天山山脉喇叭口地形夏季雨滴谱分布特征及其对微物理过程的影响

本研究基于2020-2023年夏季Parsivel2观测数据，首次系统分析了天山山脉喇叭口地形(TSTTM)内六站点雨滴谱(DSD)的空间分异规律，建立了区域特异性参数关系（如Dm-R、log10Nw-R等），揭示了地形抬升与低层温湿条件协同调控雨滴谱的关键机制，为改进雷达反演和数值模式微物理参数化提供了重要依据。

　　

天山山脉作为中亚"水塔"，其独特的喇叭口地形(TSTTM)对区域水循环和灾害防治具有重要影响。然而，这一特殊地形下降水微物理过程的研究长期受限于观测数据匮乏，尤其在干旱-半干旱气候背景下，地形如何调控雨滴谱分布(DSD)尚不明确。现有研究多集中于季风区，对TSTTM这种非季风区复杂地形的DSD特征认知几乎空白，导致雷达定量降水估测和数值模式微物理参数化存在显著偏差。

为破解这一难题，Yong Zeng领衔的研究团队在TSTTM内部署6台第二代OTT Parsivel²激光雨滴谱仪，覆盖海拔770-1851米的梯度站点（包括昭苏、伊宁等），通过2019-2023年夏季观测获取分钟级DSD数据。研究采用严格质量控制（剔除直径>8 mm异常值、速度偏离理论值±60%的粒子等），运用伽马分布模型和矩量法计算质量加权平均直径(D_m)、归一化截距参数(log₁₀N_w)等关键参数，结合ERA5再分析数据和地面风场观测，首次系统揭示了TSTTM内DSD的空间分异规律及形成机制。

2.1 雨滴谱分布特征

研究发现TSTTM内DSD呈现显著空间异质性：尼勒克站具有最大D_m(1.45 mm)和最小log₁₀N_w(3.01 m^-3 mm^-1)，对应最高大滴浓度（直径≥3 mm）和最低小滴浓度；新源站则相反，D_m最小(1.05 mm)而log₁₀N_w最大(3.50 m^-3 mm^-1)。中尺度滴（1-3 mm）对所有站点降水率(R)贡献超61%，而小滴（≤1 mm）主导总滴数浓度(N_t)占比超72%。

2.2 不同雨强等级的DSD演变

随雨强等级(R)提升，所有站点均呈现谱宽扩大、各尺度滴浓度增加的特征。当R>10 mm h^-1时，尼勒克大滴对N_t的贡献达新源的2.5倍，伴随D_m增加0.5 mm。特别发现R>30 mm h^-1时尼勒克滴谱平衡直径(2.2-4.4 mm)显著大于新源(2-3 mm)，揭示强地形抬升促进碰并过程。

2.3 关键参数关系

建立的区域特异性关系显示：D_m-R关系中尼勒克系数a(1.47)、b(0.20)最大，反映相同R下更易产生大滴；Λ-μ关系呈现三组分化，尼勒克独特地表现为最小Λ(3.59±2.15 mm^-1)；动能参数KE_time-R关系显示尼勒克单位雨强动能最大(42.04±114.93 J m^-2 h^-1)，对地表侵蚀潜力更强。

4. 讨论

低层风场与地形交互作用是DSD分异的核心驱动：尼勒克受西南气流垂直抬升（与地形夹角>45°）和近地面风速辐合影响，配合干暖低层环境促进小滴蒸发与大滴生长；新源则因东风下沉和地形平行气流抑制上升运动，冷湿环境维持小滴优势。昭苏特殊的风切变辐合区使其同时具备高小滴和大滴浓度。

这项发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》的研究，首次绘制了TSTTM多站点DSD特征图谱，建立的区域参数关系可直接应用于双偏振雷达Z-R关系优化和WRF模式微物理方案改进。对中亚干旱区地形降水形成机理的阐释，为"一带一路"沿线山地灾害预警提供了理论支撑。未来研究将拓展至冬季雪峰DSD、星地协同观测等方向。