基于Ka波段云雷达的六盘山顶云特征分析

田磊 桑建人 姚展予 常倬林 舒志亮 曹宁

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川750002；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京100081；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川750002；4.中国气象科学研究院，北京100081)

引言

云分布在地球60%—70%的天空中，为人类提供水源、调节大气变化，影响着人类赖以生存的地球环境。云是由潮湿的空气在上升运动中绝热膨胀降温而生成，其直接参与降水过程，进而影响地球水循环过程[1－2]。云发射长波辐射、反射太阳辐射和吸收地表发出的长波辐射，从而影响着地—气辐射收支；云的时空变率较大，研究者常将其作为表征天气和气候变化的重要指标之一，在全球能量循环中起重要作用[3－6]。云的辐射强迫与种类有关，低云一般起冷却作用，高云经常对地表起加热作用[7]。观测分析云的宏微观物理特性对深入了解云在气候变化中所起的反馈作用有非常重要的意义[8]。通过观测降水云的垂直结构，能够了解降水云的动力和热力结构特征，有助于加强对降水形成机理的认识，是云降水物理研究的基础[9－10]。另外，作为人工影响天气作业主要催化对象的云，对其宏微观特征及演变规律的观测分析有助于把握催化作业条件，选择合适的催化目标云区，对科学开展人工影响天气催化作业十分重要[11－13]。

目前，对云垂直结构(包括云底、云顶、云厚及多层云的垂直分布)的观测手段主要有探空仪、星载云雷达、激光云高仪及地基毫米波云雷达等。通过探空数据能计算出云的垂直结构，但常规气象探空站一般每天仅观测两次，时间分辨率较低；星载云雷达只能获取过境观测点时的数据，时间分辨率也较低；激光云高仪因激光在雾霾天气下易衰减的特性，使其在低能见度下对云的探测能力受到很大影响。吴翀等[14]在青藏高原开展了Ka波段云雷达和激光云高仪的对比观测发现，与激光云高仪相比，Ka波段云雷达对总云、中云和高云的探测效率较高，探测到多层云的次数明显较多，但对低云探测效率较低。王喆等[15]对比Ka波段云雷达和无线探空对云的探测能力后发现，Ka波段云雷达在其有效探测范围之内，对云的云底高度、不同云的云顶高度及云的垂直分层的探测结果和探空观测有较好的一致性。章文星和吕达仁[16]研究发现，毫米波云雷达与云高仪、全天空成像仪相比而言，其穿透云层的能力较强，能够以高时空分辨率连续观测，可以获得各层云的宏观结构信息，但其在云底较低和近地面湿度较高的情况下，对云的探测有明显的局限性。研究表明，地基毫米波云雷达具有对云雾探测能力强、探测的多普勒速度精度高、时间分辨率高等特点，受到越来越多研究者的关注[17－19]，被广泛用于监测研究云宏微观结构及其演变特征[20－22]。

朱泽恩等[23]、邱玉珺等[24]利用毫米波云雷达，分别观测分析了兰州榆中萃英山顶、安徽省寿县的云底、云顶和云厚的分布变化，探讨了单层云、双层云和三层云的发生频率及变化特征。吴举秀等[25]利用毫米波云雷达、激光雷达及探空等资料，反演分析了层状云中的过冷水垂直分布，分析结果与微波辐射计测得的云中液态水含量和毫米波云雷达的谱型有较好的一致性。谢晓林和刘黎平[26]开发了利用云雷达与微波辐射计联合反演混合性降水云云液态水廓线的算法，通过对比分析两次混合性层云降水过程中反演的云液态水廓线和微波辐射计测得的云液态水廓线发现，利用云雷达与微波辐射计联合反演的云液态水廓线分布更加合理。陈羿辰等[27]利用毫米波云雷达、探空及S波段天气雷达对北京三次典型降雪过程的综合分析发现，利用毫米波云雷达可以较好的刻画降雪云系的宏微观结构特征，并通过评估得出，利用毫米波云雷达反演估测降雪量是可行的。

六盘山区地处青藏高原与黄土高原的交汇地带，是黄土高原重要的水源涵养地，其由南到北气候从半湿润区、半干旱区过渡到干旱区，是中国典型的农牧交错带和生态脆弱带[28]。本文利用该地区宁夏六盘山气象站Ka波段云雷达1 a的观测数据，统计分析了六盘山顶的云底高度、云顶高度、云厚及云层数的变化特征以及不同季节的云宏观特征日变化，研究结果将为地气辐射收支研究及合理开发本地区云水资源提供参考。

1 资料与方法

1.1 观测站点及仪器介绍

图1 观测站点位置示意图Fig.1 Location of the observation stations

宁夏六盘山气象站(106.20°E，35.67°N，海拔高度为2842 m)位于六盘山的山顶，是国家基准气候站，也是本次观测试验的核心站点，具体位置如图1所示；宁夏六盘山气象站雨雾日数较多，年均雾日为153.4 d，大于0.1 mm的雨日高达127.1 d，近1/3的时段是阴天，年平均降水量为617.5 mm，是观测云雾的优良场所；本试验采用的全固态Ka波段云雷达布设在宁夏六盘山气象站观测室楼顶，中心频率为35 GHz，天线口径为1.6 m，采用全固态、准连续波体制和脉冲压缩的信号形式，以顶空垂直固定扫描的方式进行观测，其最大探测高度大于15 km，定量测量高度大于10 km，探测强度范围为－40～40 dBz、高度分辨率为30 m、时间分辨率为1 min。该云雷达参数测量精度(均方误差)为:高度(H)小于15 m，强度(Z)小于1 dB，速度(V)小于1 m·s－1，谱宽小于1 m·s－1，地物杂波抑制度大于40 dB。

1.2 分析方法

取宁夏六盘山气象站2017年9月至2018年8月的Ka波段云雷达数据，按季节划分标准，2018年3—5月为春季，2018年6—8月为夏季，2017年9—11月为秋季，2017年12月及2018年1—2月为冬季；利用云雷达反射率因子判断云底、云高位置，反射率因子大于背景廓线确定为有云区。按照云底高度及云层厚度对云进行分类[29]:将云底低于2 km且厚度小于6 km的云定义为低云，云底高于2 km且低于5 km云定义为中云，云底高于5 km的云定义为高云，云底低于2 km且厚度高于6 km的云定义为直展云。在本文中，云厚为云底到云顶的空间总厚度，云层净厚度为剔除了多层云夹层后的各层云累计净厚度[30]。本文中不同层数的云和低、中、高及直展云是根据不同的分类方法统计得出的，两者之间没有必然联系。除特别注明外，文中涉及的高度均为离地高度。

1.3 Ka波段云雷达和探空对比

2018年4月23—24日六盘山区出现一次层状云降水过程，六盘山气象站24日00:00(北京时，下同)至05:00出现降水，平均小时降水量为0.3 mm·h－1，最大小时降水量为1 mm·h－1。六盘山气象站Ka波段云雷达和平凉探空观测见图2，由图2可知，Ka波段云雷达可以较好地反映过境云的垂直结构变化特征，能够清晰地看出此过程中有2层云、3层云出现。24日01:00—13:00，六盘山气象站Ka波段云雷达观测到有2层云，考虑六盘山气象站和平凉探空站相距约40 km，出现同一云团的时刻有一定差异，则可以认为这和24日08:00平凉探空的观测结果基本一致，且两者观测的第1层云(从下往上数)云顶和第2层云云底的高度也基本一致；24日20:00，在海拔高度3000 m以上，Ka波段云雷达和平凉探空均观测到有1层云。这次个例总体对比来看，Ka波段云雷达和平凉探空对云垂直结构的观测结果基本一致；Ka波段云雷达对云垂直结构更精细，观测的时间 分辨率更高。

图2 2018年4月23—24日六盘山气象站Ka波段云雷达(a)、平凉探空20:00(b)和08:00(c)观测一次降水云的垂直结构Fig.2 The vertical structures of a precipitation cloud observed with Ka-band cloud radar(a)and Pingliang sounding at 20:00(b)and 08:00(c)on April 23 and 24，2018 at Liupan mountain meteorological station

2 结果分析

2.1 六盘山顶不同云的逐月变化

根据2017年9月至2018年8月宁夏六盘山气象站Ka波段云雷达观测得到的云宏观特征数据，统计分析得到了云出现频率、不同层数的云及不同类型的云相对总云的出现频率、云宏观参量的逐月变化(图3)。从总云的出现频率逐月变化可以看出(图3a)，一年中，六盘山顶云出现频率最高值出现在7月，为61%，最低值出现在12月，为26%。云出现频率逐月变化呈双峰型，1—3月，六盘山区多数时间处在西北气流控制之下，寒冷干燥，云出现频率较低，基本稳定在46%左右；4月开始，随着气温升高，西南暖湿气流影响六盘山区的频数逐渐增多，云出现频率开始逐渐增加，在7月达到第1个峰值，8月因副热带高压西升北抬，六盘山区常处在副热带高压控制之下，云出现频率回落至较低值，9月随着副热带高压东退，受西南暖湿气流再次影响，云出现频率逐渐增加，在10月达到第2个峰值，随后六盘山区再次受西北气流控制，云出现频率开始回落。整体来看，总云的出现频率在夏秋季明显大于冬春季。

数值试验表明，大尺度模式对云的垂直分布处理较敏感，不同的云重叠假定对天气气候模式会产生不同程度的影响，从而使结果产生很大的误差；准确探测云的层数等垂直结构参数对提高模式准确度非常重要[31]。本文根据Ka波段云雷达反射率垂直廓线判断云中是否有夹层，进而得到有几层云。从不同层数的云相对总云的出现频率逐月变化可以看出(图3b)，1层云相对总云的出现频率在一年的各个月份均最高，其中12月出现频率可达86%，出现频率最低的7月也达68%，1层云相对总云的出现频率和云出现频率的逐月变化呈明显负相关关系，相关系数为－0.78；2层云相对总云的出现频率在1月最高，为27%，12月最低，为14%，2层云相对总云的出现频率和云出现频率的逐月变化呈明显正相关关系，相关系数为0.76，通过了置信度为0.05的显著性水平检验；3层云相对总云的出现频率在7月最高，为4.8%，12月最低，为0.4%，3层云相对总云的出现频率和云出现频率的逐月变化呈明显正相关关系，相关系数为0.8，通过了置信度为0.05的显著性水平检验；4层云、5层云相对总云在一年各个月份的出现频率均较低，分别在0.6%、0.05%以下。

图3 2017年9月至2018年8月六盘山顶总云出现频率(a)、各层云相对总云出现的频率(b)、不同类型云相对总云出现的频率(c)及云宏观参量(d)逐月变化Fig.3 Monthly variations of the frequency of total cloud(a)，the ratio of cloud in each layer to total cloud cover(b)，the frequencies of different types of clouds relative to total cloud cover(c)and the cloud macro parameters(d)in Liupan mountain from September of 2017 to August of 2018

从不同种类的云相对总云的出现频率逐月变化可以看出(图3c)，六盘山顶低云相对总云的出现频率逐月变化整体呈先增大后减小的变化趋势，其中，10月出现最大值，为53%，3月出现最小值，为29%；整体来看，低云相对总云的出现频率在秋冬季明显大于春夏季。中云相对总云的出现频率逐月变化整体呈先增大后减小的变化趋势，其中，3月出现最大值，为58%，10月出现最小值，为14%；整体来看，中云相对总云的出现频率在冬春季明显大于夏秋季。高云相对总云的出现频率逐月变化整体呈先减小后增大再减小的变化趋势，其中8月出现最大值，为22%，4月出现最小值，为6%；直展云相对总云的出现频率逐月变化整体也呈先减小后增大再减小的变化趋势，其中10月出现最大值，为20%，3月出现最小值，为2%。与同处西北地区的兰州榆中萃英山云观测结果[24]相比，六盘山顶总云出现的频率小于兰州榆中，低云出现频率明显大于兰州榆中、高云出现频率明显小于兰州榆中，六盘山顶直展云出现频率远大于兰州榆中，说明相对而言，六盘山顶容易出现低云和直展云。六盘山区水汽充沛(宁夏六盘山气象站年均相对湿度为69%)，在迎风坡形成的上升气流容易将湿空气抬升至凝结高度以上，形成局地低云或雾，另外六盘山顶海拔比山两侧平均高约700 m也是云雷达容易观测到低云的原因之一。六盘山区因受山地地形强迫，在夏秋季午后容易出现局地对流云，这是直展云比例相对较高的主要原因。

从云底、云顶及云厚度逐月变化图可以看出(图3d)，六盘山顶月平均云底高度为1.7—2.5 km，其中6月最高，12月最低；月平均云顶高度为4.5—5.6 km，其中7月最高，3月最低；整体来看，夏秋季山地地形效应较强，因而形成较多的局地低云或雾，使得云底高度在夏秋季节低于冬春季节，夏秋季气温高，云系发展旺盛，对流多，使得云顶高度在夏秋季节高于冬春季节；云层厚度为1.6—3.6 km，其中7月最大，3月最小，年变化特征与云顶高度类似。

表1 2017年9月至2018年8月六盘山顶与其他地区的不同类型云出现频率列表Table 1 List of the occurrence frequencies of different types of clouds in Liupan mountain and other areas from September of 2017 to August of 2018

2.2 六盘山顶云宏观参数分档百分比

图4 2017年9月至2018年8月六盘山顶云底高度(a)、云顶高度(b)、云层厚度(c)及云层净厚度(d)的分档百分比Fig.4 Classification percentages of cloud bottom height(a)，cloud top height(b)and cloud thickness(c)，and cloud net thickness(d)in Liupan mountain from September of 2017 to August of 2018

2017年9月至2018年8月六盘山顶云底高度、云顶高度、云层厚度和净厚度见图4。由图4a可知，六盘山顶云底高度、云顶高度及云层厚度分别主要分布在0—9.0 km、0.5—11.5 km及0.5—10.5 km。云底高度、云顶高度及云层厚度出现频率随高度的变化均有两个明显的峰值，云底高度在0—0.5 km处出现主峰值，为39%，在3.5—4.0 km处出现次峰值，为8%，云顶高度在5.5—6.0 km处出现主峰值，为9.4%，在0.5—1.0 km处出现次峰值，为8.4%，云层厚度在0.5—1.0 km处出现主峰值，为16.2%，在4.5—5.0 km处出现次峰值，为4.0%。和云层厚度相比，云层净厚度在0.5—1.0 km处出现主峰值，峰值频率比云层厚度略高，为18.4%，不同的是云层净厚度没有次峰值。

2.3 六盘山顶各季节的云宏观参量日变化

图5 2017年9月至2018年8月六盘山顶春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)云底高度、云顶高度和云厚日变化Fig.5 Diurnal variations of cloud bottom height，cloud top height，and cloud thickness in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in Liupan mountain from September of 2017 to August of 2018

2017年9月至2018年8月六盘山顶云底、云顶高度和云厚日变化见图5。由图5可知，六盘山顶各个季节的云底高度、云顶高度均有明显的日变化特征；春季，云顶高度先波动下降，在12:00时达到最低值，此后逐渐增大，在傍晚时增速加快，入夜后趋于稳定；云底高度在00:00—10:00时段内比较稳定，10:00后快速下降，在12:00时达到最低值，此后缓慢波动增大；相比云顶高度及云底高度，云厚的日变化并不明显，整体上夜间大于白天。夏季，云顶高度先波动下降，在11:00时达到最低值，此后逐渐波动增大；云底高度先增大，然后缓慢下降，07:00—11:00快速下降，11:00—15:00比较稳定，15:00后逐渐增大；夏季云厚有明显的日变化，六盘山顶午后多对流云，使得云厚在中午至傍晚时段较高，整体上，云厚在白天大于夜间。秋季，云顶高度在日出后逐渐下降，在14:00时达到最低值，此后缓慢升高；云底高度的变化趋势和云顶高度基本一致；秋季六盘山顶以层状云为主，所以云厚没有明显的日变化，白天和夜间云厚基本一致。冬季，云顶高度和云底高度在凌晨至日出前较高；和秋季一样，云厚没有明显的日变化，白天和夜间的云厚基本一致。

2.4 六盘山顶各季节总云及不同层数云出现频率日变化

图6 2017年9月至2018年8月六盘山顶春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)不同层数的云的出现频率日变化Fig.6 Diurnal variations of the occurrence frequencies of clouds at different layers in spring(a)，summer(b)，autumn(c)and winter(d)in Liupan mountain from September of 2017 to August of 2018

从2017年9月至2018年8月六盘山顶各季节总云及不同层数的云出现频率的日变化可以看出(图6)，六盘山顶春、夏、秋季总云、1层云及2层云的出现频率均有明显的日变化特征；日出后，随着地表辐射增强，云量逐渐增加，在中午前后，六盘山的热力、动力条件容易产生局地对流云以及低云，使得山顶的云量达到峰值，然后云量逐渐下降，在日落后稳定少变，整体来看白天出现频率大于夜间，这种规律在夏季尤为明显。六盘山在冬季处于干燥的西北气流控制之下，山顶总云、1层云及2层云的出现频率相对较低且日变化特征不明显。其中，春季总云的出现频率为46%—66%，最大值出现在13:00，最小值出现在01:00；夏季总云出现频率为36%—76%，最大值出现在13:00，最小值出现在00:00；秋季总云出现频率为40%—66%，最大值出现在15:00，最小值出现在03:00；冬季总云出现频率为31%—45%，最大值出现在19:00，最小值出现在10:00。

3 结论与讨论

(1)2017年9月至2018年8月六盘山顶的云出现频率最高值出现在7月，为61%，最低值出现在12月，为26%；按云层数划分，六盘山顶出现的云主要以1层云、2层云及3层云为主，相对总云的月出现频率分别为68%—86%、14%—27%及0.4%—4.8%；按云底高度及云层厚度划分，六盘山顶低云、中云、高云及直展云相对总云的月出现频率分别为29%—53%、14%—58%、6%—22%及2%—20%。

(2)六盘山顶月平均云底高度为1.7—2.5 km；月平均云顶高度为4.5—5.6 km；整体来看，云底高度在冬春季节高于夏秋季节，云顶高度在夏秋季节高于冬春季节；云层厚度为1.6—3.6 km，年变化特征与云顶高度类似。

(3)六盘山顶云底高度、云顶高度及云层厚度出现频率随高度的变化均有两个明显的峰值，云底高度在0—0.5 km处出现主峰值，为39%，在3.5—4.0 km处出现次峰值，为8%，云顶高度在5.5—6.0 km处出现主峰值，为9.4%，在0.5—1.0 km处出现次峰值，为8.4%，云层厚度在0.5—1.0 km处出现主峰值，为16.2%，在4.5—5.0 km处出现次峰值，为4.0%。云层净厚度随高度的变化呈单峰型。

(4)六盘山顶春、夏、秋季总云、1层云及2层云出现频率均有明显的日变化特征，整体来看白天出现频率大于夜间，这种规律在夏季尤为明显，而冬季六盘山顶总云、1层云及2层云的日变化特征不太明显，整体来看白天出现频率小于夜间。