基于十年GPM DPR观测数据的苏门答腊南部与爪哇西部降水微结构的区域性及日变化特征

《Atmospheric Research》：Regional and diurnal variability of precipitation microstructure over Southern Sumatra and Western Java from a decade of GPM DPR observations

　　

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  日循环调控印度尼西亚海洋大陆（IMC）区域降水的微结构。
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  区域雨滴谱（DSD）差异在雨强超过 2.5 mm h^?1 时显著增强，尤其是对于深对流降水。
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  与开阔海域相比，爪哇海区域观测到更大的D_m和更小的N_w值。
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  苏门答腊南部和爪哇西部陆地与海洋之间D_m在傍晚的显著差异，可能会在使用固定Z–R关系的雷达定量降水估测（QPE）中引入偏差。

引言

印度尼西亚海洋大陆（IMC）是一个沿赤道延伸的热带群岛区域，位于全球对流活动最活跃的暖池之中（Takahashi et al., 2023; Williams and Stanfill, 2002）。日循环是控制IMC区域对流活动的主导模式，主要受海陆热力差异和类似喷灌器的效应驱动（Yamanaka et al., 2018）。除局地热力学强迫外，大气、陆地和海洋之间的相互作用通过密度流和重力波等物理机制促进了有组织的对流发展（Bai et al., 2021; Peatman et al., 2023; Yokoi et al., 2017）。这些过程在塑造IMC主要岛屿（包括苏门答腊（Marzuki et al., 2022; Mori et al., 2004; Yanase et al., 2017）、爪哇（Maulana et al., 2023; Yulihastin et al., 2022; Yulihastin et al., 2020）、加里曼丹（Ichikawa and Yasunari, 2006; Qian et al., 2013; Sari et al., 2025）和巴布亚（Chen et al., 2025; Hassim et al., 2016; Ichikawa and Yasunari, 2008; Zhou and Wang, 2006））的向岸和离岸降雨传播方面发挥着关键作用。该循环导致降雨分布产生显著的日变化，峰值降水在陆地上的傍晚和夜间出现，而夜间和清晨时段周围海域的降雨则有所增强。

在IMC的诸多岛屿中，苏门答腊和爪哇展现出独特的地理配置，尤其在苏门答腊南部和爪哇西部。在该区域，苏门答腊南部的东海岸与爪哇的北海岸几乎以正交角度相交。除这一地理特殊性外，该区域还以极高的人口密度为特征，包括雅加达超大城市（Liu and Yamauchi, 2014）。因此，从宏观和微观物理两个视角对日降雨特征进行详细研究十分必要。宏观物理特征包括雨量、持续时间、雨强和频率，而微观物理特征主要由雨滴谱（DSD）表征（Liu and Yamauchi, 2014）。全面了解IMC区域日降雨机制对于降低该区域天气和气候模型的预测误差至关重要（Hong and Lim, 2006; Love et al., 2011; Peatman et al., 2025; Tsai et al., 2025）。

从宏观物理角度看，此前的研究已记录了苏门答腊南部和爪哇西部在降水量、覆盖范围和降雨强度方面显著的空时变率（Yanase et al., 2017; Yulihastin et al., 2022; Yulihastin et al., 2020）。夜间至清晨时段，苏门答腊南部向印度洋和爪哇海方向观测到了纬向的离岸降雨传播（Yanase et al., 2017）。该纬向传播受低层背景风场强烈调控，在偏西风控制下，降雨传播主要指向爪哇海。与此并行，爪哇海西部区域观测到了经向的向爪哇海方向的降雨传播（Yulihastin et al., 2022, Yulihastin et al., 2020）。该经向传播通常发生在清晨，且当偏北低层风在爪哇西部及其邻近海域盛行时占主导地位。这些发现凸显了对该区域纬向和经向日降雨模式的综合理解之需求。

相比之下，由于原位DSD观测设备匮乏且仅限于爪哇西部的少数地点（Marzuki et al., 2023; Moteki, 2024; Nurheliza et al., 2021; Renggono et al., 2025），该区域降水微结构的分析仍十分有限。现有大多数研究聚焦于特定事件，如洪水发生（Renggono et al., 2025）、跨赤道偏北急流（Moteki, 2024）或Madden-Julian振荡事件（Nurheliza et al., 2021）。Marzuki et al.（2023）利用微雨雷达（MRR）和全球降水观测计划双频降水雷达（GPM DPR）在Serpong（6.359°S, 106.673°E）的观测资料，分析了爪哇西部的日DSD特征。他们报告了垂直DSD结构的显著日变化：午后至夜间，质量加权平均直径（D_m）更大、归一化截距参数（N_w）更小，表明凝结和聚并过程占主导，尤其在夜间至清晨时段。相比之下，晨间降雨特征为雨滴更小、雨滴浓度更高。MRR和GPM DPR观测均一致捕捉到了这些日DSD模式，但由于机载雷达观测中的地表杂波污染，近地面处存在差异（Shimizu et al., 2026; Shimizu et al., 2023）。

GPM DPR观测的长期一致性为延伸苏门答腊南部和爪哇西部的区域和日降水微结构变率分析提供了宝贵机遇。此前的研究利用GPM DPR数据记录了大陆、海洋、地形和沿海区域间不同的DSD特征（Janapati et al., 2023; Radhakrishna et al., 2024; Radhakrishna et al., 2020; Saikranthi et al., 2023; Sun et al., 2024; Yusnaini et al., 2024）。例如，Radhakrishna et al.（2024）、Radhakrishna et al.（2020）和Saikranthi et al.（2023）发现，印度中部深对流降水的D_m值小于印度西北部和东南部半岛地区，但中部印度的D_m仍大于海洋和地形区域。类似地，Sun et al.（2024）发现，在中国东部及其沿海地区，陆地（海洋）的D_m更大（更小），深对流降雨的D_m也大于浅对流降雨。在较小的区域尺度上，Janapati et al.（2023）记录了台湾全岛的显著DSD变率，最大（最小）的D_m值出现在台湾中部（北部）。赤道附近的苏门答腊也报告了类似模式，西部苏门答腊地形降水的D_m小于（大于）东部苏门答腊较平坦地形的D_m（Yusnaini et al., 2024）。

尽管近年来取得了进展，但基于长期卫星观测对苏门答腊南部和爪哇西部耦合海陆对流系统中区域和日DSD变率进行特征描述的研究仍十分有限。特别是，尚未利用多年份观测资料系统评估云底起始、冰相过程和沉降作用在塑造区域DSD差异中的相对作用。为填补这些空白，本研究首次利用GPM数据对苏门答腊南部和爪哇西部的降水微结构区域和日变率进行了十年尺度的特征描述。与苏门答腊此前研究（如Yusnaini et al., 2024）相比，本分析通过明确考虑降雨类型和雨强等级，以更为综合的方式开展。在相同降雨类型和雨强等级下跨区域和时间进行比较，能够更稳健地评估独立的控制因子。此外，本研究采用基于液态降水层内反射率（Z）和D_m梯度的四象限微观物理框架来推断主导的降水微观物理过程（Huang and Chen, 2019）。除深化对降水微观物理的理解外，降水微结构变率的特征描述还能为提升该区域基于气象雷达的定量降水估测（QPE）提供有价值的信息。

章节摘要

GPM DPR降水参数

本研究利用2014年4月至2024年3月十年期间的GPM DPR观测资料，研究了降水微结构的变率。分析基于GPM DPR Level-2全扫描（FS）第07版产品（2ADPR V07），该产品提供全幅双频观测，垂直分辨率为125 m（Iguchi et al., 2021）。2ADPR数据提供从地表至21.875 km高度的三维降水结构，其

方法

提取各区域降水参数后，开展了多项分析以考察降水微结构的区域和日变率。分析仅限于可靠性较高的降水廓线，通过保留CSF模块中qualityTypePrecip等于1的记录实现。该质量控制标准排除了受地表杂波、严重衰减或模糊降水粒子相分类影响的像素，与建议

按频率和雨量划分的降雨类型占比

基于0.2 mm h^?1阈值定义的降雨标准，表1汇总了各区域十年期间GPM DPR观测得出的各类降雨贡献百分比。未分类降水（"其他"）的贡献可忽略不计（<2%），分布于所有区域，主要与近地表弱降雨相关，与已知的DPR分类不确定性一致（Iguchi et al., 2021）。地表类型进一步调节这一

结论

本研究首次利用GPM DPR数据对苏门答腊南部和爪哇西部耦合海陆对流系统中降水微结构的区域和日变率进行了十年尺度的特征描述。苏门答腊南部和爪哇西部的降水微观物理特征受降水类型、降雨强度、区域背景和日循环的系统性影响。这些影响体现在关键降水参数的变率中，

CRediT作者贡献声明

Ravidho Ramadhan： 撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写，可视化，软件，资源，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念框架。Hiroyuki Hashiguchi： 撰写—审阅与编辑，验证，指导，资金获取。Marzuki Marzuki： 撰写—审阅与编辑，验证，指导。Helmi Yusnaini： 软件，方法学，数据管理。

资助

本工作得到了JSPS KAKENHI基金号 24KF0154 的支持。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Ravidho Ramadhan报告获得了JSPS KAKENHI的资金支持。若有其他作者，他们声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢美国国家航空航天局（NASA）提供GPM DPR L2数据用于研究。

Ravidho Ramadhan|Hiroyuki Hashiguchi|Marzuki Marzuki|Helmi Yusnaini