基于毫米波云雷達(dá)的寒潮過(guò)程回波特征分析

胡樹(shù)貞，陶 法，張雪芬，王志成

(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

0 引言

寒潮是中國(guó)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(lái)自高緯度地區(qū)的寒冷空氣，在特定的天氣形勢(shì)下迅速加強(qiáng)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(shí)的降溫及大風(fēng)過(guò)程對(duì)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(lái)的降水對(duì)日常生產(chǎn)和生活影響更為嚴(yán)重，因此對(duì)寒潮期間云的宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征進(jìn)行分析和研究具有重要意義[1，2]。

毫米波云雷達(dá)作為一種新型地基遙感設(shè)備，相比于厘米波雷達(dá)，對(duì)云和冰晶粒子具有更高的靈敏度和時(shí)空分辨率[3，4]，相比微波輻射計(jì)和激光雷達(dá)具有探測(cè)多層云的能力，可連續(xù)監(jiān)測(cè)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(dá)在獲取云垂直結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還用于中等強(qiáng)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(guò)程。張晉茹[12]等利用毫米波云雷達(dá)對(duì)伊犁河谷兩次強(qiáng)降雪過(guò)程云特征進(jìn)行觀測(cè)分析，并利用毫米波云雷達(dá)進(jìn)行雪粒子含水量反演，為提高和改善云—降水微物理過(guò)程的探測(cè)提供依據(jù)。王柳柳[13]等利用毫米波云雷達(dá)觀測(cè)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(duì)凍雨和降雪的微物理特征和動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行聯(lián)合分析，得到能夠反映凍雨和降雪過(guò)程的微物理特征和垂直動(dòng)力結(jié)構(gòu)。沈永生[14]等對(duì)1次凍雨轉(zhuǎn)暴雪天氣及雨雪冰凍天氣的多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)反射率因子、徑向速度及風(fēng)廓線(xiàn)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(dá)對(duì)寒潮天氣過(guò)程的垂直精細(xì)化觀測(cè)資料較少，限制了對(duì)寒潮天氣過(guò)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(dá)，對(duì)2020-02-13—2020-02-14的1次寒潮天氣過(guò)程中云的垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，為該地區(qū)寒潮天氣預(yù)報(bào)服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)，為此類(lèi)天氣精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考。

1 觀測(cè)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(hào)毫米波云雷達(dá)，結(jié)合地面常規(guī)氣象要素及自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水量等資料，重點(diǎn)分析毫米波云雷達(dá)在寒潮天氣降水過(guò)程的回波特征。

試驗(yàn)用毫米波云雷達(dá)為HT101型全固態(tài)Ka波段云雷達(dá)，該型號(hào)云雷達(dá)使用固態(tài)發(fā)射技術(shù)，運(yùn)行成本低、功耗小、可靠性高，每分鐘觀測(cè)1次，獲取垂直頂空0～15 km目標(biāo)照射體的后向散射功率和多普勒頻移，進(jìn)而提取氣象目標(biāo)物的反射率因子、徑向速度和速度譜寬。為提高云雷達(dá)整機(jī)性能，滿(mǎn)足全天候觀測(cè)能力，云雷達(dá)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(wèn)題。

2 寒潮天氣過(guò)程分析

從寒潮天氣過(guò)程前后的天氣形勢(shì)分析，2月13日09：42 FY-3C氣象衛(wèi)星對(duì)京津冀地區(qū)大霧遙感監(jiān)測(cè)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(jiàn)度不足1 km，在寒潮天氣過(guò)程之前北京東南部有較強(qiáng)的水汽積累。從2月14日850 hPa風(fēng)+05：00地面+07：00天氣雷達(dá)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(qiáng)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(jì)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(guò)程，北京地區(qū)20個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站中有14個(gè)觀測(cè)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(shí)況，此次寒潮天氣降水過(guò)程大致分為3個(gè)階段：降水開(kāi)始至2月14日05：00，屬于降雨天氣過(guò)程；2月14日05：00—08：00屬于雨夾雪天氣過(guò)程；2月14日08：00至降水結(jié)束屬于降雪天氣過(guò)程。通過(guò)海淀和延慶2個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站寒潮天氣過(guò)程期間24 h觀測(cè)的氣溫、相對(duì)濕度和小時(shí)降水量變化曲線(xiàn)可知，在寒潮天氣過(guò)程之前，2個(gè)觀測(cè)站氣溫維持在10 ℃左右，相對(duì)濕度較高，強(qiáng)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(gè)寒潮天氣過(guò)程，海淀站總降水量26.1 mm，最大小時(shí)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(shí)降水量3.4 mm，發(fā)生在14日06：00。延慶站降水開(kāi)始的時(shí)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(guò)程，2個(gè)觀測(cè)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(guò)程的降水特征。

3 毫米波云雷達(dá)回波特征分析

通過(guò)分析海淀和延慶國(guó)家氣象觀測(cè)站的2部毫米波云雷達(dá)在觀測(cè)寒潮天氣過(guò)程時(shí)的反射率因子和徑向速度隨時(shí)間—高度的變化可知，2月13日16：00海淀站在1 km以下開(kāi)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(cè)站的氣溫和相對(duì)濕度，計(jì)算出大氣抬升凝結(jié)高度約為0.5 km，與毫米波云雷達(dá)觀測(cè)的云層高度一致，說(shuō)明底層暖濕氣流攜帶的水汽較高，與強(qiáng)冷空氣輻合時(shí)容易形成降水。從毫米波云雷達(dá)回波的宏觀特征分析，此次北京地區(qū)寒潮天氣過(guò)程主要是由于本地相對(duì)濕度飽和的高度發(fā)展位置較低，在受冷空氣入侵時(shí)，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(shí)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(jìn)一步發(fā)生發(fā)展，強(qiáng)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(kāi)始階段毫米波云雷達(dá)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(qiáng)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(dá)回波頂高并沒(méi)有進(jìn)一步抬升，而是呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在最后的降雪階段2部毫米波云雷達(dá)的回波頂高均達(dá)到最高，但反射率因子強(qiáng)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(guò)境逐漸降低并消失，整體上毫米波云雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度變化與地面小時(shí)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(guò)程，并存在明顯陡增現(xiàn)象，在近地面達(dá)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(kāi)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(méi)有明顯紋理，此階段毫米波云雷達(dá)回波開(kāi)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(dá)反射率因子和徑向速度增大的同時(shí)均伴隨著地面降水量的增多，與地面小時(shí)降水量變化趨勢(shì)吻合。

為更直觀地分析寒潮天氣過(guò)程中毫米波云雷達(dá)回波在垂直結(jié)構(gòu)上的變化特征，分別對(duì)雨(02：00—05：00)、雨夾雪(05：00—08：00)和雪(08：00—11：00)3個(gè)降水過(guò)程進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)毫米波云雷達(dá)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(gè)降水過(guò)程云雷達(dá)在近地面0.3～1 km反射率因子和徑向速度的均值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知，3個(gè)降水過(guò)程毫米波云雷達(dá)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(qiáng)度的差異也反映出2個(gè)觀測(cè)站小時(shí)降水量的差異。雨夾雪階段2部毫米波云雷達(dá)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(gè)降水過(guò)程中2部毫米波云雷達(dá)近地面反射率因子均值呈現(xiàn)降雨時(shí)最強(qiáng)，雨夾雪次之，降雪時(shí)明顯減弱的特征，其中降雪階段比前2個(gè)過(guò)程偏低10 dBz以上。另外，毫米波云雷達(dá)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(dá)反射率因子與08：00—11：00的反射率因子趨勢(shì)較為一致，說(shuō)明在高層云系已滿(mǎn)足降雪條件，而低層毫米波云雷達(dá)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(gè)降水過(guò)程毫米波云雷達(dá)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(dá)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(guò)程中經(jīng)過(guò)0 ℃層時(shí)在相態(tài)發(fā)生變化的同時(shí)存在碰并增長(zhǎng)現(xiàn)象，降水粒子體積增長(zhǎng)造成下落速度增大，此過(guò)程云雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)徑向速度在垂直分布上更為集中，徑向速度在3個(gè)降水過(guò)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(yǔ)

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

1)此次寒潮天氣中的降水過(guò)程，主要是受強(qiáng)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(jìn)一步輻合，近地層水汽在抬升凝結(jié)的同時(shí)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(dá)反射率因子值最大，強(qiáng)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(qiáng)度與地面小時(shí)降水量變化趨勢(shì)吻合。毫米波云雷達(dá)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(guò)程相關(guān)，近地面徑向速度降雨時(shí)集中在-2～-6 m/s，而降雪時(shí)分布在-1.5 m/s以?xún)?nèi)。

3)在降水云系垂直高度上，3個(gè)降水階段毫米波云雷達(dá)反射率因子表現(xiàn)出由高到低強(qiáng)度增大的特征，而降雪時(shí)反射率因子強(qiáng)度明顯降低，較前2個(gè)過(guò)程平均偏低10 dBz以上。在降雨階段毫米波云雷達(dá)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(guò)0 ℃層時(shí)相態(tài)發(fā)生變化且伴隨碰并增長(zhǎng)有關(guān)，而在雨夾雪和降雪階段，2部毫米波云雷達(dá)徑向速度在垂直方向上未發(fā)生明顯變化，整體較為集中。