基于毫米波云雷达的伊犁河谷两次强降雪过程云特征观测分析

2019-11-08张晋茹杨莲梅

沙漠与绿洲气象 2019年5期

张晋茹，杨莲梅*

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；2中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐830002）

新疆是干旱半干旱气候，但由于三山夹两盆的特殊地形，特别是在冬季新疆北部，极锋急流频繁南下，新疆是中国冬季降雪最多、积雪最丰富的三大区域之一[1]，许多学者从大尺度环流背景、天气尺度和中尺度系统、水汽特征等方面对新疆降雪进行了研究[2-10]。也有不少研究人员应用卫星资料对新疆地区非降水云和降水云宏微观物理特性进行了研究[11-16]。但卫星资料的时空分辨率低，穿透云的能力限制，不能对降雪过程进行一次完整的观测。毫米波云雷达具有很高的灵敏度和时空分辨率，能够探测晴空云微小粒子结构和微物理特性，也还能够对弱降水和降雪系统宏观结构观测和微物理参数的反演[17]。陈羿辰等[17]利用毫米波云雷达对降雪系统进行观测分析，结果表明降雪发展旺盛时期雪粒子含水量在0.05～0.15 g/m3。王柳柳等[18]利用云雷达进行冻雨—降雪微物理和动力特征分析，结果表明冻雨和降雪过程初始时期形成的平均粒子半径分别在40 μm和120 μm 附近。王德旺等[19]利用偏振云雷达、雨滴谱仪和探空联合观测一次混合型层状云降水得到在较强回波区，云水含量为0.5～0.8 g/kg，雨水含量为0.2 g/kg，空气垂直速度为0.6～1.0 m/s。李海飞等[20]利用云雷达对淮南冬季云宏观特性进行研究，该地区冬季云底高度在0.21～11.0 km，云顶分布在0.36～11.3 km，云厚度为0.1～8.3 km。

伊犁河谷位于新疆西部，是新疆乃至全国天气系统的上游，对下游地区天气系统具有较强的指示意义，同时伊犁河谷也是全疆的降水中心[21]，新源是伊犁河谷地区具有代表性的降水区域。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2018 年12 月在西天山开展中亚极端降水强化观测试验，2019 年1 月22日将毫米波云雷达安装于新源气象站（43°27′ N，83°18′ E）进行观测。本文提取了毫米波云雷达反射率因子、径向速度参数，对伊犁河谷新源地区两次强降雪过程进行宏微观结构特征观测分析，利用毫米波云雷达进行雪粒子含水量的反演。

1 资料与方法

1.1 数据资料

观测使用Ka 波段毫米波云雷达（8.6 mm 波长），采用全固态、全相参、脉冲多普勒、脉冲压缩、单发单收线极化体制，由天线、收发模块、数字接收机和加电模块组成，天线直径为1.8 m，垂直分辨率为30 m，时间分辨率为1 min，探测高度0.12~20 km，可24 h 连续观测。新源站是一般气象站，地面气象综合观测资料包含地面温度、湿度、能见度、降雪量，时间分辨率都为1 h。

1.2 云雷达参数

反射率因子是单位体积中粒子直径6 次方的总和，用Ze表示，常用单位是mm6/m3，由于反射率因子变化范围很大，甚至能够跨越数个数量级，为了应用方便，通常用dBZ 来表示反射率因子的大小[22]，即：

云雷达的径向速度是雷达采样体积中群组粒子在静止空气中的平均下降速度与空气垂直速度之和，即

其中，V 是径向速度，Vg是粒子群平均下落速度，Vm是空气垂直运动速度[23]。 V 为正时表示速度向上，为负时表示速度向下。

1.3 雪粒子含水量反演

云中液态含水量是一个特别重要的气象要素，液态含水量的量级和空间分布是研究云动力学的一个重要指标，它们反映了云中凝结和发展程度[17]。目前为止，依然没有准确测量液态含水量量级的方法，但相对量级和空间分布能够使用雷达测量，需要对云中滴谱作出假设。雪粒子含水量也能够用云液态含水量相似的方法计算。Marshall 等[24]提出Marshall-Palmer 滴谱分布（M-P 分布），Greene 等[25]使用M-P分布提出液态水含量M 与雷达反射率因子Z 可表示为：

其中，x 为最大滴直径，D 是直径，ρ 为水的密度。一定条件下冰晶可碰撞合并为雪花，在这样的聚合过程中，温度与冰雪晶的形状起主要作用。 Gunn 等[26]得到雪花尺度关系类似于降雨时的M-P 分布，并且提出关系式：

其中，Λ=25.5I-0.48，n0=3.8×103I-0.87，D0为雪融化为水滴的等效直径，单位是mm；I 为降水率，单位是mm/h，以积雪融化后相应水的厚度表示。联立公式（3~5）简化得：

其中，M 单位是g/m3，Z 单位是mm6/m3，系数A、a 随滴谱的谱型变化而变化。

张培昌等[27]提出当谱滴为雪花时A=3.8×104，a=2.2，则公式（6）可变为：

其中，M 单位是g/m3，Z 的单位是dBZ。

2 降雪过程云宏微物理特征观测分析

2.1 两次降雪天气实况

图1 是两次降雪过程的小时降雪量。第一次降雪过程于2019 年2 月1 日0 时BT 左右开始，2 日3 时BT 左右结束，持续时间约为27 h，总降雪量为11.5 mm，最大小时降雪量为1.2 mm。由图1（a）可得，1 日00:00—04:00 和20:00—21:00 的小时降雪量都在0.8 mm 及以上，其他时间段小时降雪量都在0.7 mm 及以下，该过程小时降雪量随着时间的推移时大时小，此降雪过程简称为“2·1”过程。第二次降雪过程于2 月6 日10 时BT 左右开始，20 时BT左右结束，持续时间约为10 h，降雪量为8.0 mm，最大小时降雪量为1.8 mm。由图1（b）可得，6 日10:00—16:00 小时降雪量在0.7 mm 及以上，16:00—20:00小时降雪量迅速减小到0.3 mm 及以下，该过程小时降雪量是随时间的变化先逐步上升，后迅速减小直至降雪停止，此降雪过程简称为“2·6”过程。以下时间全都为北京时间。

图1 “2·1”过程（a）与“2·6”过程（b）小时降雪量

图2 为2019 年1 月31 日21：00—2 月2 日07：00 与2 月6 日08：00—22：00 地面温度、相对湿度、能见度。“2·1”过程温度从31 日23 时0.1 ℃到1日0 时迅速降为-2.5 ℃，此后温度一直维持在0 ℃以下（图2a）；相对湿度从31 日23 时49 %到1 日0时迅速升高到89%，此后相对湿度一直维持在88%以上（图2b）；能见度从31 日23 时的20.74 km 到1日0 时很迅速降到0.29 km，直到2 日05 时左右能见度一直在6 km 以下，能见度在2 月1 日21 时为最小值0.99 km（图2c）。“2·6”过程温度从08 时的-3.4 ℃到09 时迅速降为-5.7 ℃，此后温度一直维持在-4.5 ℃以下（图2d）；相对湿度从08 时的67%到11 时升高到89%，此后相对湿度一直维持在85%以上（图2e）；能见度从09 时的11.68 km 到10 时迅速降到6.57 km，直到17 时能见度一直在5 km 以下，18 时能见度突然变为22.47 km，可能与这段时间降雪出现了短暂的停止有关，能见度在16 时为最小值0.62 km（图2f）。

2.2 两次过程云宏微观特征

图3 是2019 年1 月31 日21：00—2 月2 日07：00 与2 月6 日08:00—22:00 毫米波云雷达观测参数时空变化，分别是反射率因子Z、径向速度V、雪粒子含水量M，雪粒子含水量根据公式（7）计算得出。云雷达参数在3.8 km 高度上有明显的分层，这是因为云雷达在探测弱回波时不仅需要满足探测距离而且还要确保探测能力采用脉冲互补技术造成的，雷达使用宽脉冲保证有足够的探测能力对弱回波进行探测，但是在低层会有探测盲区的出现，这部分盲区使用窄脉冲来进行探测，但窄脉冲对弱回波的探测能力有限，因此低层回波很弱时就会有回波不连续的现象发生[17]。

由图3a，3b，3c 可知，“2·1” 过程云阶段性变化较为明显，有5 个时间段云反射率因子较强，2 km以下反射率因子都达到了20 dBZ，分别是00:00—03:30、06:00—08:00、08:30—10:00、10：30—15:00和21:00—24:00。由图3a，3b，3c 与图1a 对比可见，1 km 以下反射率因子较大和雪粒子下落速度较大同时满足时地面小时降雪量较大。00:00－03:30 云顶高在7.5 km 左右，3 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.1~0.18 g/m3， 1.5 km 以下径向速度集中在-0.5~-1.75 m/s，该时刻雪粒子下降速度较快，其中02:00—03:00 小时降雪量为1.1 mm，1 km 以下反射率因子集中在22.5~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.08~0.14 g/m3，径向速度集中在-0.75~-1.25 m/s；随着降雪的持续云顶高慢慢下降，06:00—08:00 云顶高为6 km 左右，2.5 km以下反射率因子集中在20~27.5 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.14 g/m3，1.5 km 以下径向速度集中在0~-1.5 m/s，相比于00:00—03:30 雪粒子下降速度明显减小，其中06:00—07:00 地面降雪量为0.4 mm，1 km 以下反射率因子集中在20~25 dBZ，雪粒子含水量在0.06~0.12 g/m3，径向速度集中在-0.5~-1 m/s，该时刻的反射率因子和雪粒子含水量与02:00—03:00 相差不多，但由于雪粒子下降速度较小，雪粒子不能快速集中地降落到地面，因此小时降雪量较小。08:30—10:00 和10：30—15:00 两个时间段2 km以下的反射率因子集中在20~27.5 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.14 g/m3，1.5 km 以下径向速度在集中在0~-1.25 m/s，这两个时间段雪粒子的下降速度最小。 21:00—24:00 是此次降雪过程最后一个反射率因子较强的时间段，2 km 以下反射率因子集中在20~25 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.1 g/m3，径向速度集中在-1~-1.75 m/s，该时间段是此次过程中雪粒子下降速度最大的时段，其中20:00—21:00 小时降雪量为1.2 mm，1 km 以下反射率因子集中在15~25 dBZ，雪粒子含水量在集中在0.04~0.1 g/m3，径向速度集中在-0.75~-1.25 m/s，此时间段雪粒子降落速度较大，因此小时降雪量较大。

图2 2019 年1 月31 日21:00—2 月2 日07:00（a、b、c）与2 月6 日08:00—22:00（d、e、f）地面温度（a、d）、相对湿度（b、e）和能见度（c、f）

由图3d，3e，3f 可知，“2·6” 过程云的阶段性变化不明显，主要表现为云反射率因子变化较小，反射率因子较强时间段较为连续，10:00—12:20 反射率因子大于20 dBZ 的云伸展到2 km，其他时间反射率因子大于20 dBZ 的云降低到2 km 以下。由图3d，3e，3f 与图1b 对比可得，与“2·1”过程同样地1 km 以下反射率因子较大和雪粒子下落速度较大同时满足时地面小时降雪量较大。 10:00—12:20 时段云顶高在7.5 km 左右，2 km 以下反射率因子集中在20~35 dBZ，雪粒子含水量集中在0.1~0.26 g/m3，1 km 以下径向速度集中在-1.25~-1.75 m/s，其中10:00—11:00 小时降雪量为1.4 mm，2.5 km 以下反射率因子集中在20~35 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.26 g/m3，1 km 以下径向速度集中在-1~-1.75 m/s，雪粒子下降速度较大。 12:20—15：00 时刻1 km以下的反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.1~0.18 g/m3，径向速度集中在-1~-1.75 m/s，其中14:00—15:00 小时降雪量为1.3 mm，1 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.18 g/m3，径向速度集中在-0.75~-1.75 m/s。15:00—16:00 中云顶高度有所增加，此阶段1.2 km以下反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.18 g/m3，雪粒子的下落速度相比于10:00—12:20 稍有减小。 16:00—21:00 在1~4 km 处出现了明显的对流运动，该时段反射率因子逐渐减小，雪粒子含水量也逐渐减小，这可能是由于对流运动加大了雪粒子的消散。

图3 2019 年1 月31 日22:00—2 月2 日07:00（a、b、c）与2 月6 日08:00—22:00（d、e、f）云雷达参数

由图3b，3e 可得，1 km 以下“2·1”过程的雪粒子下降速度整体上要小于“2·6”过程的雪粒子下降速度，且1 km 以下“2·1”过程雪粒子下降速度随时间的变化呈现先减小后增加的趋势，而“2·6”过程雪粒子下降速度随时间的变化呈现从大到小的趋势，这可能是“2·1”过程云阶段性变化明显而“2·6”过程中云阶段性变化不明显的原因。在降雪后期“2·6”过程的对流运动要大于“2·1”过程的对流运动，较为强烈的对流运动使得“2·6”过程降雪快速消散，地面降雪量迅速减小。

图4 是2019 年2 月1 日00:00—01:00 与6 日10:00—11:00 毫米波云雷达观测参数时空变化。由图4a，4b，4c 可知，1 日00:00—01:00 云顶高在7 km左右，反射率因子和雪粒子含水量呈现随着高度的降低逐渐增大的趋势，3 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.06~0.18 g/m3，00:15—00:40 是底层反射率因子最大的时段，1 km以下反射率因子集中在25~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.12~0.18 g/m3。高度越低雪粒子下落速度越大，1 km 以上径向速度集中在-0.25~-1 m/s，1 km以下径向速度集中在-0.5~-1.5 m/s。由图4d，4e，4f可知，6 日10:00—11:00 云顶高在8 km 左右，径向速度大多数垂直向下，偶尔有垂直向上的径向速度，说明存在小范围小幅度的对流运动，1 km 以下径向速度基本在-1~-1.75 m/s。 2.5 km 以下反射率因子集中在20~35 dBZ，雪粒子含水量集中在0.08~0.28 g/m3，特别在10:15—10:50 2 km 以下反射率因子都在25 dBZ 以上，雪粒子含水量都在0.12 g/m3以上。

图5 是1 月31 日—2 月2 日与2 月6 日3 个不同时刻反射率因子、径向速度、雪粒子含水量垂直廓线，3 个时刻分别选取降雪初生阶段、旺盛阶段和消散阶段中的某一时刻。由图5a，5b，5c 可知，初生阶段和消散阶段1.8 km 以下的反射率因子和雪粒子含水量小于旺盛阶段。 1 月31 日23:15 初生阶段1.2~3 km 处反射率因子大于20 dBZ，雪粒子含水量大于0.1 g/m3，2.1 km 处反射率因子达到最大值29 dBZ，雪粒子含水量达到最大值0.18 g/m3，此刻2.5 km 以下径向速度都小于0 m/s。 2 月1 日00:25 时0.12~2.5 km 处反射率因子集中在20~29 dBZ，雪粒子含水量为0.08~0.18 g/m3；2.2 km 以上反射率因子随着高度的增加快速降低，同样雪粒子的含水量也随着高度的增加快速降低，该时刻径向速度都小于0 m/s。 2 月2 日03:00 消散阶段2.5 km 以下反射率因子减弱到10~20 dBZ，雪粒子含水量约为0.02~0.06 g/m3，此刻径向速度-0.2~-1.3 m/s。

图4 2019 年2 月1 日00:00—01:00（a、b、c）与2 月6 日10:00—11:00（d、e、f）云雷达参数

由图5d，5e，5f 可知，初生阶段和消散阶段2.8 km 以下的反射率因子和雪粒子含水量要远远小于旺盛阶段。 09:45 初生阶段1.2~2.4 km 处反射率因子大于20 dBZ，雪粒子含水量大于0.05 g/m3，2.2 km处为最大值22.5 dBZ，雪粒子含水量为最大值0.09 g/m3，径向速度都＜0 m/s，0.35 km 处为最小值-2.8 m/s。10:30 旺盛阶段0.12~2.5 km 处反射率因子大于20 dBZ，最大为33 dBZ，雪粒子含水量为0.08~0.27 g/m3，此时径向速度大部分小于0 m/s，0.39 km 处达到了最小值-2 m/s。 20:00 消散阶段2.5 km 以下反射率因子减弱到5~10 dBZ ，1 km 处最大为10 dBZ，雪粒子含水量为0.01~0.025 g/m3，此刻径向速度在-2~1.7 m/s，说明消散阶段存在较大的对流运动。

3 结论

利用Ka 波段毫米波云雷达对伊犁河谷两次强降雪过程进行观测发现，云雷达能较好地观测云的宏观和微物理特征，主要结论如下：

（1）“2·1” 过程云阶段性变化明显，5 个时间段云反射率因子较强，这5 个时间段中2 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，“2·6”过程云的阶段性变化不明显，主要表现为云反射率因子变化较小，反射率因子较强时间段较为连续。 1 km 以下高度中“2·1”过程的雪粒子下降速度整体上要小于“2·6”过程的雪粒子下降速度，且1 km 以下“2·1”过程雪粒子下降速度随时间的变化呈现先减小后增加的趋势，而“2·6”过程程雪粒子下降速度随时间的变化呈现从大到小的趋势，这可能是“2·1”过程云阶段性变化明显而“2·6”过程中云阶段性变化不明显的原因。

（2）两次过程都是1 km 以下反射率因子较大和雪粒子下落速度较大同时满足时地面小时降雪量较大。降雪消散阶段“2·6”过程对流运动比“2·1”过程剧烈，较为强烈的对流运动使得“2·6”过程降雪快速消散，地面降雪量迅速减小。

（3）“2·1” 过程前3 h 是反射率因子最大时间段，3 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，雪粒子含水量集中在0.1~0.18 g/m3。“2·6”过程前2 h 同样为反射率因子最大时间段，2 km 以下反射率因子集中在20~35 dBZ，雪粒子含水量集中在0.1~0.26 g/m3。两次过程结果与陈羿辰等[17]利用毫米波云雷达观测北京一次暴雪系统发展旺盛时期雪粒子含水量0.05～0.15 g/m3、强云反射率因子在20~30 dBZ 接近。