Ka波段双偏振毫米波测云雷达对一次云系结构的观测分析

王鑫　段卿

摘要 利用中国科学院大气物理研究所位于安徽省淮南市大气观测基地的一部35 GHz双偏振多普勒毫米波测云雷达（HMB-KST）、探空等资料，对2015年5月7日一次雨层云云系的结构进行分析。结果表明：（1）云雷达的径向速度可以初步判断云内粒子的相态和大小以及是否存在雨滴或冰晶;（2）结合探空温度廓线图，可以确认4.3 km高度附近出现的亮带为云层冰相粒子融化所致，亮带厚度为500 m;（3）根据平均线性退极化比廓线可以判断该云层形成的降水为弱降水。

关键词 毫米波云雷达;零度层亮带;云结构

中图分类号：P412.25 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）02–0049–03

在整个大气的能量和水循环过程中，云及其所产生的降水起着核心的作用。地球上的大部分地方都被云所覆盖，因此研究云则能更好地研究天气系统和气候变化[1]。Pasqualucci等[2]（1983）利用35 GHz毫米波多普勒双偏振测云雷达进行研究，主要是针对云滴谱分布和垂直运动速度方面的研究。Kollias等[3-4]（1999，2003）利用云雷达研究了对流云中垂直空气运动和雨滴分布，并研究了对流性降水的云微物理结构。Kollias等[5]（2000）应用94 GHz云雷达研究了大陆性层积云湍流结构。Field等[6]（2004）利用机载探测设备确定了云内粒子相态。Connor等[7]（2005）采用多普勒雷达和激光雷达联合估算的方法得到了层云底部毛毛雨的微物理特征分布情况。李曦等[8]（2013）使用Gossard[9]（1994）和Gossard等[10]（1997）的研究方法，对层状云中的湍流谱宽进行了估算。Deng等[11]（2006）则通过毫米波雷达采集的功率谱数据来估算出层状云的湍流谱，进而得到卷云微物理参量的反演公式。

1 探测仪器介绍

位于安徽淮南云雷达的观测模式采用固定仰角方位周扫（PPI）及垂直定向（THI）等工作方式进行观测，可获取15 km高度范围内各高度层上探测目标的回波强度（Z）、径向速度（Vr）、速度谱宽（SW）、线性退极化比（LDR）和功率谱分布等信息，其中每小时进行1次PPI观测，每4 min左右进行一次THI观测。观测中利用窄脉冲补盲波形及宽脉冲脉压波形探测方式，可分别探测6.3 km和15 km高度范围内各高度层的云层分布，距离分辨率均为30 m，时间分辨率为0.5 s，其中宽脉冲有2 km左右的大气边界层观测盲区，利用窄脉冲补盲波形可以有效地获取到整个15 km范围内的信息。该云雷达技术指标具体见表1和表2。

2 雨层云结构分析

图1为2015年5月17日21：08～22：07时探测到的雨层云降水回波，图中给出了此雨层云回波的反射率因子Z（a）、徑向速度Vr（b）、速度谱宽SW（c）和线性退极化比LDR（d）。

由图1a看到，云层高度从21：08时的12.5 km逐步降低到22：07时的8.5 km，1 h内云层高度降低了4 km。云的回波强度在零度层（约4.3 km）之上最大值为15 dBZ，增大到融化层之下最大值25 dBZ，说明回波强度随着高度的降低在增大。

由图1b看到，在零度层（离地高度约4.3 km）之上云层，随着高度的降低，云和降水粒子的垂直速度从云上部的上升速度逐步变为下落速度（在9.0 km高度，垂直速度由正值变为负值），而在继续下落过程中粒子的垂直速度在缓慢增大。粒子下落速度的这种缓慢变化特征反映的正好是冰相粒子的下落速度与粒子尺度的正相关关系。

对不同类型的冰相粒子来说，粒子的下落速度与粒子的等效直径成很复杂的正相关关系（参见盛裴轩等的文献[12]，2003），因此，这个雷达观测结果总体上说明云中冰相粒子在下落过程中尺度是逐步增大的，这也可能反映这些冰相粒子在下落过程中发生聚并、淞附等冷云微物理过程（杨军等[13]，2011）。在零度层之下，云和降水粒子变成为云雨粒子，它们的下落速度迅速增大到5 m/s左右，表明降水粒子由融化层之上的冰相粒子在下落过程中经过融化层之后融化成为液态水滴，它们的下落速度也在增大。

由图1c给出的多普勒谱宽看到，在零度层之上，大约5.5 km高度之上谱宽大约是0～0.5 m/s，而在5.5～4.3 km高度层变为0.5～0.7 m/s，在零度层之下，谱宽迅速增大到1.0～1.5 m/s，这些结果反映在融化层之上高层的冰相降水粒子区湍流较弱，而在融化层之下，液态水滴区湍流迅速增强，湍流的增强可能有利于降雨粒子通过湍流碰并过程而增大。

图1d展示了云层中退偏振比垂直分布随时间的变化，在零度层高度附近LDR出现了一条强度可以达到-5 dB强回波带，而在这条LDR带之上的高层和之下的底层，总体来说，LDR值变化相对较小。通过仔细比较可以看到，这条带之上高层的LDR值略微比下层要大一点，说明高层冰相粒子形状比底层要更加不均匀。

为了更加清楚地比较融化层的上下层各物理参量的差异，图2给出了该时段内四个物理参数（反射率因子Z、径向速度Vr、速度谱宽SW和线性退极化比LDR）的平均垂直廓线。

图2a～图2d中4.3 km高度附近用红色虚线标出了融化层顶（零度层）位置，图2e给出了与淮南观测站距离最近的阜阳探空站临近时刻（2015年5月17日20：00 BJT）的温度探空廓线图。

从图中以及临近探空资料的综合对比分析可以看到，反射率强度、径向速度、速度谱宽和线性退极化比参量均在4.3 km高度（注意，这里显示的雷达回波高度为相对雷达天线的高度，雷达天线的海拔高度为80.1 m）附近有一明显的突变层，对应的海拔高度为4.38 km。

根据距离淮南观测站130 km左右阜阳探空站2015年05月17日20：00的探空资料显示，零度层在4.4 km海拔高度（即与雷达天线的相对高度为4.32 km）。因此，雷达反射率回波图所展示的亮带层顶海拔高度与探空的零度层高度非常接近。由此，可以确认4.3 km高度附近出现的亮带为云层冰相粒子融化所致。

从图1a和图2a的回波强度垂直分布显示，该云层垂直分布结构比较均匀，回波顶高度在13 km左右，距离地面4.0 km高度上出现一条回波强度突然增强的亮带。上述观测得到的亮带垂直分布结构与以往经典的观测结果和模型（Zhang等[14]，2008）非常一致。

图2b是雷达垂直指向探测到的垂直径向速度分布的平均情况，在云顶附近的云和降水粒子的平均垂直速度值几乎为0，由于该处的环境温度达到-20℃，这些云和降水粒子应主要为冰相粒子。这些冰相粒子在下落过程中的下落速度逐渐增大到1.5 m/s，经过零度层融化后，速度突然增大，增大到5 m/s;接着，随着粒子的进一步下落，它们的速度缓慢增大到6.4 m/s，对应于大约2 mm大小的雨滴下落的速度，大值区位于1.7 km高度上;之后，下落速度又缓慢减小到5.5 m/s。

图2c为粒子的速度谱宽垂直分布的平均结果，从5.2 km到云顶高度的云层内，平均值很小，基本维持在0.2 m/s左右，但是，在5.2 km高度至零度层，平均值逐渐增大，并在零度层高度（距离雷达高度4.43 km，图中用红点线标示出）附近达到极大值0.8 m/s。然而，在融化层里谱宽发生突变，谱宽从4.43 km的极大值0.8 m/s迅速减小到0.44 m/s（位于4.05 km高度，图中用红虚线标示出），然后又迅速增大到1.2 m/s（出现在3.8 km高度）。在3.8 km高度以下，平均谱宽略有减小，在云的下层保持在1.0 m/s。

与图2a的雷达回波强度随高度的分布结构相比较，可以发现，平均谱宽在融化层里随高度降低的变化趋势正好是相反的，从距离雷达4.43 km高度的零度层开始随着高度降低，回波强度先是迅速增大，而平均谱宽先是迅速减小，的极大值和的极小值均出现4.0 km高度（图2中红实线标示），然后，随着高度进一步降低，减小到新的极小值，而却迅速增大到另一个新的极大值，而这两个新的极值出现高度也基本相同，均位于3.8 km高度处（图2中红实线标示）。

采用类似于Zhang等[14]对亮带厚度的定义可以得到该观测例子的亮带厚度为500 m（即亮带顶高4.3 km与亮带底高3.8 km之差）。

在4.05 km高度出现的雷达发射率因子大值带通常称为零度层反射率亮带（张培昌等[15]，2001），可以将在同一高度出现的多普勒速度谱宽小值带通常称为零度层谱宽暗带，表示与反射率的零度层亮带含义正好相对应。零度层谱宽暗带的出现可能意味着层状云中在零度层附近湍流、横向风速切变、粒子下落速度不均匀程度等因素综合效应相对较弱。

图2d为云层粒子的线性退极化比的垂直分布平均结果，联合图2d可以清楚地可看到，从云顶往下，大約是-15～-12 dB，并在离地4.3 km零度层高度达到极小值（-17.4 dB），随着高度降低，迅速增大，并在3.9 km高度达到极大值（-7.9 dB），该极大值出现的高度比反射率亮带的极大值和速度谱宽暗带的极小值出现的高度略微低一点。达到极大值之后随着高度降低，反而迅速减小，并在3.8 km高度达到定值（约-18 dB），再随高度降低，几乎保持一个定制。在融化层里出现变化剧烈的、明显的亮带，亮带厚度和前面论述的反射率亮带和速度谱宽暗带的厚度相同，为500 m。在亮带层之上，随高度略有变化，这可能反映了过冷层中冰相粒子在不同高度上的分布结构的不同，而在融化层之下，基本维持在-18 dB左右，说明降水粒子非球形特征不明显，因此可以判断该云层形成的降水为弱降水。

5 结论

利用35 GHz测云雷达分析一次雨层云过程，得出如下结论。

（1）根据云雷达反射率因子、径向速度、速度谱宽、线性退极化比4个回波图，可以清楚地识别出雨层云，并在4.3 km左右处有明显的一条突变带。在突变层之上，云内冰相粒子在下落过程中发生聚并、淞附等冷云微物理过程，在突变层之下，冰相粒子融化成为液态水滴，液态水滴区湍流迅速增强，湍进而形成降水，根据平均线性退极化比廓线可以判断该云层形成的降水为弱降水。

（2）结合探空温度廓线图，可以确认4.3 km高度附近出现的亮带为云层冰相粒子融化所致，亮带厚度为500 m。多普勒速度谱宽小值带通常称为零度层谱宽暗带。零度层谱宽暗带的出现可能意味着层状云中在零度层附近湍流、横向风速切变、粒子下落速度不均匀程度等因素综合效应相对较弱。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞

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

作者简介 王鑫（1992—），女，山东莒南人，助理工程师，研究生，主要研究方向为电子与通信工程—大气探测技术及应用。

收稿日期 2021-11-21