四川盆地秋季一次层状云弱降水过程的微物理特征观测分析

范思睿，王维佳

(1.四川省人工影响天气办公室，成都 610072;2.中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室，北京 100081;3.中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610103)

引言

云的形成、发展和消散每个阶段的宏、微观变化，不同类型云系的宏、微观特征的区别，不同相态粒子的变化，云和降水如何相互转化和影响，这些都与云的微物理属性和垂直结构密切相关。开展云的宏、微观结构的观测是研究这些问题的基础和依据。不同天气条件下云的宏、微观特征变化对研究降水机制和人工影响天气具有重要意义。四川盆地地处青藏高原东侧，具有独特的地形特征，特殊的地理位置和下垫面让四川盆地成为我国云量最多的地区。四川盆地内云系主要是以层状云、层积云为主的中低云系，云和降水分布不均匀(刘晓冉等，2007；张琪等，2011；唐红玉等，2011)；层状云系常常由多条云带构成，垂直方向也分为多层云带，有时嵌有较深厚的对流泡(周毓荃，2004)。在这种条件下，云的发展状况以及与降水之间的关系更为复杂。分析云和降水的形成、发展和消散每个阶段的宏、微观变化状况，不同类型云系的宏、微观特征的区别，不同相态粒子的变化，将为研究四川盆地云和降水结构以及云和降水相互影响机制奠定基础，为科学开展人工增雨作业和效果检验提供重要依据，为优化和改进云数值模拟方案提供数据。

目前，对四川地区云和降水的观测研究主要利用地面气象台站常规观测、单(偏振)多普勒天气雷达(陈永仁和李跃清，2013)、卫星(陈玲和周筠珺，2015)、飞机机载仪器观测(王维佳等，2011a，2011b)等。地面气象台站常规观测和单(偏振)多普勒天气雷达(以下简称“多普勒天气雷达”)观测无法对降水的相态进行观测，更无法实施非降水云的观测；卫星资料空间分辨率相对偏低；飞机机载观测难以长时间连续进行。毫米波云雷达波长更短，可以获取非降水云和弱降水云的垂直结构连续性观测资料，对非降水云和弱降水云具有较高的敏感性(万霞等，2020)，具有探测小粒子、空间分辨率和时间连续度高的特点，能够更详细地反映降水粒子相态和粒子下落速度的垂直变化，特别是垂直观测的云雷达径向速度直接与粒子下落速度有关(刘黎平和周淼，2016；谢晓林和刘黎平，2016；范思睿和王维佳，2019)。相对于其它多普勒天气雷达，毫米波雷达所接收到的雷达回波不受地物和晴空回波的干扰，这使得毫米波雷达对低空云的探测更加准确(Kollias et al.，2007；宗蓉，2013；刘黎平，2021)。国外将毫米波雷达用于云和降水的探测研究始于20世纪80年代∶Lhermitte等(1987a，1987b)利用94 GHz和3 mm云雷达对云和降水的宏微观进行观测研究，指出云中气流主要的上升通道和最大回波强度区基本一致；美国大气辐射测量计划ARM使用35 GHz雷达(MMCR)对云进行长期连续观测，探测高度为整个对流层，数据可靠性较高(Stokes and Schwartz，1994；Ackerman and Stokes，2003)；Kollias等(2000，2003，2007)利用94 GHz云雷达研究了对流云中垂直空气运动和雨滴分布以及对流性降水的云微物理结构，指出风场、雨滴分布与对流场中可变性是相互联系的，同时证明了94 GHz云雷达在低纬度地区的适用性；Stephens和Norman(2007)利用毫米波雷达分析热带对流云结构，不同对流体系云和降水的结构都是基于类似的天气动力，而且大部分形成降水的对流云结构都是卷云和浓积云相结合的。国内，刘黎平等(2009，2015)利用毫米波云雷达进行了外场试验，总结了高原地区各种类型云的雷达回波图特征；吴举秀等(2014，2015)综合分析了毫米波云雷达的降水云回波特征及测云能力；黄毅梅等(2012，2017)利用毫米波云雷达综合分析了典型降水云的宏微观特征和过冷水分布。除此之外，毫米波云雷达在降雪中也同样适用(陈羿辰等，2018；黄钰等，2020)。

在雷达图上有时会出现圆环状的窄回波亮圈，因为一般出现在0℃附近，所以称为“零度层亮带”，也称为融化层。零度层亮带是指雪花或冰晶降落到0℃附近，表面发生融化而使雷达发射率突然增大的现象，因为环境温度的升高，冰相粒子在零度层以下开始融化，在层状云中形成明显的冰水转换区，它的出现表明了贝吉龙过程是启动层状冷云降水的主要机制(Austin and Bemis，1950；张培昌等，1988)。它表明层状云降水中气流稳定，无明显对流和湍流活动，对研究云中微物理过程的理解和判别云中粒子相态的变化，以及研究雪花、融雪、雨滴尺度谱分布的演变具有重要作用(金龙等，2016)。零度层亮带的正确判别对降水类型和降水强度的预报具有指示作用，通过零度层亮带厚度变化可以判别云中粒子相态变化(刘黎平和周淼，2016)，如在层状云降水中，当零度层亮带变厚或者变强，指示云中冰相粒子粒径变大，冰水转化速度加快。国内，金龙等(2016)利用C波段调频连续波雷达对层状云、对流云、混合性云中的垂直结构及亮带进行研究；刘黎平和周淼(2016)利用Ka波段云雷达分析了雷达参量在零度层附近的变化规律，并提出了基于云雷达的零度层亮带自动识别方法。

四川省人工影响天气办公室于2014—2017年组织开展了四川地区大范围云系和降水的外场观测(范思睿和王维佳，2019)，通过科学设计综合性外场观测试验，形成了地面配备多普勒天气雷达、毫米波云雷达、微波辐射计、雨滴谱仪、火箭探空、L波段探空和地面常规气象观测网等多种观测手段，空中利用飞机机载设备进行穿云探测的协同观测方法，建立空地相结合的云和降水三维立体综合观测模式。本文利用在四川宜宾的毫米波云雷达、雨滴谱仪、L波段探空等观测资料，对秋季一次典型层状云弱降水过程进行连续观测，分析研究了四川盆地秋季降水云的宏、微观结构特征及雨滴谱分布特征，并对云中融化层(零度层亮带)进行详细的分析和对比。

1 观测设备和数据质量控制

1.1 观测设备

毫米波云雷达为Ka波段(8 mm)，用于观测弱降水云和非降水云的垂直结构，布设在四川宜宾(104.60°E，28.82°N，海拔342 m)，进行24 h连续不间断的观测，探测范围为30 km，获取雷达上空的回波强度(Z)、径向速度(V)、速度谱宽(W)、线性退偏振比(LDR)，工作方式有定点扫描、体扫、垂直剖面扫(RHI)、扇扫等，体扫时共扫描14层，完成一次体扫为7 min，向目标云作垂直剖面扫描(RHI)完成时间为40 s。为了获取云的连续性垂直结构观测数据，这里采用垂直指向定点扫描方式对2017年10月20—22日层状云降水过程进行24 h连续观测，毫米波云雷达主要技术性能参数见表1。毫米波云雷达采用了Ka波段，波长更短，能获取更大的后向散射能量，同时减小空气和降水粒子的衰减(吴翀等，2017)。

表1 Ka波段云雷达主要性能或参数Table 1 Main performance parameters of the Ka-band millimeter wave cloud radar

为了获取云和降水垂直结构上的热力和动力过程变化，使用位于四川宜宾站L波段探空资料，L波段探空和毫米波云雷达布设在同一观测点，可以获取大气垂直的气压、温度、湿度、风速、风向。为了获取降水过程的雨滴粒径，使用位于四川宜宾少娥湖人工影响天气作业点(104.59°E，28.79°N，海拔337 m)的OTT Parsivel激光雨滴谱仪，获取降水过程的滴谱数据、下落速度、降水强度、雨量、雷达回波强度，时间分辨率为1 min，进行24 h连续观测，液态粒子直径探测范围为0.2～5 mm，固体粒子直径探测范围为0.2～25 mm。

1.2 观测数据的质量控制

毫米波雷达在探测气象目标的同时，也能探测到非气象目标，如孤立噪点、径向干扰、浮游物等回波，在径向速度方面，由于毫米波雷达波长较短容易造成径向速度模糊，同时双偏振参量在低信噪比条件下，也存在数据质量降低。因此，在对毫米波雷达数据进行分析前，必须对雷达数据进行质量控制，包括退速度模糊、孤立回波剔除、径向速度干扰识别(郑佳锋等，2016)、浮游物回波剔除(Luke et al.，2008；GÖrsdorf et al.，2015)等。毫米波雷达的波长较短，降水粒子对云雷达波的衰减有影响，但因订正困难，本文没有进行衰减的估计和订正，仅选择弱降水云和无降水云减少降水粒子对雷达波的衰减。

2 毫米波雷达探测资料分析

为了分析云雷达探测云的准确性和真实性，将L波段探空观测数据和毫米波云雷达数据进行对比分析，将L波段探空观测数据作为真实值，将毫米波云雷达作为对比值，对比两者的云底高度、云顶高度、云厚、云层数等垂直结构信息，以此判别毫米波云雷达数据的合理性，分别选取了上午和下午数据样本。

图1a、b为2017年10月22日07∶15—08∶15(北京时，以下同)的L波段探空和毫米波云雷达对比图。从探空图(图1a)中可以看出有两段相对湿度大值区，中间有一段相对湿度小值区。参考蔡淼等(2014)根据温度和相对湿度的变化将相对湿度达到84%作为云的阈值，由此判断探空观测到双层云，双层云中存在干层。图1b为相同时间内的云雷达探测，云雷达显示8 km以下有双层云，第一层云为较厚实的层状云，云底高度基本接近地面，云顶高度约为4 km，云厚约为4 km，云顶高度上有部分碎云，高积云云顶高度约为4.5 km，第二层云较薄，以碎云为主，主要是在7∶40—8∶15之间出现，第二层云底高度约为5.8 km，云顶高度边界不清晰，两层云中间有相对干层，干层约为1～2 km。图1c、d为2017年10月24日19∶15—20∶15 L波段探空和毫米波云雷达对比图，从探空图(图1c)中看出相对湿度在3.5 km以下为大值区，相对湿度达到90%，判断近地面有较厚实的云存在，并且为单层云，云顶高度约3.5 km，云底高度接近地面，云厚约3.5 km，图1d为对应时间的云雷达探测，近地面有层状云，云底高度及地，云厚约为2.6 km。由此看出，毫米波云雷达有较强的探测能力，既能探测深厚的层状云，也能穿透多层云，探测的云层数和云顶高度、云底高度信息与真实值(探空值)基本匹配，毫米波云雷达探测的云顶高度低于L波段探空的云顶高度，可能是因为两种探测仪器观测方式不同造成的，毫米波云雷达主要是观测上空过境的云，而L波段探空随气流漂浮，随着时间延长，两者观测目标不一致，另外张日伟等(2012)提及L波段探空搭载的温湿传感器对环境变化的响应存在滞后，这也可能是两者差异的因素。

图1 2017年10月22日07∶15—08∶15(a、b)和2017年10月24日19∶15—20∶15(c、d)L波段探空和Ka波段毫米波雷达对比图Fig.1 Diagrams of L-band sounding and Ka-band millimeter wave cloud radar observations for(a,b)07∶15-08∶15 BT 22 October 2017 and(c,d)19∶15-20∶15 BT 24 October 2017

3 层状降水云观测分析

3.1 降水过程概况

2017年10月20 —22日，受西风槽和地面冷锋影响，四川盆地境内出现一次典型的秋季层状云降水过程，层状云中有对流泡，雨量较小。图2为2017年10月21日00∶00—22日05∶00雷达参量的时间-高度变化图，降水发生前为云顶高度低于4 km的层状云，后逐渐发展为云顶高度低于6 km的降水性层状云并伴有对流泡，降水后期云顶高度升高超过8 km，降水结束后变为双层云。图3是雨滴谱仪探测的雨量随时间变化，此次降水过程大部分时段雨强较小，集中在2 mm·h-1以下，雨量峰值时段和雷达图中对流泡时段具有较好对应关系。为了进一步研究此次降水云的各阶段宏微观结构特征变化，将降水过程分为降水前期、降水发展期、降水消散期，对每个阶段降水云的宏微观物理和垂直结构特征、雨滴谱进行综合分析。

图2 2017年10月21日00∶00—22日05∶00毫米波云雷达回波强度随时间变化Fig.2 Millimeter wave cloud radar echo intensity variations with time from 00∶00 BT 21 to 05∶00 BT 22 October 2017

图3 2017年10月21日00∶00—22日05∶00雨强随时间变化Fig.3 Rain intensity variations with time from 00∶00 BT 21 to 05∶00 BT 22 October 2017

3.2 降水前期

图4为降水发生前的毫米波云雷达时间高度变化图，云顶高度和云底高度较为平整，云顶高度约为3 km，云底高度约为1.5 km，说明降水发生前的层状云水平均匀且非常薄。根据20日19∶00的宜宾站L波段探空，0℃层位于4 km附近，此云体为暖云，云内以液相粒子为主。该时段云的雷达回波强度整体偏小，约-25～5 dBz，云内径向速度约为-1 m·s-1，速度谱宽约为0.5～2 m·s-1，LDR约为-23～-17 dB，说明云内以液相粒子为主，且云中粒子相态和大小单一，粒径小，对流微弱。04∶00后，回波强度和速度、谱宽逐渐增大并向下延伸到地面，说明云内强回波区内粒子粒径和下落速度增加，地面雨滴谱仪同步监测到毛毛雨，雨滴谱(图略)显示云中粒子直径小且浓度低，粒子直径为0.312～0.937 mm。

图4 2017年10月21日00:00—21日05:00毫米波云雷达反射率因子(a，单位：dBz)、径向速度(b，单位：m·s-1)、速度谱宽(c，单位：m·s-1)及LDR(d，单位：dB)时间-高度变化图Fig.4 Height-time cross section of(a)radar echo intensity(unit:dBz),(b)radial velocity(unit:m·s-1),(c)velocity spectrum width(unit:m·s-1)and(d)LDR(unit:dB)from 00∶00 BT to 05∶00 BT 21 October 2017

3.3 降水发展期

利用毫米波云雷达观测分析降水发展前期的降水云(图5)，该时段为层状降水云，层状云顶高度约为4 km，云体中有3个对流泡，对流泡云顶高度达到6 km，雷达回波及地形成地面降水，与地面雨强(图6b)峰值时间基本一致。对流泡0℃层以上的雷达回波强度为-10~10 dBz，径向速度为-2.5~0 m·s-1，谱宽约为0~3 m·s-1，因为云顶高度到0℃之间的高度不足2 km，主要为霰和过冷水贡献了0℃层以上回波强度大值。对流泡0℃层以下回波强度为0~30 dBz，径向速度为2~7 m·s-1，谱宽约为2~6 m·s-1，LDR约为-22~-15 dB，相对于0℃层之上，粒子的回波强度、速度、速度谱宽、LDR都明显增加。从图6看出，0℃层以下雨滴谱增宽，粒子主要为雨滴和过冷水，粒子直径约为0.25~3 mm，总数浓度约为20~2 480 m-3，粒子增长主要通过雨滴之间以及雨滴与过冷水之间的碰并增长。在图5d第三个对流泡的4.2~4.4 km高度出现黄色窄带回波，LDR跃增至-15 dB，第三个对流泡的回波强度和径向速度、谱宽(图5a、b、c)在相同高度也出现了分层和数值跃增的现象，因为这种现象出现在0℃层附近，称为“零度层亮带”现象，说明第三个对流泡中的对流运动减弱。

图5 同图4，但时间为2017年10月21日05∶00—10∶00Fig.5 same as Fig.4,but for from 05∶00 BT to 10∶00 BT 21 October 2017

图6 2017年10月21日05:00—10:00雨滴谱仪参量粒子谱数密度(a，单位:m-3·mm-1)以及总数浓度(单位:m-3)与雨强(单位：mm·h-1)(b)随时间变化图Fig.6 Raindrop spectrometer parameter(a)particle spectral number concentration(unit:m-3·mm-1),(b)total number concentration(unit:m-3)and rain intensity(unit:mm·h-1)variations from 05∶00 BT to 10∶00 BT 21 October 2017

图7为降水发展后期毫米波云雷达时间高度变化图，云体较为厚实，云顶高度明显升高达到10 km，云顶高度不平整，存在夹卷现象，云底高度及地形成地面降水，由于风速随高度分布不均匀造成云体从高层到低层出现倾斜的现象。在雨滴谱仪参量随时间变化(图8)上，随着强回波区在19∶07之后及地，地面雨量增加，19∶15达到2.63 mm，雨滴谱增宽，雨滴直径最大达到2.15 mm，总数浓度增加至1 684 m-3。回波强度、径向速度、速度谱宽、LDR(图7)上分别出现了分层现象，分层现象持续了约50 min，在LDR上尤为明显，零度层亮带连续且平整，正好位于0℃层下100～400 m(根据探空数据计算)。为了分析降水云在垂直高度上的变化，计算19∶05—19∶35雷达参量在垂直高度上的平均值(图9)，回波强度随着高度降低而增大，零度层亮带上部回波强度比下部分小，说明粒子在下落过程中粒径增大，并且上部主要为冰相粒子，冰相粒子对电磁波的后向反射比下部液态粒子更弱，所以上部回波强度更低。速度廓线上，零度层上部的径向速度趋近于零，说明冰相粒子对流微弱，下落到0℃层后，径向速度迅速变化，最大速度可达-5.5 m·s-1，说明液态粒子的径向速度明显比冰相粒子大。径向速度和谱宽在零度层亮带之上趋近于0 m·s-1，说明融化层附近无明显对流和湍流。LDR在0℃层下200 m处跃增至-16 dB，然后快速的下降到-20 dB，出现跃增现象，说明在0℃层附近粒子相态变化明显。

图7 同图6，但时间为2017年10月21日18∶55—19∶55Fig.7 same as Fig.4,but for from18∶55 BT to 19∶55 BT 21 October 2017

图8 同图6，但时间为2017年10月21日18∶55—19∶55Fig.8 Same as Fig.6,but for from18∶55 BT to 19∶55 BT 21 October 2017

图9 2017年10月21日不同时段降水云回波强度(a，单位：dBz)、径向速度(b，单位：m·s-1)、速度谱宽(c，单位：m·s-1)、LDR(d，单位：dB)以及温度(单位：℃)和相对湿度(单位：%)(e)随高度变化图Fig.9 Variation with vertical height of(a)Radar echo intensity(unit：dBz),(b)radial velocity(unit：m·s-1),(c)velocity spectrum width(unit：m·s-1),(d)LDR(unit：dB),and(e)temperature(unit：℃)and relative humidity(unit：%)of precipitation cloud on 21 October 2017

为了分析降水云垂直高度上的变化，计算降水发展期的对流泡(10月21日05∶20—06∶00、07∶20—07∶40、09∶05—09∶35、19∶05—19∶35)雷达参量垂直廓线(图9)。四个对流泡在垂直高度上变化类似，雷达回波强度随着高度降低而增大，在0℃层以上回波强度小于15 dBz，在0℃层以下大于10 dBz，在垂直高度4.1～4.5 km处出现回波强度的跃增，这是前面所提到的“零度层亮带”。从速度的垂直廓线上看出，径向速度随着高度降低而增加，在0℃层以上粒子小于-3.5 m·s-1，在0℃层以下大于-3.5 m·s-1。谱宽垂直廓线变化较为单一，随着高度降低而增大，特别3.5～5 km谱宽增加迅速，说明此高度过冷水含量增加，对流泡中上升气流将下层水汽带入0℃层附近，在1.5 km附近除出现波动是因为云雷达的双脉冲拼接分层造成的(陈羿辰等，2018)。LDR在0℃层以上随着高度降低而增大，说明云顶高度粒子相态单一、粒径小，随着高度降低温度升高，云中出现混合相态粒子，LDR明显增大，在4.2～4.5 km达到-16 dB。LDR的先增大后减小是因为在0℃之上主要为冰晶和过冷水混合在一起时，冰相粒子的形状取向优势减弱，LDR偏小；进入融化层后，冰晶开始融化形成外包水膜的冰晶，并与其它粒子更容易发生粘连和碰并增长，冰晶已经由不规则形状融化为近似球形外包水膜冰晶，空间形状取向优势明显，LDR增大，形成亮带；当粒子融化过程结束，基本都是液相粒子，形成近似球型粒子，LDR减小。根据上面综合分析，0℃之上主要为冰晶和霰、过冷水，过冷水贡献了0℃层上回波强度的增长；0℃层附近为混合相态；0℃层之下主要为雨滴、过冷水、毛毛雨等液相粒子，通过雨滴和过冷水、以及雨滴之间的碰并增长，下落速度迅速增加，同时受到蒸发和自发破碎的作用，限制了粒径的增长，粒径增长到一定程度就会发生非瑞利散射。

3.4 降水消散期

降水消散期(图10)，降水减少，云层分成了双层云，下层以层积云为主，云底高度基本及地，云顶限制在4 km以下，云顶高度不平坦，上层云以高积云为主，云底高度约为5 km，云顶高度延伸到8 km以上。根据21日宜宾站19点的探空资料显示0℃层位于4.5 km，下层云位于0℃之下，主要为暖云，云中粒子为液相，雷达回波强度为-25～15 dBz，径向速度约为-4～0 m·s-1，速度谱宽为0～5 m·s-1，LDR为-22.5～-15 dB，LDR整体较为均匀。上层云是冷云，云中粒子主要为冰相，雷达回波强度为-25～0 dBz，径向速度约为-1 m·s-1，速度谱宽为0～1 m·s-1，LDR几乎没有数值，说明云中粒子直径小、相态单一。

图10 同图4，但时间为2017年10月21日22∶45—22日04∶45Fig.10 same as Fig.4,but for from 22∶45 BT to 04∶45 BT 22 October 2017

4 雨滴谱演变特征

为了分析降水不同阶段粒子谱变化，选取降水发生前(21日00∶00—05∶00)、降水发展期(21日05∶00—10∶00和21日18∶55—19∶55)、降水消散期(21日22∶45—22日4∶45)典型时段的平均粒子谱分布(图11)。此次典型层状降水发生前和发展期粒子谱呈单峰结构，谱较窄，位于0.312～2.375 mm之间，谱峰位于0.437 mm，以小粒子为主。降水消散期粒子谱为双峰型，谱峰位于0.437 mm和1.375 mm。降水不同阶段粒子滴谱分布不同，降水发展期滴谱相对更宽，特别是发展后期粒子半径最大，主要是因为云顶高度升高超过8 km，冰晶增多，下落过程中迅速淞附和攀附增长，促进粒子尺度增大。降水发展期数浓度相对更大，特别是小粒子浓度大。云中粒子滴谱分布的研究结论与其他学者研究结果类似(石爱丽等，2004；柳臣中等，2015；刘平等，2021)。

图11 降水不同阶段的平均粒子谱Fig.11 Average particle spectra at different stages of precipitation processes

5 零度层亮带分析

本次降水过程多次出现零度层亮带，但每次亮带持续时间和亮度厚度、平整程度不同，将降水过程中出现的所有零度层亮带进行详细分析和对比，定量统计分析零度层亮带的雷达参量变化，探讨零度层亮带内粒子相态的变化。本次降水共收集到55个零度层亮带样本(表2)。参照刘黎平等(2016)对零度层亮带的厚度、亮带顶部高和底部高度、亮带中心顶峰高度的定义方法对55个样本进行统计分析，将零度层亮带的底部高度(简称“底高”)和顶部高度(简称“顶高”)分别定义为H1、H3，对应的Z、V、W、LDR分别为Z1、Z3、V1、V3、W1、W3、LDR1、LDR3，零度层亮带顶峰高度(注意和亮带顶高的不同称谓)为H2，对应的雷达参量为Z2、V2、W2、LDR2，零度层亮带厚度为DH，不同参量对应的亮带厚度对应为DHZ、DHV、DHW、DHLDR，亮带顶部和底部特征量差值定义DZ、DV、DW、DLDR。因为零度层亮带在不同雷达参量的垂直廓线上变化不同，所以对亮带特征量差值的计算定义也不同。在LDR和回波强度的垂直廓线上表现为先跃增后减少的“凸起”，所以LDR和回波强度的亮带特征量差值定义为顶峰值与底部值、顶部值之差，而亮带在径向速度和谱宽垂直廓线上表现为单调减少或增加，所以对径向速度和谱宽的特征量差值定义为底部值和顶部值之差，具体定义如下

表2 降水过程中出现零度层亮带的样本统计Table 2 Sample statistics of bright band occurrences during precipitation processes.

为了比较不同雷达参量出现零度层亮带高度的差异，将回波强度、径向速度、谱宽、LDR的亮带顶高和顶峰高度进行比较。图12为不同雷达参量亮带顶高比值和顶峰比值散点分布，越靠近1说明两个参量的高度接近，远离1的程度越大说明参量的高度相差越大，根据散点图分布特征，圆点和蓝色三角点几乎大于等于1，方点在1附近波动，红色三角形几乎分布在1之下，说明亮带最先在LDR和回波强度的垂直廓线上出现，LDR更先到达亮带顶峰，之后才依次在谱宽上出现亮带，最后在径向速度上出现亮带。黄毅梅等(2012，2017)用云雷达对安徽寿县地区的降水云出现的零度层亮带进行研究，发现亮带首先出现在回波强度，然后在径向速度，最后为谱宽上，和本文的研究有一定差异，本文在对谱宽和径向速度出现的高度进行比较时，谱宽的亮带先于径向速度出现，这和研究样本以及地区差异有关。其次，对亮带高度的计算方法不同，本文是基于垂直廓线上递减率来判别零度层亮带，黄毅梅等是基于出现亮带的时间高度图像。

图12 不同雷达参量亮带比值散点分布Fig.12 Scattered point distribution of bright band ratio of different radar parameters

零度层亮带在不同雷达参量上的高度不一致，是因为冰相粒子下落到环境温度高于0℃的地区，冰相粒子表明开始融化，形成了外包水膜的冰相粒子，介电常数改变，回波强度会非常敏感的捕捉到这个信息，回波强度迅速跃增，但由于开始融化的冰相粒子的形状和粒径变化较小，对径向速度影响不大。随着环境温度升高，融化加剧，融化的粒子更容易发生吸附和碰并导致粒径增大，不同粒径的下落速度不同，径向速度和谱宽迅速跃增。在亮带下部分，下落速度的增强导致数浓度降低,同时冰晶骨架破碎后融化成小水滴,回波强度减小,而LDR在亮带下部分的减小是因为亮带下部分基本不存在纯冰相粒子，大部分为过冷水、水滴和外包水膜的冰晶，这些粒子对垂直指向的LDR来说在形状上更接近圆形，LDR减小。由此可见，在LDR、回波强度、径向速度、谱宽上都存在零度层亮带现象，LDR对零度层亮带最为敏感，最早在垂直廓线上出现亮带信息，然后依次出现的为回波强度、谱宽，最后为径向速度，四者在垂直廓线上对亮带的反应也不一致，回波强度和LDR表现为先跃增后减小的“凸起”，而径向速度和谱宽出现跃增。

进一步分析零度层亮带厚度的变化(图13)，四川盆地层状降水云零度层亮带厚度为200～600 m，不同雷达参量上表现不同，LDR亮带厚度范围为300～600 m，回波强度亮带厚度范围为200～500 m，径向速度亮带厚度范围为200～400 m，谱宽亮带厚度范围为200～500 m。径向速度亮带厚度范围最小，主要为径向速度对亮带的敏感度更低。

图13 不同雷达参量的亮带厚度散点分布图Fig.13 Scattered point distribution of bright band thickness for different radar parameters

为了分析亮带厚度与亮带特征量差值的关系，计算了亮带厚度和亮带差值的散点分布(图14)，从图中可以看出，LDR亮度厚度、顶峰数值与LDR亮带上下部的数值差异有密切联系，说明四川盆地层状降水云的零度层亮带厚度越宽，亮带上下数值差异越大，因为亮带之上的冰相粒子粒径变大，通过零度层融化为液相粒子的过程更长，表象上雷达亮带变厚，但实质上是降水云中的粒子在融化层附近的核化、凝结、凝华、聚合、碰并的时间更长，粒子相态更为复杂，为降水类型和粒子相态识别以及降水量估测算法奠定基础。从图14中还可看出，亮带厚度与径向速度差值、谱宽差值、LDR差值相关度很高，但与回波强度差值关系不大，刘黎平等(2016)的研究也曾得出过类似结论。

图14 亮带厚度与DLDR(a)、DV(b)、DW(c)的关系Fig.14 Relationships between bright band thickness and(a)DLDR,(b)DV,and(c)DW

6 结论

本文利用Ka波段毫米波云雷达联合雨滴谱仪、L波段探空和地面常规气象台站等观测资料对四川盆地秋季一次层状云弱降水过程进行观测，分析研究了其宏、微观结构特征及雨滴谱分布特征，并对云中融化层(零度层亮带)进行详细的分析和对比。得到如下结论∶

(1)通过与L波段探空对比分析，毫米波云雷达能清楚反映云及弱降水过程的云系结构变化和云内小尺度变化，对云边界和云顶高度碎云等弱信息也较为敏感，也能穿透多个液态水层，连续测量变化的云参数，说明毫米波云雷达能为云和弱降水提供了可靠的连续性观测资料，对研究云和弱降水的物理机制具有重要作用。

(2)通过典型个例分析，四川盆地秋季弱降水云以层状云为主，伴随对流泡发生，雨强大部分集中在2 mm·h-1以下，降水峰值和雷达图中对流泡具有较好对应关系。降水发生前云系主要为层状云，云顶高度约为3 km，云底高度约为1.5 km，云中主要以粒径小、相态单一的液相粒子为主；降水发展前期云系以层状云为主，伴随对流泡，层状云顶高度约为4 km，对流泡云顶高度达到6 km，云中有明显的零度层亮带现象；降水发展后期云体发展较为厚实，云顶高度明显升高，最高可达10 km，云中有明显的零度层亮带现象；降水消散期，云层分成了双层云，下层以层积云为主，云顶高度在4 km以下，以粒径小、相态单一的的液相粒子为主，上层云以高积云为主，云底高度约为5 km，云顶高度延伸到8 km以上，以粒径小、相态单一的冰相粒子为主。通过多个雷达参量综合分析，降水发展期的云分为三层，融化层之上主要为冰晶和霰、过冷水，过冷水贡献了0℃层上回波强度的增长；融化层内主要是混合相态粒子；融化层之下主要为雨滴、过冷水、毛毛雨等液态粒子。

(3)层状降水前期和发展期云滴谱呈单峰结构，谱较窄，谱宽位于0.312～2.375 mm之间，峰值位于0.437 mm，以小粒子为主，仅降水消散为双峰型，峰值位于0.437 mm和1.375 mm。降水发展期滴谱相对更宽，特别是发展后期粒子半径最大。降水发展期数浓度相对更大，最大达到2 480 m-3，特别是小粒子浓度增加。

(4)四川盆地层状降水云零度层亮带厚度为200～600 m，不同雷达参量上表现不同，LDR亮带厚度范围为300～600 m，回波强度亮带厚度范围为200～500 m，径向速度亮带厚度范围为200～400 m，谱宽亮带厚度范围为200～500 m。退偏振比对零度层亮带最为敏感，最早在垂直廓线上出现亮带信息，是粒子相态变化的重要指标，然后依次出现的为回波强度、谱宽，最后为径向速度。零度层亮带厚度与径向速度、谱宽差值、退偏振比差值相关度很高，但与回波强度差值关系不大。

本文所分析的典型个例基于秋季层状云弱降水，而对不同天气下(比如对流云消散阶段、降雪)零度层亮带的研究还需要积累更多的观测资料。随着双偏振雷达技术的发展，对云探测的信息会日益准确，对云中粒子的变化会日益精细化，特别是双偏振雷达能提供云中粒子变化更丰富更精细化的信息，可以进一步确定云中粒子的空间取向和翻转情况，以及云内风场结构。