基于毫米波云雷達的寒潮過程回波特征分析

胡樹貞，陶 法，張雪芬，王志成

(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

0 引言

寒潮是中國北方地區(qū)冬季經(jīng)常發(fā)生的一種災(zāi)害性天氣，是指來自高緯度地區(qū)的寒冷空氣，在特定的天氣形勢下迅速加強并向中低緯度地區(qū)侵入，造成沿途地區(qū)大范圍劇烈降溫、大風(fēng)和冰凍雨雪天氣。發(fā)生寒潮天氣時的降溫及大風(fēng)過程對云系的發(fā)生及發(fā)展影響顯著，在同等降水條件下，寒潮所帶來的降水對日常生產(chǎn)和生活影響更為嚴重，因此對寒潮期間云的宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征進行分析和研究具有重要意義[1，2]。

毫米波云雷達作為一種新型地基遙感設(shè)備，相比于厘米波雷達，對云和冰晶粒子具有更高的靈敏度和時空分辨率[3，4]，相比微波輻射計和激光雷達具有探測多層云的能力，可連續(xù)監(jiān)測云的垂直剖面變化，獲取云的宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征[5-11]。毫米波云雷達在獲取云垂直結(jié)構(gòu)的同時，還用于中等強度降水云系的微物理參數(shù)反演，有利于研究降水粒子相態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。張晉茹[12]等利用毫米波云雷達對伊犁河谷兩次強降雪過程云特征進行觀測分析，并利用毫米波云雷達進行雪粒子含水量反演，為提高和改善云—降水微物理過程的探測提供依據(jù)。王柳柳[13]等利用毫米波云雷達觀測的功率譜數(shù)據(jù)，提取反射率因子、速度譜寬、平均粒子半徑等參數(shù)對凍雨和降雪的微物理特征和動力過程進行聯(lián)合分析，得到能夠反映凍雨和降雪過程的微物理特征和垂直動力結(jié)構(gòu)。沈永生[14]等對1次凍雨轉(zhuǎn)暴雪天氣及雨雪冰凍天氣的多普勒雷達數(shù)據(jù)進行分析，通過對反射率因子、徑向速度及風(fēng)廓線等產(chǎn)品的分析，探討凍雨及降雪天氣的發(fā)生條件及降水相態(tài)轉(zhuǎn)變的條件。

目前，基于毫米波云雷達對寒潮天氣過程的垂直精細化觀測資料較少，限制了對寒潮天氣過程中云宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征的理解。文章利用北京地區(qū)安裝的2部毫米波云雷達，對2020-02-13—2020-02-14的1次寒潮天氣過程中云的垂直結(jié)構(gòu)特征進行分析，為該地區(qū)寒潮天氣預(yù)報服務(wù)積累經(jīng)驗，為此類天氣精細化預(yù)報提供參考。

1 觀測儀器和資料

文章利用北京海淀和延慶地區(qū)安裝的2部同型號毫米波云雷達，結(jié)合地面常規(guī)氣象要素及自動氣象站逐小時降水量等資料，重點分析毫米波云雷達在寒潮天氣降水過程的回波特征。

試驗用毫米波云雷達為HT101型全固態(tài)Ka波段云雷達，該型號云雷達使用固態(tài)發(fā)射技術(shù)，運行成本低、功耗小、可靠性高，每分鐘觀測1次，獲取垂直頂空0～15 km目標照射體的后向散射功率和多普勒頻移，進而提取氣象目標物的反射率因子、徑向速度和速度譜寬。為提高云雷達整機性能，滿足全天候觀測能力，云雷達采用寬窄脈沖相互交替發(fā)射的脈沖壓縮技術(shù)解決距離分辨率不夠和近距離盲區(qū)等問題。

2 寒潮天氣過程分析

從寒潮天氣過程前后的天氣形勢分析，2月13日09：42 FY-3C氣象衛(wèi)星對京津冀地區(qū)大霧遙感監(jiān)測產(chǎn)品顯示，在河北東部和中南部、北京東南部以及天津大部出現(xiàn)了大霧天氣，地面能見度不足1 km，在寒潮天氣過程之前北京東南部有較強的水汽積累。從2月14日850 hPa風(fēng)+05：00地面+07：00天氣雷達回波可知，北京和河北中部地區(qū)在地面高脊的上空850 hPa弱氣旋性環(huán)流的控制下，出現(xiàn)水汽輻合中心，為降水提供了條件[15-17]。

受強冷空氣和低層暖濕氣流共同影響，2月13日夜間北京地區(qū)普降中雨，北部山區(qū)及西部沿山一帶為雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪；2月14日08：00前后平原地區(qū)轉(zhuǎn)為降雪，白天大部分地區(qū)中到大雪。截至2月14日17：00，全市平均累計降水量(雨、雪)22.5 mm，城區(qū)平均26.5 mm；全市平均降雪量7.5 mm，城區(qū)平均10.1 mm。此次寒潮降水過程，北京地區(qū)20個國家級氣象觀測站中有14個觀測站日降水量突破冬季(12月至次年2月)最大日降水量歷史極值。

根據(jù)天氣實況，此次寒潮天氣降水過程大致分為3個階段：降水開始至2月14日05：00，屬于降雨天氣過程；2月14日05：00—08：00屬于雨夾雪天氣過程；2月14日08：00至降水結(jié)束屬于降雪天氣過程。通過海淀和延慶2個國家級氣象觀測站寒潮天氣過程期間24 h觀測的氣溫、相對濕度和小時降水量變化曲線可知，在寒潮天氣過程之前，2個觀測站氣溫維持在10 ℃左右，相對濕度較高，強冷空氣入侵造成溫度急劇下降，為降雪創(chuàng)造條件[18-20]。整個寒潮天氣過程，海淀站總降水量26.1 mm，最大小時降水量為6.0 mm，發(fā)生在14日05：00，延慶站總降水量12.6 mm，最大小時降水量3.4 mm，發(fā)生在14日06：00。延慶站降水開始的時間比海淀站提前了3 h左右，符合此次寒潮由北到南的發(fā)展過程，2個觀測站的天氣情況能夠代表北京城區(qū)及北部山區(qū)此次寒潮天氣過程的降水特征。

3 毫米波云雷達回波特征分析

通過分析海淀和延慶國家氣象觀測站的2部毫米波云雷達在觀測寒潮天氣過程時的反射率因子和徑向速度隨時間—高度的變化可知，2月13日16：00海淀站在1 km以下開始有低云生成，持續(xù)10 h后發(fā)生降水，利用13日16：00海淀氣象觀測站的氣溫和相對濕度，計算出大氣抬升凝結(jié)高度約為0.5 km，與毫米波云雷達觀測的云層高度一致，說明底層暖濕氣流攜帶的水汽較高，與強冷空氣輻合時容易形成降水。從毫米波云雷達回波的宏觀特征分析，此次北京地區(qū)寒潮天氣過程主要是由于本地相對濕度飽和的高度發(fā)展位置較低，在受冷空氣入侵時，降溫使底層大氣中的水汽抬升凝結(jié)并形成降水，降雨發(fā)生時延慶站云頂高度不足2 km。隨著冷暖氣流的充分輻合，降水云系進一步發(fā)生發(fā)展，強冷空氣使地面溫度迅速降到0 ℃以下，最終以雪的形式降落到地面。

在降水開始階段毫米波云雷達回波頂高較低，但在垂直剖面上已經(jīng)表現(xiàn)出由高空到地面強度逐漸增大的不均勻性片狀結(jié)構(gòu)特征，在隨后的雨夾雪階段，海淀站毫米波云雷達回波頂高并沒有進一步抬升，而是呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在最后的降雪階段2部毫米波云雷達的回波頂高均達到最高，但反射率因子強度較降雨和雨夾雪階段明顯減弱，隨著寒潮天氣系統(tǒng)的過境逐漸降低并消失，整體上毫米波云雷達反射率因子強度變化與地面小時降水量具有一定相關(guān)性。

在降雨階段，云內(nèi)降水粒子徑向速度在垂直方向上表現(xiàn)出由高到低增大的過程，并存在明顯陡增現(xiàn)象，在近地面達到最大值。在雨夾雪階段，降水粒子垂直徑向速度陡增區(qū)高度開始有規(guī)律地降低，直至觸地消失，降水粒子完成由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。而在降雪階段，降水粒子下落的徑向速度明顯降低，并且垂直方向上較為均勻，沒有明顯紋理，此階段毫米波云雷達回波開始逐漸脫離地面，直至消亡。整體上，海淀站和延慶站毫米波云雷達反射率因子和徑向速度增大的同時均伴隨著地面降水量的增多，與地面小時降水量變化趨勢吻合。

為更直觀地分析寒潮天氣過程中毫米波云雷達回波在垂直結(jié)構(gòu)上的變化特征，分別對雨(02：00—05：00)、雨夾雪(05：00—08：00)和雪(08：00—11：00)3個降水過程進行分段統(tǒng)計，統(tǒng)計毫米波云雷達反射率因子和徑向速度在不同高度上的概率密度分布。表1為3個降水過程云雷達在近地面0.3～1 km反射率因子和徑向速度的均值。通過統(tǒng)計可知，3個降水過程毫米波云雷達反射率因子隨著高度的降低而增大，海淀站在降雨階段的近地面反射率因子集中在10～20 dBz，延慶站集中在0～10 dBz，強度的差異也反映出2個觀測站小時降水量的差異。雨夾雪階段2部毫米波云雷達反射率因子均集中在0～10 dBz，而在最后的降雪階段反射率因子則明顯降低。3個降水過程中2部毫米波云雷達近地面反射率因子均值呈現(xiàn)降雨時最強，雨夾雪次之，降雪時明顯減弱的特征，其中降雪階段比前2個過程偏低10 dBz以上。另外，毫米波云雷達反射率因子在高空分成兩部分，高層主要為14日07：00—08：00數(shù)據(jù)，此部分毫米波云雷達反射率因子與08：00—11：00的反射率因子趨勢較為一致，說明在高層云系已滿足降雪條件，而低層毫米波云雷達反射率因子垂直變化特征又與02：00—05：00的反射率因子較為接近，符合降雨特征。

表1 3個降水過程毫米波云雷達反射率因子和徑向速度均值(0.3～1 km)

降雨階段毫米波云雷達徑向速度在垂直高度上存在較為明顯的梯度變化，原因是降水粒子下落過程中經(jīng)過0 ℃層時在相態(tài)發(fā)生變化的同時存在碰并增長現(xiàn)象，降水粒子體積增長造成下落速度增大，此過程云雷達徑向速度最大，主要分布在-2～-6 m/s，海淀站均值-4.4 m/s，延慶站均值-2.5 m/s。在雨夾雪和降雪階段，2部毫米波云雷達徑向速度由高空到地面未發(fā)生明顯變化，雨夾雪階段毫米波云雷達徑向速度，海淀站和延慶站均值分別為-1.9 m/s、-1.5 m/s，在降雪階段毫米波云雷達徑向速度在垂直分布上更為集中，徑向速度在3個降水過程中最小，海淀站均值-1.3 m/s，延慶站均值-1.1 m/s。

4 結(jié)束語

文章利用北京地區(qū)安裝的2部毫米波云雷達對2020-02-13—2020-02-14寒潮天氣降水過程云的垂直結(jié)構(gòu)特征進行了分析，主要結(jié)論如下：

1)此次寒潮天氣中的降水過程，主要是受強冷空氣侵入影響，本地充沛的水汽經(jīng)抬升凝結(jié)并最終形成降水，隨著冷暖氣流進一步輻合，近地層水汽在抬升凝結(jié)的同時地面溫度降到0 ℃以下，最終以雪的形式降落到地面。

2)在降水云系宏觀特征上，降雨階段毫米波云雷達反射率因子值最大，強度集中在0～20 dBz，并表現(xiàn)出明顯的片狀不均勻結(jié)構(gòu)，回波強度與地面小時降水量變化趨勢吻合。毫米波云雷達徑向速度高值區(qū)隨著地面溫度降低，逐漸降低，最終在降雪階段觸地消失，與雨-雨夾雪-雪天氣過程相關(guān)，近地面徑向速度降雨時集中在-2～-6 m/s，而降雪時分布在-1.5 m/s以內(nèi)。

3)在降水云系垂直高度上，3個降水階段毫米波云雷達反射率因子表現(xiàn)出由高到低強度增大的特征，而降雪時反射率因子強度明顯降低，較前2個過程平均偏低10 dBz以上。在降雨階段毫米波云雷達徑向速度垂直方向上梯度特征變化明顯，與降水粒子在經(jīng)過0 ℃層時相態(tài)發(fā)生變化且伴隨碰并增長有關(guān)，而在雨夾雪和降雪階段，2部毫米波云雷達徑向速度在垂直方向上未發(fā)生明顯變化，整體較為集中。