结合Ka 和X 波段双偏振雷达对北京一次锋面降雪过程雪带的观测分析

武静雅 毕永恒 孙强 吕达仁

1 中国科学院大气物理研究所，北京 100029

2 中国科学院大学，北京 100049

3 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029

1 引言

层状云降水多与大范围抬升相关，包括中尺度对流系统、热带气旋、锋面气旋系统等。其中锋面气旋系统是中纬度地区的主要云和降水源（Houghton 1968；Businger and Reed, 1989；Houze,2014）。锋面气旋系统常具有多尺度复合结构，由于气流场和湿度场的不同配置，系统内可能出现多种中小尺度结构。锋面气旋中小尺度相关研究结果显示其重要的中尺度结构是雨带和雪带，雨带和雪带即降水更为集中的区域，一般成带状排列。锋面层状云降水水平方向分布不均匀，一般由多个雨带或雪带组成（Heymsfield, 1979）。

以往有许多利用雷达、飞机等设备对雨带观测分析的工作，因而目前对雨带的水平分布、垂直结构有比较全面的认识（Hobbs et al., 1980; Rutledge and Hobbs, 1983; Stolzenburg et al., 1998; Houze et al., 2009）。目前认为雨带上部的冰晶来源可能有3 种，分别是原位生成、由临近或上方“播种”而来以及内部嵌入的某种结构生成，上部冰晶生成后即开始生长。垂直方向上是明显的分层结构，每一层内由不同的微物理过程主导。自上而下一般为凝结增长层、碰并增长层、凇附或介电常数变化层、融化层四层。

但是，对雪带的研究集中于锋面气旋系统内温湿度场的分布、雪带的水平分布特征及其影响因素（Sanders and Bosart, 1985; Martin, 1999; Nicosia and Grumm, 1999; Schultz and Schumacher, 1999;Clark et al., 2002; Jurewicz and Evans, 2004; Novak et al., 2009; Picca et al., 2014），缺乏对雪带形成演变的过程及宏微观物理结构等更为细致的观测分析，远不如对雨带的研究深入。

对云的观测可以分为原位观测和遥感观测。原位观测多由飞机携带粒子探头进行穿云试验完成，由于云内具有复杂的动力结构，因而对某些较为危险的区域不能进行很好的探测，且飞行成本昂贵。遥感观测最主要是卫星和雷达观测，卫星由于其轨道限制，不能进行针对性的连续观测。而雷达可以时刻根据云的变化更改观测方式实现跟踪观测，且其数据的时空分辨率非常高。

由于雷达回波信号的强度与波长的4 次方成反比，因而波长越短的雷达灵敏度越高，但是波长越短则吸收效果越明显，完备的试验应该包括双波长甚至多波长雷达（Battan，1959，1973；Ryzhkov and Zrnic, 2019）。Ka 波段雷达适合于非降水云或降雪的观测，X 波段雷达对弱降水观测具有优势。Ka 波段雷达一般采用垂直对空（DTB）或者距离—高度（RHI）扫描，适合观测垂直结构，不能有效的跟踪目标结构的移动变化，X 波段雷达一般采用平面—位置（PPI）或RHI 扫描，可以获得目标结构的移动变化特征及垂直结构特点。利用X 波段雷达对目标结构跟踪并结合Ka 和X 波段雷达对目标系统垂直结构进行观测，是获得包括雪带在内的弱降水系统内部中尺度结构生命史和垂直结构的高效选择。

双偏振变量可以给出更为丰富的回波信息，但不同的收发方式获得的偏振变量不同，为了同时获得全部的双偏振变量，需要结合两部以上的雷达进行观测。但由于试验条件的限制以及多部雷达配合观测和数据处理的困难，结合两部及以上数量的双偏振雷达进行同步观测的试验较少。见于文献中X 波段和Ka 波段双偏振雷达配合同步观测的试验仅有7 次，集中在利用等效反射率因子或衰减等变量的差异对某一个或某两个云或降水参数进行分析，并未将偏振变量结合使用，且未应用于降雪的观测中（Nakamura et al., 1990; Gosset and Sauvageot,1992; Martner et al., 1993; Matrosov et al., 1999;Vivekanandan et al., 2001; Liao et al., 2005; Tyynelä and Chandrasekar, 2014）。

另外，即使单独利用Ka 波段雷达观测降雪的研究也很少，主要应用于回波变量特征与地表降雪的关系、过冷水识别、垂直速度反演等方面（陈羿辰等, 2016; 王柳柳等, 2017; 李玉莲等, 2019）。单独利用X 波段双偏振雷达观测降雪的工作主要针对某种结构与回波变量关系或Z-R 关系展开，如柱状粒子生长层观测研究、Z-R 关系模拟、最佳ZR 关系的确定方法等（Fujiyoshi et al., 1990;Matrosov. 2007; Matrosov et al., 2009; Schrom et al.,2015, Heymsfield et al. 2016）。总之，Ka 和X 波段雷达单独应用于降雪观测的工作数量较少、研究对象针对性较强，并不充分。

为了发挥采用不同观测模式、不同收发方式的Ka 波段和X 波段双偏振雷达结合观测降雪具有的全面、高效、准确的优势，获得锋面气旋系统中雪带发展各阶段宏微观特征，丰富对锋面气旋系统雪带的认识，补充Ka 波段和X 波段雷达对降雪的观测研究，本文设计了中国科学院大气物理研究所同一观测站内的一部单发双收体制Ka 波段双偏振雷达和一部双发双收体制X 波段双偏振雷达结合观测方法，首次将Ka 和X 波段双偏振雷达结合应用于降雪过程的观测中，以2019 年2 月14 日冷锋气旋在北京造成明显的层状云降雪过程为对象，对此次锋面气旋中的雪带形成、发展、消亡阶段的特征进行了分析。结果表明，上述观测方法成功的获得了雪带的生命史和宏微观结构。雪带的垂直结构符合以往对层状云分层的物理认识，与雨带垂直结构类似：上部冰晶由上层播种而来，播种到下层后经历不同的生长方式，形成垂直方向明显分为凝结增长层、丛集层、凇附层三层的结构，不同于雨带，雪带内没有融化层。另外发现，当播种得到的冰晶凝结生长区开始消散“变空”时，雪带即进入消亡，降雪趋于结束。

2 资料与方法

2.1 设备简介

本文使用的数据来源于中国科学院大气物理研究所同一观测站内的一部Ka 波段双偏振雷达（以下简称为IAPKa）和一部X 波段双偏振雷达（以下简称为IAPX），两部雷达的参数在表1 中列出。

表1 IAPKa 和IAPX 参数表Table 1 Parameters of Ka-band radar of Institute of Atmospheric Physics(IAPKa) and X-band radar of Institute of Atmospheric Physics (IAPX)

IAPKa 采用单发双收体制，获得偏振变量LDR，LDR 是交叉极化与水平极化回波强度的差值，表征水凝物的退偏振程度，一般随着非球形水凝物粒子相对于偏振平面倾斜角的增大而增加。IAPX 采用双发双收体制，偏振变量为ZDR、ρhv和φDP。ZDR是雷达水平极化与垂直极化的回波强度之差，一般ZDR随轴比增大而增大，反映水凝物粒子的非球形程度。ρhv是水平极化与垂直极化回波强度的相关系数，表征探测体积内粒子的多样性，ρhv随着粒子多样性的增加而减小，回波性质均一的水凝物的ρhv接近1，常被用于区分气象和非气象回波。φDP是水平和垂直极化通道前向传播相位差，与非球形粒子的大小和数浓度有关。两部雷达同步观测可获得同一目标的全部偏振特性，进而对目标进行更为全面的分析。另外需要指出，IAPKa和IAPX 的多普勒速度均规定靠近雷达方向为正，反之为负。

2.2 IAPKa 和IAPX 结合观测方式及数据处理

为最大发挥IAPKa 和IAPX 结合的优势，应以雪带形成、发展、消亡过程为对象，确定仰角和方位角范围进行针对性观测，并根据云的变化调整仰角方位角范围，以实现既能完全涵盖，又能避免无效观测的扫描方式，提高观测频率，获取变化细节信息。具体观测方式列在表2 中，配合方式1 和配合方式2 交替进行，每进行一次配合方式1 扫描，即IAPX 进行PPI 扫描获得锋面气旋系统移动变化特征的同时IAPKa 进行DTB 扫描获得垂直速度等特征的扫描，并确定目标雪带。随后进行30 分钟配合方式2 扫描，即根据配合方式1 中确定的目标雪带，利用IAPKa 和IAPX 同时对相同方位雪带的垂直结构进行RHI 观测，获得雪带的垂直特征。

表2 IAPKa 和IAPX 结合观测方式Table 2 The combined observation method of IAPKa and IAPX

两部雷达的数据在使用前均已进行质量控制。其中IAPKa 的噪声主要是信噪比较低时引起的噪声，IAPX 的噪声主要是旁瓣及山区引起的噪声。

为了获得更加准确详细的雪带结构，进行分析时，对于两部雷达相同的回波变量，则选择灵敏度更高雷达的回波变量，对于两部雷达不同的双偏振变量，则进行结合使用。根据对观测结果的分析，发现雪带的生命史可以分为“播种”形成阶段、发展阶段和消亡阶段。其中消亡阶段又可以分为第一消亡阶段和第二消亡阶段。下面依次对每一阶段雪带垂直方向的宏微观结构进行分析说明。

3 雪带形成、发展、消亡阶段宏微观结构分析

3.1 播种形成阶段

2019 年2 月14 日09∶20（北京时，下同）左右，本场降雪突然增强，雪带已在本场上空生成，需要对本场上空云随时间的变化进行分析以获得雪带形成的过程。将08∶32 至09∶23 时间段内IAPKa进行的所有DTB 扫描的等效反射率因子（ZHH）、多普勒速度（V）以及退偏振比（LDR）分别绘制在同一张图中，依次为图1 中的（a）、（b）、（c）图。由于IAPKa 进行了DTB 和RHI 扫描，因而图像中部分区域不连续。

图1 所示的时间段内，本场上空的云一直为双层结构。由图1a 中ZHH的垂直结构可知，09∶13 之前（图1 中黑色直线左侧部分），下层云呈现为明显的分层结构，垂直方向分为三层，每个层次由ZHH相对较高即由大粒子组成的中间部分以及ZHH向两侧平滑减小即由小粒子组成的部分构成。由图1b 中粒子的多普勒速度V可知，三层内的粒子均在下落，对下方进行“播种”。

图1 2019 年2 月14 日08∶32（北京时，下同）至09∶23 时段内播种形成阶段IAPKa 垂直对空（DTB）扫描回波变量：（a）ZHH；（b）V；（c）LDRFig. 1 Vertical scan echo of IAPKa in a seeding process from 0832 BJT to 0923 BJT (Beijing time) on 14 Feb 2019: (a) Reflectivity factor (ZHH);(b) Doppler velocity (V); (c) Linear depolarization ratio (LDR)

09∶13 之后（图1 中黑色直线右侧部分），距地约2 km 高度处形成了大范围ZHH为-30～-17 dBZ，垂直下落速度0.25～0.75 m s-1、LDR 较大的层次（以黑色实线不规则图形标于图1a、b、c 中）。ZHH较小且LDR 较大说明此层为取向较为水平的小粒子。另外，冰相粒子的下落速度与粒子类型、尺寸以及凇附的程度有关，原始冰晶的下落速度一般为0.1～0.7 m s-1，除少数由2～3 个原始冰晶聚合形成的聚合冰晶速度与原始冰晶相差不多，大多数聚合冰晶下落速度为1～1.5 m s-1，凇附会增大粒子的下落速度，如凇附的霰粒子下落速度为1～3 m s-1（Locatelli and Hobbs, 1974; Kajikawa,1982）。结合此层粒子的ZHH、LDR 以及V的特征推测其内部的粒子为取向较为水平的原始单冰晶粒子，即此层为冰晶凝结增长层。

为获得上述雪带的垂直结构，随即对此雪带进行背风RHI 观测。分析凝结增长冰晶的发展，获得雪带的结构，将09∶30 两部雷达RHI 同步扫描时，IAPKa 获得的ZHH、LDR 以及IAPX 获得的ZDR、ρhv依次表示在图2 中。

图2 2019 年2 月14 日09∶30 IAPKa 和IAPX 进行同步距离—高度（RHI）扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhv。黑色实线区域是冰晶凝结增长层，白色线区域是丛集层，黑色虚线区域是凇附层Fig. 2 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR (differential reflectance factor), and (d) IAPX variable ρhv(correlation coefficient) obtained by the simultaneous range height indicator (RHI) scans of IAPKa and IAPX at 0930 BJT 14 Feb 2019. The black solid line area is the condensation layer, the white line area is the aggregation layer, and the black dotted line area is the riming layer

结合ZHH、LDR、ZDR、ρhv分析可以明显观察到此雪带的垂直结构。黑色单线为ZHH极小、LDR 较高区域，即前文中提到的“播种”形成的冰晶凝结增长层。白色单线区域为ZHH较大、ZDR极大、ρhv较大区域，为取向较为水平的不规则的较大雪花粒子，即丛集层。黑色单虚线区域为高ZHH、较低ZDR、高ρhv区域，此层水平风速较上一层小，因而位于上层回波区域的后方。推测此层内包含过冷水滴，雪花粒子凇附过冷水滴后介电常数增大且变得相对更加趋近于球体，导致ZHH瞬间增大、ZDR减小、ρhv增大。

上述结构即为雪带的垂直结构，由高到低三层依次分别为“播种”形成的冰晶凝结增长层、丛集层、淞附层，并依次使用黑色单线、白色单线、黑色单虚线在图中进行标注。由于各层水平风速不同，三层并非垂直分布。可以发现，IAPX 未能探测到ZHH很小的冰晶凝结增长层，而灵敏度更高的IAPKa 获得的ZHH和LDR 明显的显示出冰晶凝结增长层。但双方双收的IAPX 获得的ZDR和ρhv显示了冰晶凝结增长后的碰并和凇附层，体现了两部雷达结合观测具有的全面、准确、高效的特点。

3.2 发展阶段

第一个雪带形成移走后，此后陆续观测到多个雪带。图3 至图5 中列出了后续与第一个雪带结构相同，但凝结增长层高度、水平尺度等方面各有不同的4 个雪带。各时刻新出现的雪带均用不规则图形标注在图中，线形与层次的对应关系如前。

图3 2019 年2 月14 日10∶36 IAPKa 和IAPX 进行同步RHI 扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 3 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1036 BJT 14 Feb 2019

图3 列出了10∶36，本场上空的2 个新雪带。其中一个雪带凝结增长层距地高度约1.7 km，水平范围约30 km。另外一个雪带的凝结增长层距地高度约6 km，水平范围约40 km。

12∶46 观测到的雪带垂直结构列在图4 中，其凝结生长层位于距地表3 km 左右，水平尺度约25 km。

图4 2019 年2 月14 日12∶46 IAPKa 和IAPX 进行同步RHI 扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 4 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1246 BJT 14 Feb 2019

图5 中列出了13∶48 本场附近的雪带，水平范围约30 km，凝结增长层位于距地表2 km 高度处，但已开始消散“变空”，表现出从此区域分裂为多层云的趋势。

图5 2019 年2 月14 日13∶48 IAPKa 和IAPX 进行同步RHI 扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 5 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1348 BJT 14 Feb 2019

3.3 消亡阶段

随着雪带的冰晶凝结增长层消散“变空”，云系从冰晶凝结增长层分解为两层甚至多层云。此过程中云系首先从4 km 高度处凝结增长层分裂为上下两层云，上层云迅速消散，剩余部分再次从2 km 高度凝结增长层分裂为两层后各自消散。将由4 km 高度的冰晶凝结增长层分裂的过程称为“第一消亡阶段”，由2 km 高度处的冰晶凝结增长层分裂的过程称为“第二消亡阶段”。为更加清晰的展现分裂消散的过程，在第一消亡阶段内图中仅标注凝结增长层位于4 km 的雪带，在第二次消亡阶段内图中仅标注凝结增长层位于2 km 的雪带。

3.3.1 第一消亡阶段

16∶12（图6），4 km 高度附近的冰晶凝结增长层渐弱至不能被观测到，雪带从此层完全分裂为两层云，上层云非常薄弱，冰晶丛集和淞附层留在下层云中。

图6 2019 年2 月14 日16∶12 IAPKa 和IAPX 进行同步RHI 扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 6 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1612 BJT 14 Feb 2019

3.3.2 第二消亡阶段

继第一消亡阶段云从4 km 高度冰晶凝结增长层分裂为两层后，上层薄弱的云在视野内消失。如图7 所示，与第一次消亡阶段类似，一段时间后剩余的下层云中2 km 高度附近的凝结增长层也减弱至不能被观测到，下层云从此层再次分裂为两层，分裂后的上层云仍是非常薄弱的云并迅速消失，下层云独立消散。

图7 2019 年2 月14 日16∶40 IAPKa 和IAPX 进行同步RHI 扫描获得的IAPKa 的变量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的变量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 7 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1640 BJT 14 Feb 2019

4 小结

由以上的分析可见，IAPKa 和IAPX 结合观测，高效的获取了雪带形成、发展、消亡过程中的宏微观结构。发现“播种”至下层云的冰晶凝结增长、丛集、凇附形成了雪带的三层结构，各层水平风速不同导致雪带的三层结构并非垂直排列。雪带不断生成发展维持降雪，直至冰晶凝结增长层变空，云从此层分裂后各自消散。将本次降雪过程观测到的雪带生成演变过程总结在表3 中。

表3 雪带发展过程Table 3 Evolution of snowbands

5 主要结论

（1）本文设计了采用不同观测模式、不同收发方式的Ka 波段和X 波段双偏振雷达结合观测方法，首次将Ka 和X 波段双偏振雷达结合应用在降雪的观测中，获得了全面、准确、高效的数据，并首次将Ka 和X 波段双偏振雷达的双偏振变量结合使用，成功地对雪带生成、发展、消亡阶段的宏微观结构进行观测分析。体现了Ka 和X 波段双偏振雷达结合的必要性和高效性，丰富了对锋面气旋系统中雪带的认识，补充了Ka 波段和X 波段雷达在降雪过程中的应用。

（2）雪带垂直结构符合以往对层状云分层的物理认识，类似但不同于雨带垂直方向由冰晶凝结增长层、丛集层、凇附层、融化层四层组成的结构，雪带没有融化层，仅由冰晶凝结增长层、丛集层、雪花凇附层三层组成，各层水平风速不同导致雪带各层并非垂直分布。多个雪带不断生成，维持降雪的不断发展。

（3）此过程中的冰晶凝结增长层由其上方“播种”下来的冰晶凝结增长形成，位于距地表2 km或4 km 左右高度处，水平尺度为20～40 km。凝结增长层不断生成冰晶，直至无法生成，云即进入消散阶段，消散时从冰晶凝结增长层分裂为多层云后各层云独自减弱消失。

致谢 中国科学院大气物理研究所研究员段树和副研究员霍娟为本文工作提供了建设性的建议和帮助，在此致以诚挚的感谢！