李劍婕，鄭佳鋒，吳凌華，賀婧姝，程志剛，王炳赟

1. 高原環(huán)境與大氣四川省重點實驗室/成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；2. 海裝駐成都地區(qū)第三軍事代表室，成都 610000

地形對云降水的形成和發(fā)展有重要影響，研究表明，山地地區(qū)的云降水結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和特征等與平原地區(qū)有顯著差異[1-3]． 利用高分辨率的雷達等資料研究特殊地形條件下云降水的垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征，是深入認識地形對云降水物理過程影響的重要基礎(chǔ)，對提高山地氣象預(yù)報和保障國家電網(wǎng)安全等具有重要意義．

近年來，毫米波云雷達和微波輻射計發(fā)展迅速，逐漸成為云降水和氣象要素探測的新型設(shè)備． 毫米波云雷達具有波長短、靈敏度高和時空分辨率高等特點，可以實時穿透云層獲取內(nèi)部粒子的回波信息和運動狀態(tài)． 其觀測資料可包括反射零因子、徑向速度、譜寬、退極化比和功率譜密度等；此外，還可反演得到云底高度、云頂高度、粒子直徑、數(shù)濃度、大氣垂直速度和含水量等關(guān)鍵的宏微觀參數(shù)，這些參數(shù)為云降水物理和數(shù)值預(yù)報等方面研究提供了重要基礎(chǔ)[4-10]． 微波輻射計采用被動遙感，其根據(jù)大氣中不同氣體對輻射的衰減來探測大氣層溫度、相對濕度、水汽密度和液態(tài)水路徑等[11-12]． 與氣球探空相比，微波輻射計具有更高的時間分辨率和連續(xù)觀測能力[13-14]． 目前，毫米波云雷達和微波輻射計已被廣泛用于云降水的觀測和研究中． 如，陳羿辰等[15]利用Ka波段毫米波云雷達對北京3次降雪的演變和微物理特征進行分析，結(jié)果表明，雷達反射率因子和徑向速度等的變化反映了降雪不同階段的演變和云層內(nèi)部的對流活動，雷達反演的降雪量與地面觀測結(jié)果較為一致． 馬寧堃等[16-17]利用毫米波云雷達功率譜數(shù)據(jù)反演了雨滴譜，發(fā)現(xiàn)雷達反演結(jié)果與地面激光雨滴譜儀觀測的譜型和粒子大小比較一致． Zheng等[18]利用毫米波雷達資料對華南典型對流云進行了研究，結(jié)果表明，盡管雷達受到衰減影響，但資料仍然反映出對流內(nèi)部的動力特征和微物理特征． 仲凌志等[19]利用CloudSat衛(wèi)星CPR毫米波雷達對兩次冬季冰雪天氣進行分析，表明雷達能夠清晰地反映出云中零度層融化帶的垂直結(jié)構(gòu)． 張志紅等[20-21]研究了降水發(fā)生前后微波輻射計水汽含量和云液態(tài)水含量變化，發(fā)現(xiàn)降水發(fā)生前兩者都有明顯的突增現(xiàn)象，對降水預(yù)報具有重要的指示意義． 張秋晨等[22-23]利用微波輻射計資料計算了大氣不穩(wěn)定指數(shù)并進行了應(yīng)用和分析，結(jié)果表明，K指數(shù)(KI)、抬升指數(shù)(LI)、沙氏指數(shù)(SI)和對流有效位能(CAPE)能夠達到近似氣球探空資料的應(yīng)用效果，這些指數(shù)能夠預(yù)示對流的發(fā)生和發(fā)展． 黃建平等[24]利用微波輻射計反演了西北地區(qū)液態(tài)云水路徑，認為微波輻射計是我國西北地區(qū)空中水資源觀測一種比較可信的手段．

從目前研究來看，毫米波云雷達和微波輻射計相關(guān)研究和應(yīng)用主要集中在城市和平原地區(qū)，對復(fù)雜山地地區(qū)云降水的觀測和研究還較為有限． 2019年1月，為研究埡口地形的冬季云雨天氣對國家電網(wǎng)線路積冰影響，成都信息工程大學(xué)在四川西南部開展了觀測試驗． 本研究利用一部Ka波段毫米波云雷達儀器的觀測資料和微波輻射計資料，對2019年1月15-20日埡口地形下“云-霧-雪-霰”不同天氣的云層和氣象要素垂直分布、演變特征和差異等開展研究，旨在提高對特殊地形條件下冬季云雨演變規(guī)律和特征的認識．

1 設(shè)備和資料

試驗觀測地點位于四川省雅安市漢源縣清溪鎮(zhèn)(29°36′N，102°36′E，1 950 m)，屬于青藏高原與四川盆地交匯處的高海拔山地中的典型埡口地形(圖1)． 試驗設(shè)備包含一部Ka波段毫米波云雷達儀器和一部MP3000A微波輻射計． 該毫米波云雷達采用垂直定向的探測方式，工作頻率為33.44 GHz(波長為8.6 mm)，采用脈沖多普勒體制和固態(tài)器件，能夠24小時全天候?qū)崟r監(jiān)測上空的云、霧、雨、雪等． 雷達探測高度為240～18 000 m，空間分辨率為30 m，時間分辨率為5 s． 探測資料包括反射率因子、徑向速度、譜寬和功率譜密度． MP3000A微波輻射計是美國Radiometrics公司研制的一種35通道微波輻射計，能夠分別對22～30 GHz和51～59 GHz的天空亮溫進行觀測，從而反演得到地面至空中的溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水密度、水汽積分總量和液態(tài)水積分總量等． 微波輻射計探測高度為0～10 000 m，共58個反演層，其中0～500 m空間分辨率為50 m，500～2 000 m空間分辨率為100 m，2 000～10 000 m空間分辨率為250 m，時間分辨率為2 min．

圖1 試驗觀測地點、地形和設(shè)備外場圖

2 天氣背景和實況

對于此次天氣過程，2019年1月15-20日的天氣背景可以總結(jié)為：500 hPa上，15-16日中高緯呈現(xiàn)“兩槽一脊”的大尺度環(huán)流形勢；18-19日，西伯利亞強脊前出現(xiàn)東西向的槽，槽后位于新疆地區(qū)，有利于冷空氣南下入侵我國． 對于雅安地區(qū)，15日受高原槽前西南風(fēng)的控制，水汽不斷向該地區(qū)輸送． 16日高原槽東移與南支槽相連，槽加深，08時雅安地區(qū)剛好處于槽過境的位置． 18日20時雅安地區(qū)有高原槽過境并伴隨冷平流，西南風(fēng)較強，有水汽的輸送；20日08時新疆地區(qū)的橫槽南下，有冷空氣的輸送．

雅安地面觀測站和臨近探空站(西昌)的觀測結(jié)果表明，雅安地區(qū)15日02時、16日02時和18日08時地面均產(chǎn)生降水，后又轉(zhuǎn)為輕霧，16，18和20日850 hPa左右出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象． 但由于觀測地點海拔較高、地形復(fù)雜，因此觀測到的天氣現(xiàn)象與雅安市區(qū)地面站結(jié)果存在一定差異． 圖2為2019年15日05時至20日12時站點上空實際觀測的天氣現(xiàn)象、雷達反射率因子和地面溫度． 可見，在5 d左右的觀測時間里，測站上空分別出現(xiàn)了降霰、降雪、山霧和低云4類不同天氣，表現(xiàn)出明顯不同的雷達回波結(jié)構(gòu)． 另外，由于氣象環(huán)境條件差異(如地面溫度)，導(dǎo)致水凝物沉降也存在區(qū)別． 以下分別對4類天氣的回波垂直結(jié)構(gòu)、氣象環(huán)境要素分布及其發(fā)展演變進行分析．

圖2 2019年01月15日05時-20日12時測站上空的雷達反射率因子時間-高度圖(a)、地面溫度(b)和實際拍攝的天氣現(xiàn)象

3 不同類型天氣的回波和氣象要素垂直分布及演變特征

3.1 降霰和降雪階段

如圖3為降霰和降雪階段的雷達反射率因子、徑向速度、譜寬、微波輻射計溫度、相對濕度、水汽密度及液態(tài)水路徑隨時間-高度變化圖． 由圖3a可見，云層回波持續(xù)時間約22h． 15日19時以前，云層淺薄、平整，表現(xiàn)為層狀云結(jié)構(gòu)，云頂高度為2.2 km；云層回波較均勻，分布在-30～0 dBZ． 該時段，地面觀測有微小松散的霰粒子． 15日19時以后，隨著高原槽靠近，測站上空出現(xiàn)深厚云層，表現(xiàn)為對流云結(jié)構(gòu)，云頂起伏明顯，最大可達6 km；回波整體明顯加強，可達10 dBZ． 該時段，地面觀測有較大的片狀雪花． 雷達徑向速度和譜寬(圖3b-3c)表明，盡管雪花的尺寸比霰大，但沉降速度較小，兩個時段的上升氣流都集中在云層上部；層狀云譜寬比對流云大，一方面是受白天太陽輻射的影響，前者近地層湍流活動更活躍，另一方面是霰粒子下落過程速度較快導(dǎo)致粒子譜較寬． 從溫度(圖3d)分布和變化可見，大氣層溫度較低，層狀云云內(nèi)溫度為-15～4 ℃，該溫度有利于云中過冷水的維持，并易附著在冰晶上凍結(jié)形成霰粒子． 對流云發(fā)展高度高，云內(nèi)溫度更低，最低可達-40 ℃；該溫度下過冷水不易維持，冰晶主要通過淞附和聚并增長形成片狀雪花． 此外，隨著潛熱釋放，對流云時段有微弱的增溫趨勢． 相對于高原平坦地區(qū)的強對流，這種地形抬升形成的冬季降霰和陣雪上升、下沉氣流相對較弱，反射率因子也相對較弱[25]；而相對于平原地區(qū)，如低壓系統(tǒng)影響下北京地區(qū)的陣雪，后者含水量更大，云體發(fā)展更旺盛，可伸展至更高的高度[15]．

相較于雷達觀測量和溫度，相對濕度、水汽密度和液態(tài)水路徑能更清晰反映出高原槽系統(tǒng)臨近帶來的水汽變化． 從圖3e-3g可見，在15日16時以前，層狀云時段相對濕度、水汽密度和液態(tài)水路徑的分布和變化都較為均勻． 大氣層為上干下濕結(jié)構(gòu)，云層1.6 km以下相對濕度達80%以上，云內(nèi)水汽密度達1～3.6 g/m3，液態(tài)水路徑達0.64～0.62 g/m2． 15日16時以后，相對濕度、水汽密度和液態(tài)水路徑開始發(fā)生明顯變化，它們比雷達觀測到的云層變化要提前3 h左右，說明大氣層濕度和水汽的變化比云雨變化更為敏感． 15日16時以后，水汽可逐漸上升至6 km，相對濕度高值區(qū)與雷達強回波區(qū)相對應(yīng)，液態(tài)水路徑逐漸增大到0.81 g/m2左右．

圖3 降霰和降雪階段(2019/01，15/05：00-16/01：50)的反射率因子(a)、徑向速度 (b)、譜寬(c)、溫度(d)、相對濕度(e)、水汽密度(f)的時間-高度變化圖和液態(tài)水路徑(g)時間變化圖

3.2 霧階段

圖4為霧階段的反射率因子、徑向速度、譜寬、溫度、相對濕度、水汽密度隨時間-高度變化圖和液態(tài)水路徑隨時間變化圖． 由反射率因子(圖4a)可見，霧回波持續(xù)時間最長約24h，但回波出現(xiàn)斷裂，這是因為斷裂時刻的霧較弱，已超出雷達靈敏度，而沒能夠被探測到；霧的整體回波強度較弱，分布在-40～10 dBZ． 霧回波也表現(xiàn)為層狀結(jié)構(gòu)，回波較為均勻、淺薄，頂高為0.5～1 km． 徑向速度和譜寬(圖4b-4c)表明，霧中水凝物主要為下沉運動，無上升運動，大氣層穩(wěn)定． 18日午后，近地層出現(xiàn)部分譜寬超過1 m/s，可能是受太陽輻射影響導(dǎo)致近地層湍流活動加劇的影響． 從溫度分布和演變(圖4d)來看，18日17時前，近地層溫度分布不均勻，而18日17時以后，由于高原槽過境，冷空氣導(dǎo)致大氣層降溫明顯，溫度分布和變化相對均勻． 相對濕度和水汽密度(圖4e-4f)的分布和變化也不均勻，但相對濕度和水汽密度在近地層均較大，分別達90%和3 g/m3以上． 霧的液態(tài)水路徑(圖4g)為0.65～0.76 g/m2． 相對于平原地區(qū)的輻射霧，過山霧由于冷空氣的推動從而發(fā)展高度相對較高[26]，雷達回波也相對較強，至午后仍可以持續(xù)維持而不消散．

3.3 低云階段

圖5為低云階段的反射率因子、徑向速度、譜寬、溫度、相對濕度、水汽密度隨時間-高度變化圖和液態(tài)水路徑隨時間變化圖． 從反射率因子(圖5a)可見，低云回波持續(xù)時間最短約12 h，先后有兩塊層云通過本站，云頂平整，頂高約1.9 km，底高約1.2 km． 層云回波較弱，分布在-40～5 dBZ，云體下部有水凝物沉降，但在空中蒸發(fā)或升華而未降落至地面． 徑向速度和譜寬(圖4b-4c)表明，層云上部有微弱的上升氣流，對應(yīng)譜寬值較??；但從1.5 km以下，粒子沉降速度和譜寬明顯變大，這與冰晶增長使得尺度增大引起回波增強的推測相一致． 溫度分布和變化(圖5d)表明，云中溫度為-12～9 ℃，云層下部與冰晶沉降對應(yīng)的下掛回波出現(xiàn)時刻與溫度較高時刻相一致，即在20日06：00-08：30，大氣層溫度較高，下掛回波較少；而在其他時段，大氣層溫度稍低，下掛回波更明顯． 表明盡管氣溫稍有增高，但冰晶蒸發(fā)、升華的影響仍然十分明顯． 相對濕度(圖5e)的分布和變化與雷達回波相一致，兩塊層云內(nèi)部相對濕度分別達90%和80%以上． 第一塊層云比第二塊的含水量高，這與環(huán)境氣流的水汽含量有關(guān)． 水汽密度(圖5f)分布和變化表明，水汽密度整體呈下降趨勢，水汽主要集中在近地面，云頂至地面的水汽含量達2 g/m3以上． 層云的液態(tài)水路徑為0.63～0.72 g/m2，變化趨勢與空中云層厚度基本一致．

圖4 霧階段(2019/01，18/05：00-19/05：00)的反射率因子(a)、徑向速度(b)、譜寬(c)、溫度(d)、相對濕度(e)、水汽密度(f)的時間-高度變化圖和液態(tài)水路徑(g)時間變化圖

圖5 低云階段(2019/01，20/00：00-12：00)的反射率因子(a)、徑向速度 (b)、譜寬(c)、溫度(d)、相對濕度(e)、水汽密度(f)的時間-高度變化圖和液態(tài)水路徑(g)時間變化圖

3.4 平均廓線對比

為進一步比較埡口地形下“降霰、降雪、霧和低云” 4類天氣的云降水和氣象要素的垂直分布差異，圖6給出反射率因子、徑向速度、譜寬、溫度、相對濕度和水汽密度隨高度變化的平均廓線． 從圖6a-6c可知，4類天氣的回波強度從高到低依次為：雪花、霰、低云、霧． 雪花云層從6 km降至3 km，回波逐漸增強，徑向速度逐漸減小，表明該高度范圍是雪花增長的主要區(qū)域；3～1 km，回波又逐漸減弱但徑向速度有所增大，表明該高度范圍內(nèi)有部分雪花出現(xiàn)了破碎或升華現(xiàn)象；1 km以下，回波又有所增強后減弱，這是該高度還有層云的緣故． 霰云層2～1.2 km的回波強度和徑向速度變化特征與雪花云層6～3 km的特征類似，但要迅速得多，該高度范圍是霰粒子的增長區(qū)域；至1.2 km以下，霰云層回波強度又有所減小、徑向速度繼續(xù)減小、譜寬增大，表明該高度以下霰粒子部分升華，但沉降速度仍然持續(xù)加速． 霧的回波隨高度下降逐漸增強，徑向速度也持續(xù)減小；但0.4 km以下，回波又減小而徑向速度增大，表明霧粒子越到低層尺寸越大，但并未沉降至地面． 低云的回波強度、徑向速度和譜寬的廓線與霰云層的基本類似，即云內(nèi)粒子增大區(qū)域也位于云頂至1.2 km；但1.2 km以下，回波強度減小更加迅速，說明低云下部冰晶升華更加明顯．

對比溫度、相對濕度和水汽密度廓線(圖6d-6f)可見，4類天氣的溫度在2 km以下從高到低依次為：霧、低云、雪花、霰，溫度越高對水凝物升華越有利，這也是霧滴和低云沉降的冰晶未到達地面的原因． 另外，發(fā)現(xiàn)雪花云層在2.2 km以上的溫度垂直遞減率明顯增大，相對濕度急劇下降，大氣層表現(xiàn)為明顯干層，因此推測2.2 km以上是高原槽系統(tǒng)過境，干冷空氣入侵的主要高度層． 2.2 km以下，4類云層的相對濕度都較高，都達到80%以上，其中霰云層在1.5 km以下相對濕度達到100%． 霧的溫度垂直遞減率比其他3類天氣小，但水汽密度明顯更高．

4類天氣(霰、雪花、霧、低云)的探測時間為15日05：00-17：00、15日23：00-16日01：50、18日05：00-19日05：00和20日00：00-12：00．圖6 4類天氣的回波和微波輻射計平均廓線圖

4 不同類型天氣的水凝物尺寸和含冰量對比

為進一步對比4類天氣的云層含水量和粒子尺寸，利用Liu等[27-28]提出的經(jīng)驗關(guān)系式反演冰水含量和粒子等效半徑：

IWC=0.097*Z0.59

(1)

Re=59.8*Z0.06

(2)

式中：含冰量IWC單位為g/m3；反射率因子Z單位為mm6/m3；粒子半徑Re單位為μm． 4類云層反演的IWC和Re結(jié)果如圖7所示，圖中帶標記的垂直廓線為平均值，水平橫線為標準差范圍． 可見，霰、雪花、霧和低云4類天氣的云層IWC平均值分別為0.015～0.17，0.005～0.027，0.000 6～0.008，0.000 7～0.004 g/m3；Re平均值分別為45～61，44.5～50.8，35.8～41，35.3～41.2 μm．

圖7 4類天氣反演的冰水含量IWC(a)和等效粒子半徑Re(b)，圖中帶標記廓線為平均值，橫實線為標準差范圍

整體而言，4類天氣云層的IWC和Re平均值廓線隨高度變化特點與反射率因子相似． 對于雪花的對流云層，IWC和Re隨著云頂往下逐漸增大到3 km，3 km到1.2 km變化不明顯，但1.2 km以下逐漸減?。?霰云層和低云的IWC和Re的變化趨勢相似，即云頂至1.2 km為水凝物的增長區(qū)域，IWC和Re隨高度下降都增大；但1.2 km以下由于升華的影響，二者又逐漸減小． 霧的IWC和Re都隨高度下降持續(xù)增大，表明霧滴大小和含水量都有所增大．

5 結(jié)論和討論

在高原天氣系統(tǒng)和冷空氣活動等的影響下，川西南山地冬季頻繁出現(xiàn)冰凍雨雪天氣． 但在不同水汽、動力和溫度條件下，形成的云雨類型、垂直結(jié)構(gòu)和演變特征存在顯著差異． 本研究利用Ka波段毫米波雷達和微波輻射計資料，對2019年1月15-20日一次冬季“霰-雪-霧-云”天氣的云降水垂直結(jié)構(gòu)、演變特征和差異進行研究，得到如下結(jié)論：

4類天氣的云層回波強度從高到低依次為：降雪、降霰、低云、霧． 降雪云層為對流云結(jié)構(gòu)，云體發(fā)展旺盛，云頂高度可達6 km，回波梯度明顯，變化較大；而降霰云層、霧和低云表現(xiàn)為層狀云結(jié)構(gòu)，云體淺薄，云頂高度分別為2.2，0.5～1，1.9 km，回波梯度小，分布較均勻． 降雪云層、降霰云層和低云的上部存在上升氣流，而中下部為下沉氣流． 霰粒子尺寸小于片狀雪花，但沉降速度卻更大，霧內(nèi)無上升氣流，層結(jié)穩(wěn)定．

4類天氣的水汽主要集中在低層2 km以下，但當(dāng)高原槽過境，降雪時的水汽可發(fā)展至6 km． 在2 km以下，降霰云層的相對濕度最高，1.5 km以下相對濕度都達到100%． 4類天氣的大氣層溫度從低到高依次為：降霰、降雪、低云、霧，且霧的溫度垂直遞減率明顯減小． 降雪對流出現(xiàn)前，相對濕度、水汽密度和液態(tài)水路徑可提前3 h反映出空中水汽的變化，比云雨回波的變化更為敏感．

4類云層沉降的不同水凝物類型與大氣層溫度和相對濕度有關(guān)． 降霰云層溫度分布為-15～4 ℃，該溫度有利于過冷水維持，因此，冰晶主要通過與水凝物凍撞或淞附形成霰粒子． 降雪云層溫度較低，可達-40 ℃，這使得云內(nèi)水凝物主要為冰晶粒子，而冰晶通過沉降過程中的聚并形成片狀雪花． 低云在空中也有冰晶沉降，但由于粒子尺寸小且近地層溫度較高，因此被升華而未沉降至地面．

4類云層水凝物粒子的增長高度區(qū)間存在差異，降雪、降霰、低云和霧的粒子增長高度分別位于3～6，1.2～2，1.2～2，0.4～1 km． 4類云層的含冰量和粒子有效半徑從大到小依次為：雪花、霰、低云、霧，它們在不同高度上的平均值分別為含冰量：0.015～0.17，0.005～0.027，0.000 6～0.008，0.000 7～0.004 g/m3和有效粒子半徑：45～61，44.5～50.8，35.8～41和35.3～41.2 μm．

值得注意的是，由于無法精確得到云層內(nèi)過冷水與冰晶各自的含量，因此本研究計算的云水含量和粒子有效半徑是假設(shè)云內(nèi)水凝物均為冰相的條件下． 今后，有必要開展相態(tài)識別的工作，以得到更準確的含冰量和粒子有效半徑結(jié)果．