賈爍 楊潔帆 韓輝邦 馬學謙 雷恒池 王田田,3

（1 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點試驗室（LACS），北京 100029；2 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810000；3 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020）

0 引言

三江源地區(qū)位于我國青海省南部，是青藏高原的腹地，平均海拔3500～4800 m，為長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)，行政區(qū)域涉及玉樹、果洛、海南、黃南四個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)。區(qū)內(nèi)氣候?qū)偾嗖馗咴瓪夂蛳到y(tǒng)，具有干濕兩季分明、雨熱同期、日溫差大、輻射強烈等氣候特征。其獨特的天氣氣候特點對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及下游地區(qū)天氣氣候都有重要影響。

自20世紀70年代以來，國內(nèi)外針對青藏高原獨特的天氣氣候特點開展了大量外場科學試驗，認為青藏高原大氣熱源對局地與下游區(qū)域云降水過程、水汽輸送流型等均有顯著影響。第三次青藏高原大氣科學試驗（TIPEX-Ⅲ）對陸面—邊界層過程、云—降水物理過程及對流層—平流層交換過程進行了系統(tǒng)的觀測，Ka波段云雷達探測數(shù)據(jù)表明，青藏高原夏季云主要集中在6 km以上和4 km以下，初生的積云和層云常常出現(xiàn)在3 km高度上；利用C波段連續(xù)波雷達的特征參數(shù)可以將西藏那曲地區(qū)對流降水云分為深厚對流降水云和淺薄對流降水云，二者有明顯的垂直結(jié)構(gòu)特征差異；研究還表明青藏高原云—降水微物理過程不同于平原地區(qū)。

三江源地區(qū)具有同青藏高原相似的氣候特征和地形分布，同時作為主要河流的源頭匯水區(qū)，近年來相關(guān)研究已經(jīng)從水汽輸送、天氣背景、云系宏微觀結(jié)構(gòu)及發(fā)展機制等方面對該地區(qū)各類云系開展了詳細分析。如利用再分析資料研究三江源地區(qū)空中主要水汽來源；針對降水云系開展機載云物理觀測和數(shù)值模擬，研究云系微物理特征及降水機制；分析研究黃河上游地區(qū)主要降水云系的雨滴譜特征等。但是，上述研究對象多是層狀云或積層混合云，其中關(guān)于對流云的環(huán)境場特征分析、宏微觀結(jié)構(gòu)的觀測及降水機制的研究則多是針對發(fā)展旺盛的強對流云或組織化的中尺度對流系統(tǒng)（MCS）。

已有研究表明青藏高原東部河曲地區(qū)6—9月白天出現(xiàn)積雨云頻率較高（49%～61%），濃積云也達36%，積雨云降水次數(shù)與云出現(xiàn)次數(shù)比例為58%，且多數(shù)為弱對流云降水。另外，三江源地區(qū)河南縣7—9月低云出現(xiàn)頻率達80%以上，以對流云為主，且在地形熱力和動力作用下易發(fā)展為濃積云。以上結(jié)果均表明有必要對三江源地區(qū)局地形成的弱對流云開展研究，分析其形成的天氣背景場，地形熱力、動力作用對其形成的影響，以及降水產(chǎn)生的物理機制。

由于三江源地區(qū)特殊的自然環(huán)境，常規(guī)氣象觀測站點稀疏，前述研究采用的常規(guī)氣象資料、雷達衛(wèi)星資料、再分析資料因其分辨率等原因很難滿足局地熱對流云的研究需要。在中國氣象局西北人影工程項目的支持下，中國科學院大氣物理研究所聯(lián)合青海省人影辦在三江源地區(qū)增設(shè)了X波段雙偏振多普勒雷達，針對高原局地熱對流云開展觀測。本文首先介紹了試驗概況、觀測設(shè)備及數(shù)據(jù)處理方法，然后利用X波段雙偏振雷達體掃數(shù)據(jù)對某日局地生成高原熱對流云的移動特點、宏微觀特征進行分析，研究其物理機制，同時將衛(wèi)星觀測對流云特征與雷達回波進行對比，分析二者的時間空間一致性和差異。

1 試驗地點、觀測設(shè)備和數(shù)據(jù)

1.1 試驗地點和設(shè)備

本試驗的觀測地點選擇易出現(xiàn)局地熱對流云的三江源地區(qū)澤庫縣，該地區(qū)平均海拔高度3600 m（圖1），北部的雜瑪日崗山海拔最高（4971 m）。試驗區(qū)以X-波段雙偏振多普勒雷達站（35°N，101.49°E，海拔3623 m）為中心，澤庫國家級地面氣象站（站號：52968）位于其西北向4 km，包括地面溫度、壓強、相對濕度、風向風速、降水量等常規(guī)氣象要素的觀測。試驗區(qū)還分布了79個自動氣象站，觀測常規(guī)地面氣象要素。

圖1 （a）試驗區(qū)地形分布圖（五角星代表雷達站位置，紅圈為雷達半徑50km范圍）；（b）714XDP車載X波段雙偏振多普勒雷達Fig. 1 (a) Topographic distribution in experimental area(star denoting radar station and red circle denoting aradius of 50 km);(b) 714XDP on-board X-band dual-polarization doppler radar

利用714XDP車載X波段雙偏振多普勒雷達（簡稱“714XDP雷達”）對三江源地區(qū)局地熱對流云開展觀測。該雷達波長較常規(guī)S、C波段業(yè)務雷達更短，因此更易捕捉云系弱回波，它的有效探測范圍為100 km。714XDP雷達采用固態(tài)發(fā)射機，具有同時發(fā)射和接收水平、垂直方向偏振波的能力，可探測得到基本反射率（

Z

）、多普勒速度（

V

）、譜寬（

S

）、差分反射率（

Z

）、差分傳播相移（

Φ

）、差分傳播相移率（

K

）和零滯后互相關(guān)系數(shù)（

ρ

）等回波物理量，用于分析云系宏微觀特征。714XDP雷達具有平面-位置掃描（PPI）、距離-高度掃描（RHI）、體掃（VOL）和扇掃（SEC）四種掃描方式。具體性能參數(shù)見表1。

表1 714XDP車載X波段雙偏振多普勒雷達主要性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of 714XDP on-boardX-band dual-polarization doppler radar

1.2 觀測數(shù)據(jù)和處理方法

2019年8月1日—9月8日利用714XDP雷達對以雷達站為中心半徑100 km區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的對流云進行連續(xù)體掃觀測（垂直12層或14層），記錄對流云初始回波出現(xiàn)的時間、位置，并進行編號。

基于714XDP雷達體掃基數(shù)據(jù)采用風暴單體識別與跟蹤算法（SCIT），首先根據(jù)選定的反射率閾值進行水平識別，形成二維閉合單元，然后沿垂直方向上進行識別，形成三維單元體，并進行標識；根據(jù)特征相似、距離優(yōu)先、最大速度限制等原則對連續(xù)體掃中識別的回波單元進行追蹤，用相對于雷達站的方位角和徑向距離標記各時次回波位置，記錄對流云回波初生、發(fā)展、成熟、消散過程和移動路徑。

回波識別標準如下：強中心第一次出現(xiàn)大于15 dBz回波認為云體初生，大于15 dBz的回波消失認為云體消散。成熟階段強中心回波強度大于30 dBz認為是對流云，并利用體掃數(shù)據(jù)選擇15 dBz作為閾值確定回波頂高。

利用714XDP雷達體掃基數(shù)據(jù)計算熱對流云的回波頂高、最大回波強度、強回波所在高度、垂直積分液水含量；對各熱對流云持續(xù)時間、最大回波強度、最大回波頂高、強回波所在高度等發(fā)展演變特征進行統(tǒng)計分析；另一方面利用各雷達回波物理量如基本反射率、差分反射率、相關(guān)系數(shù)、差分傳播相移率等識別熱對流云各高度層粒子相態(tài)。

同時，收集雷達觀測期間風云4A（簡稱“FY-4A”）衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，利用FY-4A多通道掃描成像輻射計（簡稱“AGRI”）L1數(shù)據(jù)計算可見光通道云反射率和云頂有效粒子半徑，與714XDP雷達觀測熱對流云回波物理量進行對比。

2 初步分析結(jié)果

2.1 天氣背景分析

8月9日14時（北京時，下同）亞歐天氣圖上，500 hPa中高緯為兩槽兩脊的天氣形勢，588線位于青海省西南部，青海東部受反氣旋西北氣流控制，有冷平流沿西北氣流下滑；700 hPa青海省位于高溫高壓中心邊緣，試驗區(qū)有暖平流（圖2），高低空配置為對流形成提供了一定的動力條件。結(jié)合8月9日08時西寧站探空（圖3），500～700 hPa溫度和露點溫度隨高度升高而降低，600 hPa以下相對濕度較大，說明試驗區(qū)具備對流形成的熱力不穩(wěn)定條件。

圖2 2019年8月9日14時500hPa（a）和700hPa（b）亞歐天氣圖（等值線：位勢高度/gpm，填色：溫度/℃，黑色矩形框：關(guān)注區(qū)域）Fig. 2 Asia-Europe synoptic situation of 500 hPa (a) and 700 hPa (b) (contour line: geopotential height, gpm, coloring:temperature，unit: ℃, black rectangle: area of interest) at 14:00 BT on 9 August 2019

圖3 2019年8月9日08時西寧站探空（實線：溫度/℃，虛線：露點溫度/℃）Fig. 3 Radiosonde observation (solid line: temperature/℃,dashed line: dew point temperature/℃) at Xining station at08:00 BT on 9 August 2019

分析8月9日青海省各高度層相對濕度分布，08—14時試驗區(qū)500 hPa相對濕度由30%～40%增大至70%～80%，試驗區(qū)600 hPa相對濕度由50%～60%減小至30%～40%。說明午后試驗區(qū)低層相對濕度減小，中層相對濕度增加。

8月9日14時，試驗區(qū)700 hPa和600 hPa輻合，500 hPa和400 hPa輻散，700 hPa輻合較強，500 hPa輻散較強。輻合層和輻散層間厚度較小，可能導致垂直上升運動發(fā)展受限，對流云厚度較小。

綜合上述分析，8月9日試驗區(qū)具備對流形成的天氣條件和局地不穩(wěn)定條件，但低層的水汽條件轉(zhuǎn)差，不利于對流性降水的維持，且中尺度輻合輻散層間厚度較小，不利于對流的垂直發(fā)展。

2.2 局地熱對流云回波移動及宏微觀特征研究

8月8日試驗區(qū)有系統(tǒng)性降水過程，區(qū)域內(nèi)9個地面氣象站平均日降水量為7.14 mm。9日上午太陽輻射較強，結(jié)合天氣背景分析和西寧站探空，試驗區(qū)具有對流形成的動力條件、熱力不穩(wěn)定條件、一定的水汽條件，16：00起雷達站西面、北面的山地出現(xiàn)較明顯的熱對流云。

基于714XDP雷達體掃觀測數(shù)據(jù)對8月9日熱對流云回波進行人工識別追蹤，結(jié)合地形分布進行分析（圖4），回波生成源地海拔高度約3400～4400 m，多數(shù)為山地迎風坡，回波移動方向為自西北向東南，與地形的走向呈90°或150°夾角（順時針方向），與試驗區(qū)500 hPa流場方向基本一致。

圖4 2019年8月9日基于雷達觀測的對流云回波移動軌跡Fig. 4 Moving track of convective clouds based on radarobservation on 9 August 2019

8月9日16—20時共有9個熱對流云回波生成，從雷達回波組合反射率看，熱對流云回波直徑＜10 km。利用714XDP雷達體掃基數(shù)據(jù)計算回波物理量（表2），最大回波強度在30～48dBz，最大回波頂高4～5km（此處以及后面提到的高度均為距地面的高度），同利用C波段連續(xù)波雷達得到的“高原夏季淺薄對流回波頂平均高度為5 km”結(jié)論較一致；強回波所在高度為2～4 km，垂直積分液水含量小于1 kg/m；大部分回波移速較快（＞35 km/h），持續(xù)時間30～90 min。

表2 2019年8月9日對流云回波移動演變特征統(tǒng)計表Table 2 Moving and development characters of convectiveclouds radar echo on 9 August 2019

結(jié)合2.1節(jié)天氣背景分析9日局地熱對流云回波的宏觀特征，回波垂直發(fā)展高度較小，應是由前述“垂直上升運動受限”造成；根據(jù)探空可知試驗區(qū)零度層高度約1.2 km，強回波所在高度說明冷云過程是高原熱對流云的主要形成機制，戴進等分析高原雷暴弱降水也得出相同結(jié)論；前面分析認為14時試驗區(qū)中層水汽條件轉(zhuǎn)好，低層水汽條件轉(zhuǎn)差，因此計算的回波垂直積分液水含量較小。由于存在上述不利條件，導致熱對流云水平尺度較小，多數(shù)最大回波強度小于40 dBz，持續(xù)時間也相對較短。

選擇8月9日較典型的山地迎風坡生成熱對流云回波（表2中的2號回波）進行具體分析（圖5）。16：14，初始回波強度較?。?6 dBz），所在高度約3 km，與劉黎平等分析得出的那曲地區(qū)2014年夏季積云特征比較一致；12 min后（16：26）出現(xiàn)30 dBz的回波中心，回波頂高達到4 km，強回波所在高度＞3 km，說明此時回波處于發(fā)展階段；16：32回波強度繼續(xù)增加，表現(xiàn)為兩個回波中心，東側(cè)回波頂高＞西側(cè)；16：39回波強度達到最大（＞36 dBz，東側(cè)稍＞西側(cè)），強回波所在高度降至2～3 km，回波頂高降至3～4 km；16：45表現(xiàn)為一個回波中心，結(jié)合地形此時回波移至山地背風坡；下一時刻回波強度明顯減?。s30 dBz），強回波所在高度和回波頂高均減小，說明熱對流云進入減弱階段；之后回波持續(xù)減弱到17：03，與東側(cè)局地生成回波相互影響，回波強度稍有增加，但持續(xù)時間較短；17：21回波減弱消散。綜合上述分析，該熱對流云回波頂高和強回波所在高度先發(fā)展至最大，然后回波強度增至最大值，說明該熱對流云發(fā)展過程動力抬升起主要作用，不排除地形抬升對其發(fā)展的促進作用。

圖5 2019年8月9日16：14（a）、16：26（b）、16：39（c）、16：51（d）、17：03（e）、17：15（f）雷達回波組合反射率（黑圈內(nèi)為2號熱對流云回波）Fig. 5 Composite reflectivity of radar echoes at 16:14 (a), 16:26 (b), 16:39 (c), 16:51 (d), 17:03 (e), and 17:15 (f) BT on9 August 2019 (No.2 radar echoes within black circle)

基于

Z

、

Z

、

ρ

和

K

四個偏振物理量，同時考慮粒子相態(tài)存在的溫度條件，利用模糊邏輯算法對熱對流云發(fā)展階段各高度層粒子相態(tài)進行識別。初生階段（16：14—16：20）回波所在高度約3 km，對應層粒子相態(tài)以冰晶和霰或小雹為主，少量為過冷水；16：26—16：32回波處于發(fā)展階段，判斷中上層（2.7～3.3 km）粒子相態(tài)為冰晶和過冷水，以及少量霰或小雹，說明此時具備冰相粒子形成和增長的條件；16：39中上層（6.4°仰角）識別粒子相態(tài)同前一時次（圖6a），稍高于零度層（4°仰角層）識別粒子相態(tài)為霰或小雹、過冷水以及少量濕雪（圖6b），零度層以下（2.4°仰角）識別粒子相態(tài)為濕雪、中雨和毛毛雨（圖6c），說明開始形成降水粒子。16：45—16：51強回波所在高度層粒子相態(tài)識別為冰晶和過冷水，說明熱對流云成熟階段仍有一定過冷水；17：03零度層以上（1.5 km）回波粒子相態(tài)識別為霰或小雹、冰晶，說明過冷水減少；到17：09，受附近回波影響，零度層以上（5.1°仰角）識別粒子相態(tài)為冰晶、干雪和過冷水（圖6d），零度層以下（2.3°、1.8°仰角）識別粒子相態(tài)為濕雪、中雨、毛毛雨（圖6e和6f），應該主要是由上層冰相粒子下落融化形成。通過上述各階段粒子相態(tài)的識別分析，進一步驗證了熱對流云通過冷云冰相過程形成降水粒子，其發(fā)展成熟階段有一定過冷水。

圖6 基于雷達回波物理量的各高度層相態(tài)識別（a）16：396.4°仰角；（b）16：394.0°仰角；（c）16：392.4°仰角；（d）17：095.0°仰角；（e）17：092.3°仰角；（f）17：091.8°仰角（虛線圈內(nèi)為較強回波區(qū)）Fig. 6 Hydrometeor identification of PPI with different elevations based on radar physical parameters(a)16:39 BT elevation of 6.4°, (b) 16:39 BT elevation of 4.0°, (c) 16:39 BT elevation of 2.4°, (d) 17:09 BT elevation of 5.0°, (e) 17:09 BT elevation of 2.3°, (f) 17:09 BT elevation of 1.8° ( stronger radar echoes in dotted line area)

綜上得出，9日局地生成熱對流云回波移動方向為自西北向東南，與地形的走向呈90°或150°夾角（順時針方向），與試驗區(qū)500 hPa流場方向基本一致；其宏觀特征表現(xiàn)為水平尺度較小，回波強度多＜40 dBz，最大回波頂高4～5 km，強回波所在高度2～4 km，垂直積分液水含量＜1 kg/m，與前述天氣背景分析相呼應；大部分回波移速較快（＞35 km/h），持續(xù)時間30～90 min。對典型局地熱對流云個例的回波生消演變進行分析，熱對流云回波頂高和強回波所在高度先發(fā)展至最大，然后回波強度增至最大值，說明該熱對流云發(fā)展過程動力抬升起主要作用；通過其各階段粒子相態(tài)的識別分析，進一步驗證了局地熱對流云通過冷云冰相過程形成降水粒子，其發(fā)展成熟階段有一定過冷水。

2.3 FY-4A衛(wèi)星觀測反演產(chǎn)品與雷達回波對比

可見光反射率主要反映云的光學厚度（是指云系在整個路徑上的消光總和），云光學厚度越大，反射率就越大。本文用可見光反射率（＞0.4）為閾值判別對流單體。云粒子有效半徑（

Re

）是指假設(shè)云層水平均一且較厚的條件下云頂粒子的有效半徑，可用于進行云中平均粒子大小的判斷，反映云發(fā)展旺盛的程度。對正在發(fā)展的對流云而言，云發(fā)展得越高，

Re

越大，當達到一個閾值（14 μm）時，云中可產(chǎn)生降水性粒子。將F Y-4 A衛(wèi)星觀測反演對流云特征與前述714XDP雷達觀測熱對流云回波進行點對點對比研究。由前述分析9日16：45編號為2的熱對流云回波較前一時刻回波強度減?。ɑ夭◤姸葹?6 dBz，所在高度為2.2 km），西側(cè)同時有局地生成回波發(fā)展，其最大回波強度（38 dBz）和強回波所在高度（3.2 km）均大于2號回波，之后西側(cè)回波短暫加強，而2號回波持續(xù)減弱（圖7a）。對應時刻的衛(wèi)星可見光反射率圖上（圖7b），只在西側(cè)回波對應位置有可見光反射率大于0.4的像素點。對于衛(wèi)星反演

Re

（圖7c），同樣只在西側(cè)回波對應位置有大于18 μm的像素點。

圖7 2019年8月9日16：45雷達回波組合反射率（a）、可見光通道反射率（b）和云粒子有效半徑（c）Fig. 7 Composite reflectivity of radar echoes (a), reflectivity of visible channel (b), and effective particle radius of cloudtop (c) at 16:45 BT on 9 August 2019

17：03編號為2的熱對流云回波強度持續(xù)減?。▓D8a），最大回波強度和強回波所在高度均是東側(cè)大于西側(cè)。對應時刻衛(wèi)星可見光反射率圖（圖8b），相應位置有可見光反射率大于0.6和0.7的像素點，且東側(cè)大于西側(cè)。對于衛(wèi)星反演

Re

（圖8c），相應位置出現(xiàn)大于14 μm和小于16 μm的像素點，且東側(cè)大于西側(cè)。

圖8 2019年8月9日17：03雷達回波組合反射率（a）、17：00可見光通道反射率（b）和云粒子有效半徑（c）Fig. 8 Composite reflectivity of radar echoes at 17:03 BT (a) and reflectivity of visible channel (b), effective particle radiusof cloud top (c) at 17:00 BT on 9 August 2019

綜合上述分析，衛(wèi)星可見光反射率是自上而下得到整層云的光學厚度，雷達是自下而上對云體的觀測，此外對流云發(fā)展過程可能伴隨垂直切變，云體存在傾斜，所以前述分析組合反射率的大值（較弱）中心對應的可見光反射率較?。ㄝ^大），且位置可能存在偏差。衛(wèi)星反演Re代表云發(fā)展的旺盛程度和云頂粒子的大小，所以當雷達回波較強或強回波所在高度較高時，對應像素點的Re也較大，二者比較一致。

此處只是對一個典型個例進行對比分析，后續(xù)可通過更多個例研究衛(wèi)星可見光反射率對局地熱對流云的預報指示作用，驗證衛(wèi)星反演Re與回波發(fā)展程度的一致性。

3 結(jié)論

本文基于青海三江源地區(qū)714XDP雷達體掃觀測數(shù)據(jù)分析研究高原局地熱對流云的宏微觀特征，同時將觀測期間FY-4A衛(wèi)星反演產(chǎn)品與熱對流云回波進行點對點對比，分析探討兩者的異同。主要結(jié)論如下：

1）2019年8月9日試驗區(qū)天氣背景、相對濕度分布及溫濕度層結(jié)為局地熱對流云的形成提供了動力條件、熱力條件和一定的水汽條件。

2）局地熱對流云回波的識別追蹤顯示，多數(shù)高原熱對流云形成于山地迎風坡一側(cè)，回波移動方向為自西北向東南，與地形的走向呈90°或150°夾角（順時針方向），與試驗區(qū)500 hPa流場方向基本一致，多數(shù)回波移速＞35 km/h。

3）歸納總結(jié)高原局地熱對流云的宏觀物理特征，最大回波強度多為30～40dBz，最大回波頂高4～5 km；強回波所在高度為2～4 km，主要為冷云過程，垂直積分液水含量＜1 kg/m；由于天氣背景存在不利條件，所以9日觀測到的高原局地熱對流云垂直發(fā)展不高，回波強度較小，持續(xù)時間較短。

4）具體分析一個典型局地熱對流云回波的發(fā)展演變，回波生成于山地迎風坡，發(fā)展階段持續(xù)25 min，回波頂高和強回波所在高度先發(fā)展至最大，然后回波強度增至最大值，說明有利的動力、熱力條件促進高原熱對流云的形成。對各發(fā)展階段進行粒子相態(tài)識別分析認為該熱對流云發(fā)展成熟階段零度層以上以冰晶、過冷水、霰或小雹為主。

5）由于衛(wèi)星與雷達對云觀測方式的差異，加上對流云發(fā)展過程云體可能存在傾斜，所以衛(wèi)星反演可見光反射率較大的像素點對應的回波強度較小，且位置存在偏差；衛(wèi)星反演Re較大（＞16 μm）的像素點與回波強度較大或強回波所在高度較高的位置較一致。

致謝：三江源地區(qū)局地熱對流云觀測是西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項目（ZQC-R18209）外場試驗的組成部分，在此感謝項目組、青海省人影辦對外場觀測試驗的支持、組織和配合。