基于毫米波云雷達的伊犁河谷兩次強降雪過程云特征觀測分析

張晉茹，楊蓮梅*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

新疆是干旱半干旱氣候， 但由于三山夾兩盆的特殊地形，特別是在冬季新疆北部，極鋒急流頻繁南下，新疆是中國冬季降雪最多、積雪最豐富的三大區域之一[1]，許多學者從大尺度環流背景、天氣尺度和中尺度系統、 水汽特征等方面對新疆降雪進行了研究[2-10]。也有不少研究人員應用衛星資料對新疆地區非降水云和降水云宏微觀物理特性進行了研究[11-16]。但衛星資料的時空分辨率低，穿透云的能力限制，不能對降雪過程進行一次完整的觀測。 毫米波云雷達具有很高的靈敏度和時空分辨率， 能夠探測晴空云微小粒子結構和微物理特性， 也還能夠對弱降水和降雪系統宏觀結構觀測和微物理參數的反演[17]。 陳羿辰等[17]利用毫米波云雷達對降雪系統進行觀測分析， 結果表明降雪發展旺盛時期雪粒子含水量在0.05～0.15 g/m3。 王柳柳等[18]利用云雷達進行凍雨—降雪微物理和動力特征分析， 結果表明凍雨和降雪過程初始時期形成的平均粒子半徑分別在40 μm和120 μm 附近。 王德旺等[19]利用偏振云雷達、雨滴譜儀和探空聯合觀測一次混合型層狀云降水得到在較強回波區，云水含量為0.5～0.8 g/kg，雨水含量為0.2 g/kg，空氣垂直速度為0.6～1.0 m/s。 李海飛等[20]利用云雷達對淮南冬季云宏觀特性進行研究， 該地區冬季云底高度在0.21～11.0 km， 云頂分布在0.36～11.3 km，云厚度為0.1～8.3 km。

伊犁河谷位于新疆西部， 是新疆乃至全國天氣系統的上游， 對下游地區天氣系統具有較強的指示意義，同時伊犁河谷也是全疆的降水中心[21]，新源是伊犁河谷地區具有代表性的降水區域。 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2018 年12 月在西天山開展中亞極端降水強化觀測試驗，2019 年1 月22日將毫米波云雷達安裝于新源氣象站（43°27′ N，83°18′ E）進行觀測。 本文提取了毫米波云雷達反射率因子、徑向速度參數，對伊犁河谷新源地區兩次強降雪過程進行宏微觀結構特征觀測分析， 利用毫米波云雷達進行雪粒子含水量的反演。

1 資料與方法

1.1 數據資料

觀測使用Ka 波段毫米波云雷達（8.6 mm 波長），采用全固態、全相參、脈沖多普勒、脈沖壓縮、單發單收線極化體制，由天線、收發模塊、數字接收機和加電模塊組成，天線直徑為1.8 m，垂直分辨率為30 m，時間分辨率為1 min，探測高度0.12~20 km，可24 h 連續觀測。 新源站是一般氣象站，地面氣象綜合觀測資料包含地面溫度、濕度、能見度、降雪量，時間分辨率都為1 h。

1.2 云雷達參數

反射率因子是單位體積中粒子直徑6 次方的總和，用Ze表示，常用單位是mm6/m3，由于反射率因子變化范圍很大，甚至能夠跨越數個數量級，為了應用方便，通常用dBZ 來表示反射率因子的大小[22]，即：

云雷達的徑向速度是雷達采樣體積中群組粒子在靜止空氣中的平均下降速度與空氣垂直速度之和，即

其中，V 是徑向速度，Vg是粒子群平均下落速度，Vm是空氣垂直運動速度[23]。 V 為正時表示速度向上，為負時表示速度向下。

1.3 雪粒子含水量反演

云中液態含水量是一個特別重要的氣象要素，液態含水量的量級和空間分布是研究云動力學的一個重要指標，它們反映了云中凝結和發展程度[17]。目前為止，依然沒有準確測量液態含水量量級的方法，但相對量級和空間分布能夠使用雷達測量， 需要對云中滴譜作出假設。 雪粒子含水量也能夠用云液態含水量相似的方法計算。Marshall 等[24]提出Marshall-Palmer 滴譜分布（M-P 分布），Greene 等[25]使用M-P分布提出液態水含量M 與雷達反射率因子Z 可表示為：

其中，x 為最大滴直徑，D 是直徑，ρ 為水的密度。 一定條件下冰晶可碰撞合并為雪花， 在這樣的聚合過程中，溫度與冰雪晶的形狀起主要作用。 Gunn 等[26]得到雪花尺度關系類似于降雨時的M-P 分布，并且提出關系式：

其中，Λ=25.5I-0.48，n0=3.8×103I-0.87，D0為雪融化為水滴的等效直徑，單位是mm；I 為降水率，單位是mm/h，以積雪融化后相應水的厚度表示。 聯立公式（3~5）簡化得：

其中，M 單位是g/m3，Z 單位是mm6/m3，系數A、a 隨滴譜的譜型變化而變化。

張培昌等[27]提出當譜滴為雪花時A=3.8×104，a=2.2，則公式（6）可變為：

其中，M 單位是g/m3，Z 的單位是dBZ。

2 降雪過程云宏微物理特征觀測分析

2.1 兩次降雪天氣實況

圖1 是兩次降雪過程的小時降雪量。 第一次降雪過程于2019 年2 月1 日0 時BT 左右開始，2 日3 時BT 左右結束，持續時間約為27 h，總降雪量為11.5 mm，最大小時降雪量為1.2 mm。 由圖1（a）可得，1 日00:00—04:00 和20:00—21:00 的小時降雪量都在0.8 mm 及以上，其他時間段小時降雪量都在0.7 mm 及以下， 該過程小時降雪量隨著時間的推移時大時小，此降雪過程簡稱為“2·1”過程。 第二次降雪過程于2 月6 日10 時BT 左右開始，20 時BT左右結束，持續時間約為10 h，降雪量為8.0 mm，最大小時降雪量為1.8 mm。 由圖1（b）可得，6 日10:00—16:00 小時降雪量在0.7 mm 及以上，16:00—20:00小時降雪量迅速減小到0.3 mm 及以下，該過程小時降雪量是隨時間的變化先逐步上升， 后迅速減小直至降雪停止，此降雪過程簡稱為“2·6”過程。 以下時間全都為北京時間。

圖1 “2·1”過程（a）與“2·6”過程（b）小時降雪量

圖2 為2019 年1 月31 日21：00—2 月2 日07：00 與2 月6 日08：00—22：00 地面溫度、相對濕度、能見度?！?·1”過程溫度從31 日23 時0.1 ℃到1日0 時迅速降為-2.5 ℃， 此后溫度一直維持在0 ℃以下（圖2a）；相對濕度從31 日23 時49 %到1 日0時迅速升高到89%，此后相對濕度一直維持在88%以上（圖2b）；能見度從31 日23 時的20.74 km 到1日0 時很迅速降到0.29 km，直到2 日05 時左右能見度一直在6 km 以下，能見度在2 月1 日21 時為最小值0.99 km（圖2c）?！?·6”過程溫度從08 時的-3.4 ℃到09 時迅速降為-5.7 ℃，此后溫度一直維持在-4.5 ℃以下（圖2d）；相對濕度從08 時的67%到11 時升高到89%，此后相對濕度一直維持在85%以上（圖2e）；能見度從09 時的11.68 km 到10 時迅速降到6.57 km，直到17 時能見度一直在5 km 以下，18 時能見度突然變為22.47 km，可能與這段時間降雪出現了短暫的停止有關，能見度在16 時為最小值0.62 km（圖2f）。

2.2 兩次過程云宏微觀特征

圖3 是2019 年1 月31 日21：00—2 月2 日07：00 與2 月6 日08:00—22:00 毫米波云雷達觀測參數時空變化，分別是反射率因子Z、徑向速度V、雪粒子含水量M，雪粒子含水量根據公式（7）計算得出。 云雷達參數在3.8 km 高度上有明顯的分層，這是因為云雷達在探測弱回波時不僅需要滿足探測距離而且還要確保探測能力采用脈沖互補技術造成的， 雷達使用寬脈沖保證有足夠的探測能力對弱回波進行探測，但是在低層會有探測盲區的出現，這部分盲區使用窄脈沖來進行探測， 但窄脈沖對弱回波的探測能力有限， 因此低層回波很弱時就會有回波不連續的現象發生[17]。

由圖3a，3b，3c 可知，“2·1” 過程云階段性變化較為明顯， 有5 個時間段云反射率因子較強，2 km以下反射率因子都達到了20 dBZ， 分別是00:00—03:30、06:00—08:00、08:30—10:00、10：30—15:00和21:00—24:00。由圖3a，3b，3c 與圖1a 對比可見，1 km 以下反射率因子較大和雪粒子下落速度較大同時滿足時地面小時降雪量較大。00:00－03:30 云頂高在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 以下徑向速度集中在-0.5~-1.75 m/s， 該時刻雪粒子下降速度較快， 其中02:00—03:00 小時降雪量為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，徑向速度集中在-0.75~-1.25 m/s； 隨著降雪的持續云頂高慢慢下降，06:00—08:00 云頂高為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 以下徑向速度集中在0~-1.5 m/s，相比于00:00—03:30 雪粒子下降速度明顯減小，其中06:00—07:00 地面降雪量為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，徑向速度集中在-0.5~-1 m/s，該時刻的反射率因子和雪粒子含水量與02:00—03:00 相差不多，但由于雪粒子下降速度較小，雪粒子不能快速集中地降落到地面， 因此小時降雪量較小。08:30—10:00 和10：30—15:00 兩個時間段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 以下徑向速度在集中在0~-1.25 m/s，這兩個時間段雪粒子的下降速度最小。 21:00—24:00 是此次降雪過程最后一個反射率因子較強的時間段，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，徑向速度集中在-1~-1.75 m/s， 該時間段是此次過程中雪粒子下降速度最大的時段， 其中20:00—21:00 小時降雪量為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，徑向速度集中在-0.75~-1.25 m/s，此時間段雪粒子降落速度較大，因此小時降雪量較大。

圖2 2019 年1 月31 日21:00—2 月2 日07:00（a、b、c）與2 月6 日08:00—22:00（d、e、f）地面溫度（a、d）、相對濕度（b、e）和能見度（c、f）

由圖3d，3e，3f 可知，“2·6” 過程云的階段性變化不明顯，主要表現為云反射率因子變化較小，反射率因子較強時間段較為連續，10:00—12:20 反射率因子大于20 dBZ 的云伸展到2 km， 其他時間反射率因子大于20 dBZ 的云降低到2 km 以下。 由圖3d，3e，3f 與圖1b 對比可得，與“2·1”過程同樣地1 km 以下反射率因子較大和雪粒子下落速度較大同時滿足時地面小時降雪量較大。 10:00—12:20 時段云頂高在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 以下徑向速度集中在-1.25~-1.75 m/s， 其中10:00—11:00 小時降雪量為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 以下徑向速度集中在-1~-1.75 m/s，雪粒子下降速度較大。 12:20—15：00 時刻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，徑向速度集中在-1~-1.75 m/s，其中14:00—15:00 小時降雪量為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，徑向速度集中在-0.75~-1.75 m/s。15:00—16:00 中云頂高度有所增加，此階段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 稍有減小。 16:00—21:00 在1~4 km 處出現了明顯的對流運動， 該時段反射率因子逐漸減小，雪粒子含水量也逐漸減小，這可能是由于對流運動加大了雪粒子的消散。

圖3 2019 年1 月31 日22:00—2 月2 日07:00（a、b、c）與2 月6 日08:00—22:00（d、e、f）云雷達參數

由圖3b，3e 可得，1 km 以下“2·1”過程的雪粒子下降速度整體上要小于“2·6”過程的雪粒子下降速度，且1 km 以下“2·1”過程雪粒子下降速度隨時間的變化呈現先減小后增加的趨勢，而“2·6”過程雪粒子下降速度隨時間的變化呈現從大到小的趨勢，這可能是“2·1”過程云階段性變化明顯而“2·6”過程中云階段性變化不明顯的原因。在降雪后期“2·6”過程的對流運動要大于“2·1”過程的對流運動，較為強烈的對流運動使得“2·6”過程降雪快速消散，地面降雪量迅速減小。

圖4 是2019 年2 月1 日00:00—01:00 與6 日10:00—11:00 毫米波云雷達觀測參數時空變化。 由圖4a，4b，4c 可知，1 日00:00—01:00 云頂高在7 km左右， 反射率因子和雪粒子含水量呈現隨著高度的降低逐漸增大的趨勢，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 是底層反射率因子最大的時段，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 以上徑向速度集中在-0.25~-1 m/s，1 km以下徑向速度集中在-0.5~-1.5 m/s。 由圖4d，4e，4f可知，6 日10:00—11:00 云頂高在8 km 左右， 徑向速度大多數垂直向下，偶爾有垂直向上的徑向速度，說明存在小范圍小幅度的對流運動，1 km 以下徑向速度基本在-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，特別在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。

圖5 是1 月31 日—2 月2 日與2 月6 日3 個不同時刻反射率因子、徑向速度、雪粒子含水量垂直廓線，3 個時刻分別選取降雪初生階段、旺盛階段和消散階段中的某一時刻。 由圖5a，5b，5c 可知，初生階段和消散階段1.8 km 以下的反射率因子和雪粒子含水量小于旺盛階段。 1 月31 日23:15 初生階段1.2~3 km 處反射率因子大于20 dBZ，雪粒子含水量大于0.1 g/m3，2.1 km 處反射率因子達到最大值29 dBZ，雪粒子含水量達到最大值0.18 g/m3，此刻2.5 km 以下徑向速度都小于0 m/s。 2 月1 日00:25 時0.12~2.5 km 處反射率因子集中在20~29 dBZ， 雪粒子含水量為0.08~0.18 g/m3；2.2 km 以上反射率因子隨著高度的增加快速降低， 同樣雪粒子的含水量也隨著高度的增加快速降低， 該時刻徑向速度都小于0 m/s。 2 月2 日03:00 消散階段2.5 km 以下反射率因子減弱到10~20 dBZ，雪粒子含水量約為0.02~0.06 g/m3，此刻徑向速度-0.2~-1.3 m/s。

圖4 2019 年2 月1 日00:00—01:00（a、b、c）與2 月6 日10:00—11:00（d、e、f）云雷達參數

由圖5d，5e，5f 可知， 初生階段和消散階段2.8 km 以下的反射率因子和雪粒子含水量要遠遠小于旺盛階段。 09:45 初生階段1.2~2.4 km 處反射率因子大于20 dBZ，雪粒子含水量大于0.05 g/m3，2.2 km處為最大值22.5 dBZ， 雪粒子含水量為最大值0.09 g/m3，徑向速度都＜0 m/s，0.35 km 處為最小值-2.8 m/s。10:30 旺盛階段0.12~2.5 km 處反射率因子大于20 dBZ，最大為33 dBZ，雪粒子含水量為0.08~0.27 g/m3，此時徑向速度大部分小于0 m/s，0.39 km 處達到了最小值-2 m/s。 20:00 消散階段2.5 km 以下反射率因子減弱到5~10 dBZ ，1 km 處最大為10 dBZ，雪粒子含水量為0.01~0.025 g/m3，此刻徑向速度在-2~1.7 m/s， 說明消散階段存在較大的對流運動。

3 結論

利用Ka 波段毫米波云雷達對伊犁河谷兩次強降雪過程進行觀測發現， 云雷達能較好地觀測云的宏觀和微物理特征，主要結論如下：

（1）“2·1” 過程云階段性變化明顯，5 個時間段云反射率因子較強， 這5 個時間段中2 km 以下反射率因子集中在20~30 dBZ，“2·6”過程云的階段性變化不明顯，主要表現為云反射率因子變化較小，反射率因子較強時間段較為連續。 1 km 以下高度中“2·1”過程的雪粒子下降速度整體上要小于“2·6”過程的雪粒子下降速度，且1 km 以下“2·1”過程雪粒子下降速度隨時間的變化呈現先減小后增加的趨勢，而“2·6”過程程雪粒子下降速度隨時間的變化呈現從大到小的趨勢，這可能是“2·1”過程云階段性變化明顯而“2·6”過程中云階段性變化不明顯的原因。

（2）兩次過程都是1 km 以下反射率因子較大和雪粒子下落速度較大同時滿足時地面小時降雪量較大。 降雪消散階段“2·6”過程對流運動比“2·1”過程劇烈，較為強烈的對流運動使得“2·6”過程降雪快速消散，地面降雪量迅速減小。

（3）“2·1” 過程前3 h 是反射率因子最大時間段，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?！?·6”過程前2 h 同樣為反射率因子最大時間段，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。兩次過程結果與陳羿辰等[17]利用毫米波云雷達觀測北京一次暴雪系統發展旺盛時期雪粒子含水量0.05～0.15 g/m3、 強云反射率因子在20~30 dBZ 接近。

圖5 1 月31 日—2 月2 日（a、b、c）與2 月6 日（d、e、f）不同時刻各參數垂直廓線

本文對伊犁河谷地區強降雪宏微觀物理特征有初步的了解，降雪前中后雷達反射率因子、徑向速度和雪粒子含水量在垂直高度上得到具體的值， 為進一步提高和改善云—降水微物理過程的精度提供依據。