張晉茹，楊蓮梅*

（1.中國(guó)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(xué)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(guó)冬季降雪最多、積雪最豐富的三大區(qū)域之一[1]，許多學(xué)者從大尺度環(huán)流背景、天氣尺度和中尺度系統(tǒng)、 水汽特征等方面對(duì)新疆降雪進(jìn)行了研究[2-10]。也有不少研究人員應(yīng)用衛(wèi)星資料對(duì)新疆地區(qū)非降水云和降水云宏微觀物理特性進(jìn)行了研究[11-16]。但衛(wèi)星資料的時(shí)空分辨率低，穿透云的能力限制，不能對(duì)降雪過(guò)程進(jìn)行一次完整的觀測(cè)。 毫米波云雷達(dá)具有很高的靈敏度和時(shí)空分辨率， 能夠探測(cè)晴空云微小粒子結(jié)構(gòu)和微物理特性， 也還能夠?qū)θ踅邓徒笛┫到y(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)和微物理參數(shù)的反演[17]。 陳羿辰等[17]利用毫米波云雷達(dá)對(duì)降雪系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)分析， 結(jié)果表明降雪發(fā)展旺盛時(shí)期雪粒子含水量在0.05～0.15 g/m3。 王柳柳等[18]利用云雷達(dá)進(jìn)行凍雨—降雪微物理和動(dòng)力特征分析， 結(jié)果表明凍雨和降雪過(guò)程初始時(shí)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(dá)、雨滴譜儀和探空聯(lián)合觀測(cè)一次混合型層狀云降水得到在較強(qiáng)回波區(qū)，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(dá)對(duì)淮南冬季云宏觀特性進(jìn)行研究， 該地區(qū)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(guó)天氣系統(tǒng)的上游， 對(duì)下游地區(qū)天氣系統(tǒng)具有較強(qiáng)的指示意義，同時(shí)伊犁河谷也是全疆的降水中心[21]，新源是伊犁河谷地區(qū)具有代表性的降水區(qū)域。 中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2018 年12 月在西天山開(kāi)展中亞極端降水強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)，2019 年1 月22日將毫米波云雷達(dá)安裝于新源氣象站（43°27′ N，83°18′ E）進(jìn)行觀測(cè)。 本文提取了毫米波云雷達(dá)反射率因子、徑向速度參數(shù)，對(duì)伊犁河谷新源地區(qū)兩次強(qiáng)降雪過(guò)程進(jìn)行宏微觀結(jié)構(gòu)特征觀測(cè)分析， 利用毫米波云雷達(dá)進(jìn)行雪粒子含水量的反演。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

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

1.2 云雷達(dá)參數(shù)

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(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，為了應(yīng)用方便，通常用dBZ 來(lái)表示反射率因子的大小[22]，即：

云雷達(dá)的徑向速度是雷達(dá)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(yùn)動(dòng)速度[23]。 V 為正時(shí)表示速度向上，為負(fù)時(shí)表示速度向下。

1.3 雪粒子含水量反演

云中液態(tài)含水量是一個(gè)特別重要的氣象要素，液態(tài)含水量的量級(jí)和空間分布是研究云動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)，它們反映了云中凝結(jié)和發(fā)展程度[17]。目前為止，依然沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量液態(tài)含水量量級(jí)的方法，但相對(duì)量級(jí)和空間分布能夠使用雷達(dá)測(cè)量， 需要對(duì)云中滴譜作出假設(shè)。 雪粒子含水量也能夠用云液態(tài)含水量相似的方法計(jì)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(tài)水含量M 與雷達(dá)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(guò)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(guān)系類似于降雨時(shí)的M-P 分布，并且提出關(guān)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(yīng)水的厚度表示。 聯(lián)立公式（3~5）簡(jiǎn)化得：

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

張培昌等[27]提出當(dāng)譜滴為雪花時(shí)A=3.8×104，a=2.2，則公式（6）可變?yōu)椋?/p>

其中，M 單位是g/m3，Z 的單位是dBZ。

2 降雪過(guò)程云宏微物理特征觀測(cè)分析

2.1 兩次降雪天氣實(shí)況

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

圖1 “2·1”過(guò)程（a）與“2·6”過(guò)程（b）小時(shí)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(duì)濕度、能見(jiàn)度?！?·1”過(guò)程溫度從31 日23 時(shí)0.1 ℃到1日0 時(shí)迅速降為-2.5 ℃， 此后溫度一直維持在0 ℃以下（圖2a）；相對(duì)濕度從31 日23 時(shí)49 %到1 日0時(shí)迅速升高到89%，此后相對(duì)濕度一直維持在88%以上（圖2b）；能見(jiàn)度從31 日23 時(shí)的20.74 km 到1日0 時(shí)很迅速降到0.29 km，直到2 日05 時(shí)左右能見(jiàn)度一直在6 km 以下，能見(jiàn)度在2 月1 日21 時(shí)為最小值0.99 km（圖2c）。“2·6”過(guò)程溫度從08 時(shí)的-3.4 ℃到09 時(shí)迅速降為-5.7 ℃，此后溫度一直維持在-4.5 ℃以下（圖2d）；相對(duì)濕度從08 時(shí)的67%到11 時(shí)升高到89%，此后相對(duì)濕度一直維持在85%以上（圖2e）；能見(jiàn)度從09 時(shí)的11.68 km 到10 時(shí)迅速降到6.57 km，直到17 時(shí)能見(jiàn)度一直在5 km 以下，18 時(shí)能見(jiàn)度突然變?yōu)?2.47 km，可能與這段時(shí)間降雪出現(xiàn)了短暫的停止有關(guān)，能見(jiàn)度在16 時(shí)為最小值0.62 km（圖2f）。

2.2 兩次過(guò)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(dá)觀測(cè)參數(shù)時(shí)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(jù)公式（7）計(jì)算得出。 云雷達(dá)參數(shù)在3.8 km 高度上有明顯的分層，這是因?yàn)樵评走_(dá)在探測(cè)弱回波時(shí)不僅需要滿足探測(cè)距離而且還要確保探測(cè)能力采用脈沖互補(bǔ)技術(shù)造成的， 雷達(dá)使用寬脈沖保證有足夠的探測(cè)能力對(duì)弱回波進(jìn)行探測(cè)，但是在低層會(huì)有探測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)，這部分盲區(qū)使用窄脈沖來(lái)進(jìn)行探測(cè)， 但窄脈沖對(duì)弱回波的探測(cè)能力有限， 因此低層回波很弱時(shí)就會(huì)有回波不連續(xù)的現(xiàn)象發(fā)生[17]。

由圖3a，3b，3c 可知，“2·1” 過(guò)程云階段性變化較為明顯， 有5 個(gè)時(shí)間段云反射率因子較強(qiáng)，2 km以下反射率因子都達(dá)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(duì)比可見(jiàn)，1 km 以下反射率因子較大和雪粒子下落速度較大同時(shí)滿足時(shí)地面小時(shí)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(shí)刻雪粒子下降速度較快， 其中02:00—03:00 小時(shí)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(xù)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(shí)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(shí)降雪量較小。08:30—10:00 和10：30—15:00 兩個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)間段雪粒子的下降速度最小。 21:00—24:00 是此次降雪過(guò)程最后一個(gè)反射率因子較強(qiáng)的時(shí)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(shí)間段是此次過(guò)程中雪粒子下降速度最大的時(shí)段， 其中20:00—21:00 小時(shí)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(shí)間段雪粒子降落速度較大，因此小時(shí)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(duì)濕度（b、e）和能見(jiàn)度（c、f）

由圖3d，3e，3f 可知，“2·6” 過(guò)程云的階段性變化不明顯，主要表現(xiàn)為云反射率因子變化較小，反射率因子較強(qiáng)時(shí)間段較為連續(xù)，10:00—12:20 反射率因子大于20 dBZ 的云伸展到2 km， 其他時(shí)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(duì)比可得，與“2·1”過(guò)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(shí)滿足時(shí)地面小時(shí)降雪量較大。 10:00—12:20 時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(xiàn)了明顯的對(duì)流運(yùn)動(dòng)， 該時(shí)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(duì)流運(yùn)動(dòng)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(dá)參數(shù)

由圖3b，3e 可得，1 km 以下“2·1”過(guò)程的雪粒子下降速度整體上要小于“2·6”過(guò)程的雪粒子下降速度，且1 km 以下“2·1”過(guò)程雪粒子下降速度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，而“2·6”過(guò)程雪粒子下降速度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)從大到小的趨勢(shì)，這可能是“2·1”過(guò)程云階段性變化明顯而“2·6”過(guò)程中云階段性變化不明顯的原因。在降雪后期“2·6”過(guò)程的對(duì)流運(yùn)動(dòng)要大于“2·1”過(guò)程的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，較為強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)使得“2·6”過(guò)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(dá)觀測(cè)參數(shù)時(shí)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(xiàn)隨著高度的降低逐漸增大的趨勢(shì)，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(shí)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(shù)垂直向下，偶爾有垂直向上的徑向速度，說(shuō)明存在小范圍小幅度的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，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(gè)不同時(shí)刻反射率因子、徑向速度、雪粒子含水量垂直廓線，3 個(gè)時(shí)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(shí)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(dá)到最大值29 dBZ，雪粒子含水量達(dá)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(shí)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(shí)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(dá)參數(shù)

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)徑向速度大部分小于0 m/s，0.39 km 處達(dá)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(shuō)明消散階段存在較大的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

利用Ka 波段毫米波云雷達(dá)對(duì)伊犁河谷兩次強(qiáng)降雪過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)， 云雷達(dá)能較好地觀測(cè)云的宏觀和微物理特征，主要結(jié)論如下：

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

（2）兩次過(guò)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(shí)滿足時(shí)地面小時(shí)降雪量較大。 降雪消散階段“2·6”過(guò)程對(duì)流運(yùn)動(dòng)比“2·1”過(guò)程劇烈，較為強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)使得“2·6”過(guò)程降雪快速消散，地面降雪量迅速減小。

（3）“2·1” 過(guò)程前3 h 是反射率因子最大時(shí)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(guò)程前2 h 同樣為反射率因子最大時(shí)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(guò)程結(jié)果與陳羿辰等[17]利用毫米波云雷達(dá)觀測(cè)北京一次暴雪系統(tǒng)發(fā)展旺盛時(shí)期雪粒子含水量0.05～0.15 g/m3、 強(qiáng)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(shí)刻各參數(shù)垂直廓線

本文對(duì)伊犁河谷地區(qū)強(qiáng)降雪宏微觀物理特征有初步的了解，降雪前中后雷達(dá)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(jìn)一步提高和改善云—降水微物理過(guò)程的精度提供依據(jù)。