直徑區(qū)別較大，極大影響降雨動(dòng)能的大小。

表2 2020年5月21日雨降雨動(dòng)能、雨滴平均直徑、速度、數(shù)目

表3 2020年9月17日大雨降水動(dòng)能、雨滴平均直徑、速度、數(shù)目

表4 2020年7月10日暴雨降水動(dòng)能、雨滴平均直徑、速度、數(shù)目

表5 2020年7月30日大暴雨降水動(dòng)能、雨滴平均直徑、速度、數(shù)目

4 結(jié)論

降雨動(dòng)能參數(shù)與侵蝕土壤關(guān)系密切，傳統(tǒng)測(cè)量方式較為粗略，本文以精確計(jì)算的方法研究遂寧地區(qū)的降雨動(dòng)能，對(duì)水土流失定量評(píng)價(jià)有一定的作用。用實(shí)際的高精度測(cè)量數(shù)值，計(jì)算在各種降水強(qiáng)度下的小時(shí)降水動(dòng)能，分析出5種降水強(qiáng)度下，降雨動(dòng)能差別較大，降雨動(dòng)能與小時(shí)雨滴數(shù)目、雨滴平均速度、直徑及雨量成正相關(guān)，不同季節(jié)，不同云類，其雨滴直徑分布區(qū)別較大，極大影響降雨動(dòng)能的大小。通過(guò)進(jìn)一步結(jié)合遂寧涪江流域沿岸的水土流失降雨動(dòng)能閾值，對(duì)水土保持及其預(yù)警工作有一定的作用。不足之處在于，降水類天氣現(xiàn)象儀采樣高度距觀測(cè)場(chǎng)地面2 m，測(cè)量的雨滴直徑、速度與掉落到地面時(shí)的直徑、速度有一定的差別，如果要更加準(zhǔn)確分析降雨侵蝕力，需要考慮雨滴的重力勢(shì)能等因子。