王鑫　段卿

摘要 利用中國科學(xué)院大氣物理研究所位于安徽省淮南市大氣觀測基地的一部35 GHz雙偏振多普勒毫米波測云雷達(dá)（HMB-KST）、探空等資料，對2015年5月7日一次雨層云云系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）云雷達(dá)的徑向速度可以初步判斷云內(nèi)粒子的相態(tài)和大小以及是否存在雨滴或冰晶;（2）結(jié)合探空溫度廓線圖，可以確認(rèn)4.3 km高度附近出現(xiàn)的亮帶為云層冰相粒子融化所致，亮帶厚度為500 m;（3）根據(jù)平均線性退極化比廓線可以判斷該云層形成的降水為弱降水。

關(guān)鍵詞 毫米波云雷達(dá);零度層亮帶;云結(jié)構(gòu)

中圖分類號：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）02–0049–03

在整個(gè)大氣的能量和水循環(huán)過程中，云及其所產(chǎn)生的降水起著核心的作用。地球上的大部分地方都被云所覆蓋，因此研究云則能更好地研究天氣系統(tǒng)和氣候變化[1]。Pasqualucci等[2]（1983）利用35 GHz毫米波多普勒雙偏振測云雷達(dá)進(jìn)行研究，主要是針對云滴譜分布和垂直運(yùn)動速度方面的研究。Kollias等[3-4]（1999，2003）利用云雷達(dá)研究了對流云中垂直空氣運(yùn)動和雨滴分布，并研究了對流性降水的云微物理結(jié)構(gòu)。Kollias等[5]（2000）應(yīng)用94 GHz云雷達(dá)研究了大陸性層積云湍流結(jié)構(gòu)。Field等[6]（2004）利用機(jī)載探測設(shè)備確定了云內(nèi)粒子相態(tài)。Connor等[7]（2005）采用多普勒雷達(dá)和激光雷達(dá)聯(lián)合估算的方法得到了層云底部毛毛雨的微物理特征分布情況。李曦等[8]（2013）使用Gossard[9]（1994）和Gossard等[10]（1997）的研究方法，對層狀云中的湍流譜寬進(jìn)行了估算。Deng等[11]（2006）則通過毫米波雷達(dá)采集的功率譜數(shù)據(jù)來估算出層狀云的湍流譜，進(jìn)而得到卷云微物理參量的反演公式。

1 探測儀器介紹

位于安徽淮南云雷達(dá)的觀測模式采用固定仰角方位周掃（PPI）及垂直定向（THI）等工作方式進(jìn)行觀測，可獲取15 km高度范圍內(nèi)各高度層上探測目標(biāo)的回波強(qiáng)度（Z）、徑向速度（Vr）、速度譜寬（SW）、線性退極化比（LDR）和功率譜分布等信息，其中每小時(shí)進(jìn)行1次PPI觀測，每4 min左右進(jìn)行一次THI觀測。觀測中利用窄脈沖補(bǔ)盲波形及寬脈沖脈壓波形探測方式，可分別探測6.3 km和15 km高度范圍內(nèi)各高度層的云層分布，距離分辨率均為30 m，時(shí)間分辨率為0.5 s，其中寬脈沖有2 km左右的大氣邊界層觀測盲區(qū)，利用窄脈沖補(bǔ)盲波形可以有效地獲取到整個(gè)15 km范圍內(nèi)的信息。該云雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)具體見表1和表2。

2 雨層云結(jié)構(gòu)分析

圖1為2015年5月17日21：08～22：07時(shí)探測到的雨層云降水回波，圖中給出了此雨層云回波的反射率因子Z（a）、徑向速度Vr（b）、速度譜寬SW（c）和線性退極化比LDR（d）。

由圖1a看到，云層高度從21：08時(shí)的12.5 km逐步降低到22：07時(shí)的8.5 km，1 h內(nèi)云層高度降低了4 km。云的回波強(qiáng)度在零度層（約4.3 km）之上最大值為15 dBZ，增大到融化層之下最大值25 dBZ，說明回波強(qiáng)度隨著高度的降低在增大。

由圖1b看到，在零度層（離地高度約4.3 km）之上云層，隨著高度的降低，云和降水粒子的垂直速度從云上部的上升速度逐步變?yōu)橄侣渌俣龋ㄔ?.0 km高度，垂直速度由正值變?yōu)樨?fù)值），而在繼續(xù)下落過程中粒子的垂直速度在緩慢增大。粒子下落速度的這種緩慢變化特征反映的正好是冰相粒子的下落速度與粒子尺度的正相關(guān)關(guān)系。

對不同類型的冰相粒子來說，粒子的下落速度與粒子的等效直徑成很復(fù)雜的正相關(guān)關(guān)系（參見盛裴軒等的文獻(xiàn)[12]，2003），因此，這個(gè)雷達(dá)觀測結(jié)果總體上說明云中冰相粒子在下落過程中尺度是逐步增大的，這也可能反映這些冰相粒子在下落過程中發(fā)生聚并、淞附等冷云微物理過程（楊軍等[13]，2011）。在零度層之下，云和降水粒子變成為云雨粒子，它們的下落速度迅速增大到5 m/s左右，表明降水粒子由融化層之上的冰相粒子在下落過程中經(jīng)過融化層之后融化成為液態(tài)水滴，它們的下落速度也在增大。

由圖1c給出的多普勒譜寬看到，在零度層之上，大約5.5 km高度之上譜寬大約是0～0.5 m/s，而在5.5～4.3 km高度層變?yōu)?.5～0.7 m/s，在零度層之下，譜寬迅速增大到1.0～1.5 m/s，這些結(jié)果反映在融化層之上高層的冰相降水粒子區(qū)湍流較弱，而在融化層之下，液態(tài)水滴區(qū)湍流迅速增強(qiáng)，湍流的增強(qiáng)可能有利于降雨粒子通過湍流碰并過程而增大。

圖1d展示了云層中退偏振比垂直分布隨時(shí)間的變化，在零度層高度附近LDR出現(xiàn)了一條強(qiáng)度可以達(dá)到-5 dB強(qiáng)回波帶，而在這條LDR帶之上的高層和之下的底層，總體來說，LDR值變化相對較小。通過仔細(xì)比較可以看到，這條帶之上高層的LDR值略微比下層要大一點(diǎn)，說明高層冰相粒子形狀比底層要更加不均勻。

為了更加清楚地比較融化層的上下層各物理參量的差異，圖2給出了該時(shí)段內(nèi)四個(gè)物理參數(shù)（反射率因子Z、徑向速度Vr、速度譜寬SW和線性退極化比LDR）的平均垂直廓線。

圖2a～圖2d中4.3 km高度附近用紅色虛線標(biāo)出了融化層頂（零度層）位置，圖2e給出了與淮南觀測站距離最近的阜陽探空站臨近時(shí)刻（2015年5月17日20：00 BJT）的溫度探空廓線圖。

從圖中以及臨近探空資料的綜合對比分析可以看到，反射率強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬和線性退極化比參量均在4.3 km高度（注意，這里顯示的雷達(dá)回波高度為相對雷達(dá)天線的高度，雷達(dá)天線的海拔高度為80.1 m）附近有一明顯的突變層，對應(yīng)的海拔高度為4.38 km。

根據(jù)距離淮南觀測站130 km左右阜陽探空站2015年05月17日20：00的探空資料顯示，零度層在4.4 km海拔高度（即與雷達(dá)天線的相對高度為4.32 km）。因此，雷達(dá)反射率回波圖所展示的亮帶層頂海拔高度與探空的零度層高度非常接近。由此，可以確認(rèn)4.3 km高度附近出現(xiàn)的亮帶為云層冰相粒子融化所致。

從圖1a和圖2a的回波強(qiáng)度垂直分布顯示，該云層垂直分布結(jié)構(gòu)比較均勻，回波頂高度在13 km左右，距離地面4.0 km高度上出現(xiàn)一條回波強(qiáng)度突然增強(qiáng)的亮帶。上述觀測得到的亮帶垂直分布結(jié)構(gòu)與以往經(jīng)典的觀測結(jié)果和模型（Zhang等[14]，2008）非常一致。

圖2b是雷達(dá)垂直指向探測到的垂直徑向速度分布的平均情況，在云頂附近的云和降水粒子的平均垂直速度值幾乎為0，由于該處的環(huán)境溫度達(dá)到-20℃，這些云和降水粒子應(yīng)主要為冰相粒子。這些冰相粒子在下落過程中的下落速度逐漸增大到1.5 m/s，經(jīng)過零度層融化后，速度突然增大，增大到5 m/s;接著，隨著粒子的進(jìn)一步下落，它們的速度緩慢增大到6.4 m/s，對應(yīng)于大約2 mm大小的雨滴下落的速度，大值區(qū)位于1.7 km高度上;之后，下落速度又緩慢減小到5.5 m/s。

圖2c為粒子的速度譜寬垂直分布的平均結(jié)果，從5.2 km到云頂高度的云層內(nèi)，平均值很小，基本維持在0.2 m/s左右，但是，在5.2 km高度至零度層，平均值逐漸增大，并在零度層高度（距離雷達(dá)高度4.43 km，圖中用紅點(diǎn)線標(biāo)示出）附近達(dá)到極大值0.8 m/s。然而，在融化層里譜寬發(fā)生突變，譜寬從4.43 km的極大值0.8 m/s迅速減小到0.44 m/s（位于4.05 km高度，圖中用紅虛線標(biāo)示出），然后又迅速增大到1.2 m/s（出現(xiàn)在3.8 km高度）。在3.8 km高度以下，平均譜寬略有減小，在云的下層保持在1.0 m/s。

與圖2a的雷達(dá)回波強(qiáng)度隨高度的分布結(jié)構(gòu)相比較，可以發(fā)現(xiàn)，平均譜寬在融化層里隨高度降低的變化趨勢正好是相反的，從距離雷達(dá)4.43 km高度的零度層開始隨著高度降低，回波強(qiáng)度先是迅速增大，而平均譜寬先是迅速減小，的極大值和的極小值均出現(xiàn)4.0 km高度（圖2中紅實(shí)線標(biāo)示），然后，隨著高度進(jìn)一步降低，減小到新的極小值，而卻迅速增大到另一個(gè)新的極大值，而這兩個(gè)新的極值出現(xiàn)高度也基本相同，均位于3.8 km高度處（圖2中紅實(shí)線標(biāo)示）。

采用類似于Zhang等[14]對亮帶厚度的定義可以得到該觀測例子的亮帶厚度為500 m（即亮帶頂高4.3 km與亮帶底高3.8 km之差）。

在4.05 km高度出現(xiàn)的雷達(dá)發(fā)射率因子大值帶通常稱為零度層反射率亮帶（張培昌等[15]，2001），可以將在同一高度出現(xiàn)的多普勒速度譜寬小值帶通常稱為零度層譜寬暗帶，表示與反射率的零度層亮帶含義正好相對應(yīng)。零度層譜寬暗帶的出現(xiàn)可能意味著層狀云中在零度層附近湍流、橫向風(fēng)速切變、粒子下落速度不均勻程度等因素綜合效應(yīng)相對較弱。

圖2d為云層粒子的線性退極化比的垂直分布平均結(jié)果，聯(lián)合圖2d可以清楚地可看到，從云頂往下，大約是-15～-12 dB，并在離地4.3 km零度層高度達(dá)到極小值（-17.4 dB），隨著高度降低，迅速增大，并在3.9 km高度達(dá)到極大值（-7.9 dB），該極大值出現(xiàn)的高度比反射率亮帶的極大值和速度譜寬暗帶的極小值出現(xiàn)的高度略微低一點(diǎn)。達(dá)到極大值之后隨著高度降低，反而迅速減小，并在3.8 km高度達(dá)到定值（約-18 dB），再隨高度降低，幾乎保持一個(gè)定制。在融化層里出現(xiàn)變化劇烈的、明顯的亮帶，亮帶厚度和前面論述的反射率亮帶和速度譜寬暗帶的厚度相同，為500 m。在亮帶層之上，隨高度略有變化，這可能反映了過冷層中冰相粒子在不同高度上的分布結(jié)構(gòu)的不同，而在融化層之下，基本維持在-18 dB左右，說明降水粒子非球形特征不明顯，因此可以判斷該云層形成的降水為弱降水。

5 結(jié)論

利用35 GHz測云雷達(dá)分析一次雨層云過程，得出如下結(jié)論。

（1）根據(jù)云雷達(dá)反射率因子、徑向速度、速度譜寬、線性退極化比4個(gè)回波圖，可以清楚地識別出雨層云，并在4.3 km左右處有明顯的一條突變帶。在突變層之上，云內(nèi)冰相粒子在下落過程中發(fā)生聚并、淞附等冷云微物理過程，在突變層之下，冰相粒子融化成為液態(tài)水滴，液態(tài)水滴區(qū)湍流迅速增強(qiáng)，湍進(jìn)而形成降水，根據(jù)平均線性退極化比廓線可以判斷該云層形成的降水為弱降水。

（2）結(jié)合探空溫度廓線圖，可以確認(rèn)4.3 km高度附近出現(xiàn)的亮帶為云層冰相粒子融化所致，亮帶厚度為500 m。多普勒速度譜寬小值帶通常稱為零度層譜寬暗帶。零度層譜寬暗帶的出現(xiàn)可能意味著層狀云中在零度層附近湍流、橫向風(fēng)速切變、粒子下落速度不均勻程度等因素綜合效應(yīng)相對較弱。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Observation and Analysis of Primary Cloud Structure by Ka Band Dual Polarization Millimeter Wave Cloud Radar

WANG Xin et al（Fujian Meteorological Information Center， Fuzhou， Fujian 350000）

Abstract a 35 GHz dual polarization Doppler millimeter wave cloud radar located in the atmospheric observation base of Huainan city， Anhui province， Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences was used （HMB-KST）， radiosonde and other data were used to analyze the structure of a rain layer cloud system on May 7， 2015. The results showed that： （1） The radial velocity of cloud radar could preliminarily judge the phase state and size of particles in the cloud and whether there are raindrops or ice crystals; （2） Combined with the radiosonde temperature profile， it could be confirmed that the bright zone near the height of 4.3 km was caused by the melting of cloud ice particles， and the bright zone was thick 500 m; （3） According to the average linear depolarization ratio profile， it could be judged that the precipitation formed by the cloud was weak precipitation.

Key words Millimeter wave cloud radar; Zero layer bright band; Cloud structure

作者簡介 王鑫（1992—），女，山東莒南人，助理工程師，研究生，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信工程—大氣探測技術(shù)及應(yīng)用。

收稿日期 2021-11-21