一次東北冷渦云降水垂直結構特征分析

張晉廣 趙姝慧 劉旸 孫麗 單楠 張鐵凝 張夢佳

(遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧 沈陽 110166)

引言

東北冷渦是東亞中高緯度地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，在500 hPa天氣圖上，37°—50°N、110°—130°E區(qū)域內(nèi)，有一條(含)以上閉合等高線，并且有冷中心和明顯的冷槽配合，維持時間3 d(含)以上的冷性旋渦[1]。東北冷渦移動緩慢，可以不斷再生發(fā)展，一般可維持4—5 d，最多可達十余天，是造成下半年中國東北地區(qū)強降水的主要天氣系統(tǒng)，也是東北夏季降水較難預測的主要原因之一[2]。東北冷渦常常帶來暴雨、冰雹、短時大風和低溫天氣，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成一定危害。因此對東北冷渦云降水的云宏微觀結構特征進行分析和研究具有重要的意義。

東北冷渦引發(fā)的天氣過程比較復雜，不僅各個冷渦過程所表現(xiàn)出的天氣現(xiàn)象有很大差異，在一次冷渦系統(tǒng)發(fā)展過程的各個階段也有相當大的差別[3-4]。以45°N線為X軸,125°E線為Y軸將研究區(qū)劃分為4個象限時，夏季東北冷渦生成位置以第2象限(西北部)最多，第4象限(東南部)最少，冷渦以向東移動為主[5]。冷渦發(fā)展和成熟階段是降水的主要階段，發(fā)展階段暴雨中心多出現(xiàn)在垂直運動強、低層輻合抬升強的位置；在冷渦的成熟階段，中尺度對流不穩(wěn)定條件較好的區(qū)域，往往處于暴雨中心[6]?，F(xiàn)有針對東北冷渦的研究側(cè)重于大尺度環(huán)流和動力學方面。東北冷渦內(nèi)部的結構特征及發(fā)生、發(fā)展演變機理已有較多研究，宮福久等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在東北冷渦影響下，遼寧降水的云系主要是層狀云、層積混合云、積云和積雨云，其影響時間和對降水量的貢獻也都不同。齊彥斌等[7]利用飛機對一次中等強度的東北冷渦對流云帶進行了垂直穿云觀測，并對降水機制進行了初步探討。東北冷渦系統(tǒng)不穩(wěn)定、空域申請受限、價格昂貴等因素極大的限制了飛機的探測能力。隨著地基探測技術的快速發(fā)展，毫米波云雷達和微雨雷達在云降水垂直結構的觀測方面取得了許多有益的成果。云雷達可以對云底高度、云頂高度、云厚等云宏觀參量進行有效觀測[8]，此外多普勒速度可以識別混合云中的融化層，初步確定粒子相態(tài)、大小以及是否存在雪晶或雨滴[9]。利用云雷達功率譜數(shù)據(jù)反演得到的反射率因子、速度譜寬等可以較好的區(qū)分凍雨和降雪過程[10]。云雷達可以實現(xiàn)對降雪垂直結構的精細化觀測[11]。云雷達多普勒頻譜可以識別和量化降雪過程中云內(nèi)的過冷水滴和冰雪晶粒子，并通過各種參數(shù)初步判斷云中粒子演變過程，有助于更好理解降雪的微物理演變過程[12]。云雷達配合機載探測、雨滴譜儀等可以獲得積層混合云微物理結構[13]。利用微雨雷達分析層狀云降水中的亮帶特征有助于理解降水粒子形成的微物理過程[14]。微雨雷達可以獲得垂直方向上的雨滴譜，有助于揭示不同類別地形云的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和降水形成發(fā)展機理[15]。綜上所述，利用毫米波云雷和微雨雷達可以實現(xiàn)對東北冷渦的垂直結構精細化觀測，有助于掌握云降水的微物理特征，為改進模式微物理參數(shù)化方案提供數(shù)據(jù)支撐，進一步理解東北冷渦云降水機制，以期提高東北冷渦天氣的預報預警能力。

利用布設在阜蒙縣國家站(121.7458°E,42.0672°N)的云雷達(8 mm)和微雨雷達(12.5 mm)對一次東北冷渦云降水過程進行了連續(xù)觀測。首先利用云雷達反射率、雨滴譜儀測量的降水強度和風云二號衛(wèi)星紅外云圖對東北冷渦云降水的宏觀特征和發(fā)展演變特征進行分析，提取典型云降水時段；然后利用云雷達反射率(Z)、退極化比(LDR)、徑向速度(VR)、速度譜寬(SW)和微雨雷達反射率(Z)、粒子下落末速度(V)、雨滴數(shù)濃度(dBN0)、質(zhì)量加權平均粒徑(Dm)對比了不同降水性質(zhì)云物理特征差異，并討論了云降水機制。

1 資料與方法

研究主要使用HMB-KPS型毫米波云雷達和MRR-2微雨雷達資料，雨強數(shù)據(jù)來自于DSG5型降水現(xiàn)象儀獲取的雨滴譜觀測數(shù)據(jù)。兩部雷達均以垂直對空方式進行連續(xù)觀測，其性能指標見表1。云雷達垂直方向可探測0—20 km的資料，時間分辨率為1 min。微雨雷達平均多普勒頻譜共有31個距離庫，可提供從地面100—3100 m的探測資料，垂直分辨率為100 m，時間分辨率為1 min。最底層(100 m)受到近地表的影響嚴重，已被排除在分析之外。同時由于信號噪聲，最高層(3100 m)也被排除在外。

表1 雷達主要性能指標Table 1 Major performance indicators of radars used in this study

云雷達的Z、LDR、VR、SW和微雨雷達的Z和V由儀器直接給出，而雨滴總數(shù)濃度(dBN0)和質(zhì)量加權平均直徑Dm是通過微雨雷達數(shù)據(jù)中的雨滴數(shù)濃度計算得到，具體計算方式如下：

(1)

(2)

式(1)—式(2)中，Dmax和Dmin代表雨滴大小的上限和下限，MRR-2的范圍為0.246—5.030 mm。Dm可以通過微雨雷達實測DSD的四階矩與三階矩之比計算得出[16]，與傳統(tǒng)雷達氣象學中使用的體積中的直徑在物理上具有相同的意義；dBN0是雨滴總數(shù)濃度的對數(shù)形式。

將云雷達四個參數(shù)(Z、LDR、VR、SW)和微雨雷達四個參數(shù)(Z、V、dBN0、Dm)在不同高度上求均值及方差得到對應的垂直廓線分布。

層云—對流降水分類主要使用地面雨滴譜資料，具體的分類方法是：對于雨滴譜儀連續(xù)10 min以上的時間段內(nèi)，降水率均大于0.5 mm/h，且該時間段內(nèi)，降水強度的標準偏差小于1.5 mm/h，則識別為層狀云降水；降水強度大于5 mm/h且降水強度標準差大于1.5 mm/h，則識別為對流性降水；其他樣本識別為混合性降水[17]。

2 結果分析

2.1 天氣形勢概況

2020年8月12—13日500 hPa蒙古中部及河套地區(qū)存在一個較深的低槽，副熱帶高壓西伸北抬和鄂霍茨克海高壓脊形成明顯阻塞形勢(圖略)。副熱帶高壓西側(cè)偏南急流建立，有利于水汽和能量向遼寧輸送。低槽東移加深逐漸形成東北冷渦，副熱帶高壓中心強度減弱，北界向東南方向回落。冷渦位置少動，強度增強，后側(cè)冷空氣向南輸送。850 hPa低渦中心東移北上，切變線前側(cè)存在低空西南急流，為降水提供水汽和熱力條件。地面蒙古氣旋加深，形成上層干冷下層暖濕的不穩(wěn)定結構，上升運動強烈，冷暖空氣在遼寧省長時間交匯。受東北冷渦影響，遼寧全省出現(xiàn)明顯降水過程。

2.2 云降水的宏觀特征

2020年8月12日14時，高空槽伴隨低空切變線東移，遼寧省阜蒙縣上空開始有云移入。由圖1a和圖1b可知，整個過程回波頂高起伏較大，反射率因子范圍為-10～30 dBz，以單層云為主，偶有多層云出現(xiàn)(如13日00—03時)。強回波區(qū)絲縷狀結構明顯，說明云水平方向上發(fā)展不均勻。由圖2a可知，12日16時觀測站上空受逗點云系東側(cè)的分散對流云團影響，產(chǎn)生了比較明顯的對流性降水，最大雨強接近60 mm/h(圖1c)。云雷達回波接地，受強降水導致的信號衰減影響，雷達在垂直方向上的探測能力受限，4 km以上幾乎沒有探測數(shù)據(jù)。12日17—21時，雷達回波底高幾乎均為3 km以上，回波強度為15—25 dBz，僅在18時附近雷達回波接地，降水強度小于0.1 mm/h。由圖2b可知，隨著云系東移，觀測站位于逗點云系尾部云帶主體的前部，衛(wèi)星云圖為較均勻的中低云區(qū)。12日21時至13日02時，雷達回波連續(xù)接地，4.5 km高度至地面是強度大值區(qū)，回波強度為20—30 dBz，雨強為0.1—1.0 mm/h。隨著降水的持續(xù)，雷達回波頂高有明顯的下降(從10 km下降至6 km)，雷達回波強度也有所減弱。其中在12日21時至13日00時，雷達回波頂高從10 km下降至8 km左右，4.5 km高度附近存在一個明顯的亮帶，該時段為典型的層狀云降水。隨著云系繼續(xù)向東移動，13日03—08時觀測站位于逗點云系尾部云帶的中后部，圖2c表明05時觀測站與逗點云系后邊界距離約6.5個緯距。雷達回波同樣呈現(xiàn)出明顯的亮帶特征，但這一階段垂直方向上發(fā)展旺盛，回波頂高基本維持在10 km以上，回波強度也更大。06時后雷達回波特征有了一些變化，表現(xiàn)為3 km以下兩部雷達強回波區(qū)(強度大于35 dBz)范圍更大，且大值區(qū)質(zhì)心在近地面。從降水強度來看，03—06時降水強度均值為0.36 mm/h，最大值為6.6 mm/h；而06—08時降水強度均值為3.1 mm/h，最大值為25.9 mm/h。因此，06時以前應該是以層狀云降水為主，06時以后是層積混合云降水。由圖2e可知，13日09—11時，一塊新的對流云團移入，雷達回波大于40 dBz的范圍明顯增大，降水強度最大可達109.8 mm/h，呈現(xiàn)出明顯的對流性降水特征，隨著降水強度的增大，10時以后雷達信號產(chǎn)生了明顯的衰減，僅能探測到4 km以下的范圍。

黑色虛線表示四個典型的降水階段圖1 2020年8月12—13日阜蒙縣云雷達回波強度(a)、微雨雷達回波強度(b)和雨滴譜儀測量的降水強度(c)Fig.1 Variations of echo intensity measured from cloud radar (a) and micro rain radar (b)，and precipitation intensity measured by raindrop spectrometer (c) on August 12-13，2020 in Fumeng County

圖2 2020年8月12日16時(a)、22時(b)、13日05時(c)、07時(d)和10時(e)FY-2衛(wèi)星紅外云圖Fig.2 FY-2 satellite infrared cloud image at 16:00 (a),22:00 (b) on August 12，at 05:00 (c),07:00 (d)，and 10:00 (e) on August 13，2020

忽略云雷達反射率衰減嚴重的時段，2020年8月12日17時—13日10時期間，有4個比較典型的降水時段，見圖1黑色虛線所示，具體起止時間及降水性質(zhì)見表2。

表2 2020年8月12—13日典型降水階段Table 2 Information of typical precipitation stages on August 12-13,2020

2.3 云垂直結構特征

2.3.1 層狀云降水

2020年8月12日層狀云降水階段A云雷達各參數(shù)的垂直分布見圖3。從8—5 km高度，雷達反射率從-7 dBz增長到13 dBz，徑向速度在1 m·s-1左右，說明在這個高度區(qū)間，云內(nèi)主要是冰晶粒子，且淞附過程不強。冰晶粒子的一些形狀信息可以從LDR觀測得到。特別是，冰晶的融化會導致LDR的迅速升高[15]。4.7 km以下LDR迅速增大，峰值可達到-18.7 dB，說明此處是融化層，冰相粒子融化形成外包水膜，粒子相態(tài)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，介電常數(shù)發(fā)生了明顯的變化。從黑色實線為各高度微雨雷達參數(shù)的均值，灰色陰影為該高度上各參數(shù)的方差。

黑色實線為各高度云雷達參數(shù)的均值，灰色陰影為該高度上各參數(shù)的方差圖3 層狀云降水階段A云雷達參數(shù)反射率(a)、退偏振比(b)、徑向速度(c)、速度譜寬(d)的垂直廓線Fig.3 Vertical profiles of reflectivity (a),linear depolarization ratio (b),radial velocity (c),and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage A of the stratiform cloud precipitation

從微雨雷達觀測結果來看(圖4)，此階段雷達反射率較弱，為5—20 dBz，且隨著高度的降低而減?。挥甑蜗侣淠┧俣容^小，為4—5 m·s-1，隨高度降低沒有明顯變化。Dm在3—1 km從0.55 mm增大至0.73 mm，雨滴總數(shù)濃度從103個· m-3下降至102個·m-3，說明出現(xiàn)了碰并效應；1 km以下Dm減小至0.69 mm，同時數(shù)濃度繼續(xù)降低，推測是由于系統(tǒng)前部下層水汽條件差，雨滴離開云底后迅速蒸發(fā)造成的。

由圖5所示，這個階段的云參數(shù)垂直廓線與階段A相似。在12—5 km反射率從-10.9 dBz增加至16.1 dBz。5—3.5 km高度區(qū)間階段A和B的特征存在一些差異，具體表現(xiàn)為，圖5a中Z的均值廓線在4.41 km處達到峰值24.9 dBz，形成了明顯的亮帶以后，在下方4.11 km處反射率達到極小值23.4 dBz。對比圖4a,Z的廓線在4.6—3.0 km區(qū)間基本維持在20.0—20.3 dBz(圖3a)，說明階段B的冰粒子在落入暖層后，融化速度較快，出現(xiàn)了粒子尺度迅速減小的情況，融化引起粒徑減小效應超過聚合和碰并帶來的粒徑增長。從微雨雷達探測的微物理參數(shù)變化可知(圖6)，雨滴在下落過程中有蒸發(fā)現(xiàn)象，使其尺度減小。2 km以下，Dm方差變大，說明雨滴下落途中的碰并效應占主導，導致部分雨滴可以快速長大，雨滴譜得以拓寬，但總雨滴數(shù)減少。

黑色實線為各高度微雨雷達參數(shù)的均值，灰色陰影為該高度上各參數(shù)的方差圖4 微雨雷達參數(shù)層狀云降水階段A反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴數(shù)濃度(c)和質(zhì)量加權平均直徑(d)垂直廓線Fig.4 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage A of the stratiform cloud precipitation

圖5 層狀云降水階段B云雷達參數(shù)反射率(a)、退偏振比(b)、徑向速度(c)和速度譜寬(d)的垂直廓線Fig.5 Vertical profiles of reflectivity (a)，linear depolarization ratio (b)，radial velocity (c)，and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage B of the stratiform cloud precipitation

圖6 微雨雷達參數(shù)層狀云降水階段B反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴數(shù)濃度(c)和質(zhì)量加權平均直徑(d)垂直廓線Fig.6 Vertical profiles of reflectivity (a)，vertical velocity (b)，raindrop number concentration (c)，and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage B of the stratiform cloud precipitation

2.3.2 層積混合云降水

由圖7所示，隨高度降低，云雷達反射率廓線逐漸增大，在4.9 km處增加至12.2 dBz，亮帶中心位于4.65 km處，反射率達到峰值19.7 dBz。LDR在4.7 km高度處達到極小值-26.7 dB，隨后迅速增加，在4.47 km處達到極大值-14.4 dBz。在4.65 km高度以下，LDR迅速增大而Z減小，說明此處LDR的變化主要是由于冰粒子融化導致介電常數(shù)變化引起的。與層狀云降水不同的是，亮帶以下，反射率隨高度降低繼續(xù)增長，VR也呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢，說明云粒子尺度在下落過程中繼續(xù)增大。微雨雷達也探測得到了相同的結果，如圖8所示，雨滴下落途中的碰并效應強于層狀云降水階段B(圖6)，雨滴快速長大，總雨滴數(shù)濃度僅降低了一個數(shù)量級，說明此時低層水汽條件較好，雨滴離開云底后的蒸發(fā)效應并不顯著。臨近地面500—100 m處dBN0有個明顯的增加，對應著Dm減小，說明此處大雨滴出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

圖7 層狀云降水階段C云雷達參數(shù)反射率(a)、退偏振比(b)、徑向速度(c)和速度譜寬(d)的垂直廓線Fig.7 Vertical profiles of reflectivity (a)，linear depolarization ratio (b)，radial velocity (c)，and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage C of the stratiform cloud precipitation

圖8 微雨雷達參數(shù)層狀云降水階段C反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴數(shù)濃度(c)和質(zhì)量加權平均直徑(d)垂直廓線Fig.8 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage C of the stratiform cloud precipitation

2.3.3 對流云降水特征

對流云降水特征見圖9和圖10，6 km以上反射率增長緩慢，在6 km處反射率為2.7 dBz，6 km以下反射率增長速度變快，在4.65 km處達到極大值19.3 dBz。5—4.5 km，LDR從極小值-24.5 dB迅速增大到極大值-17.6 dB，說明進入了融化層；VR從1.95 m·s-1迅速增大到4.98 m·s-1，但VR的方差較小，SW也極小(0.2 m·s-1)，說明粒子大小均一，4.5—4.0 km處VR絕對值和方差變大，對應SW也出現(xiàn)了躍增，說明此處粒子大小不均一，生成了許多大粒子。從微雨雷達看，對流性降水在各個高度層雨滴數(shù)濃度均明顯高于以上三個階段，并且雨滴在下落過程中Dm為近乎于線性增長的趨勢，且方差不斷增大，反映了雨滴譜拓寬的過程，這表明碰并增長在此階段占據(jù)主導。

圖9 層狀云降水階段D云雷達參數(shù)反射率(a)、退偏振比(b)、徑向速度(c)和速度譜寬(d)的垂直廓線Fig.9 Vertical profiles of reflectivity (a),linear depolarization ratio (b),radial velocity (c),and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage D of the stratiform cloud precipitation

圖10 微雨雷達參數(shù)層狀云降水階段D反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴數(shù)濃度(c)和質(zhì)量加權平均直徑(d)垂直廓線Fig.10 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage D of the stratiform cloud precipitation

3 結論

(1)2020年8月12—13日東北冷渦降水系統(tǒng)以層狀云和層積混合云為主，云內(nèi)有時還嵌有對流泡。本次過程云降水階段性變化明顯，2個對流云降水階段、2個層狀云降水階段和1個層積混合云降水階段。受強降水的影響，對流云降水的雷達回波會產(chǎn)生明顯衰減回波頂高不能表示出實際的云頂情況，在近地面云雷達和微雨雷達均表現(xiàn)出大片的大于35 dBz的強回波區(qū)。層狀云降水的回波頂高為7—9 km，層積混合云降水回波頂高可以達到12 km，兩者均表現(xiàn)出明顯的亮帶特征，但層積混合云降水的雷達回波強度和降水強度明顯大于層狀云降水。

(2)從微物理特征來看，在層狀云降水階段，云內(nèi)存在弱的碰并效應，使得云滴進一步增大形成雨滴。雨滴在下落過程中存在蒸發(fā)，階段B碰并效應占主導，部分雨滴可以繼續(xù)增大，而階段A由于水汽條件相對較差，蒸發(fā)的作用大于碰并。層積混合云降水階段的碰并效應強且云下蒸發(fā)弱。對流云降水階段的云雷達反射率的增長區(qū)間主要在冰水混合層，碰并效應更強，云粒子普遍能增大到較大的尺寸。落入暖層后，大的冰粒子迅速融化大滴，拓寬了云滴譜，提高了碰并效率，形成較大雨滴。云下碰并導致的雨滴增長顯著。