黃鈺 郭學(xué)良 羅秀明 陳羿辰 張邢 杜遠(yuǎn)謀 劉海龍

1 北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089

2 云降水物理研究與云水資源開發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100089

3 中國(guó)氣象局華北云降水野外科學(xué)試驗(yàn)基地，北京 100089

4 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

5 廣德市氣象局，安徽廣德 242200

6 95820 部隊(duì)飛行管制室，北京102211

1 引言

云中動(dòng)力和微物理參數(shù)是描述中小尺度大氣狀態(tài)的關(guān)鍵要素之一，主要包括空氣垂直速度、雨滴下落末速度、云液態(tài)水含量、云水混合比、雨水混合比、水汽混合比等，這些重要參量由傳統(tǒng)的探測(cè)手段無(wú)法直接探測(cè)獲得，一般都是通過(guò)對(duì)遙感資料進(jìn)行反演（傅云飛, 2014）或者通過(guò)數(shù)值模式模擬（黃鈺等, 2020）獲得。

隨著雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量云參數(shù)反演的研究（Frisch et al., 1995; Shupe et al., 2008; Rémillard et al., 2013）。Gossard（1994）、Gossard et al.（1997）用多普勒雷達(dá)提取了降水云滴譜的分布形式，進(jìn)行了GAMMA 擬合，并進(jìn)一步獲得了下落速度、液水含量、中值半徑等云微物理結(jié)構(gòu)信息，針對(duì)一次夏季較強(qiáng)降水個(gè)例，用一系列敏感性試驗(yàn)證明了反演的正確性，但沒(méi)獲得更多的云結(jié)構(gòu)信息；Deng and Mace（2006）根據(jù)毫米波云雷達(dá)的一階矩反演云參數(shù)和大氣垂直速度等云宏觀結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)一步反演了卷云中的冰水含量等一系列參數(shù)，利用機(jī)載探測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性，在強(qiáng)對(duì)流天氣中，云雷達(dá)衰減明顯，反演存在局限性；李永平等（2004）基于天氣雷達(dá)的反射率因子進(jìn)行反演獲得云微物理結(jié)構(gòu)變化特征，并用梅雨期一次降水個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明反演合理；劉紅亞等（2007a, 2007b）利用雷達(dá)反射率因子反演得到一系列云水結(jié)構(gòu)參數(shù)和云動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用于典型夏季強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)例中，應(yīng)用模式證明了反演的參數(shù)能有效提高模式效率。天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)垂直精度較低，無(wú)法反演獲得云體精細(xì)結(jié)構(gòu)。劉黎平等（2012）在驗(yàn)證了云雷達(dá)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上針對(duì)夏季弱降水過(guò)程反演了液水含量和雨滴譜等云微物理結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步用機(jī)載探測(cè)的滴譜數(shù)據(jù)驗(yàn)證了反演結(jié)果的正確性，云雷達(dá)由于自身特點(diǎn)，適用于弱降水條件下，在對(duì)夏季較強(qiáng)降水進(jìn)行反演時(shí)，需考慮其局限性。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，許多學(xué)者基于風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR）數(shù)據(jù)高精度、高分辨率、低衰減的特點(diǎn)對(duì)降水云進(jìn)行研究。何平等（2009）認(rèn)為從風(fēng)廓線雷達(dá)信噪比數(shù)據(jù)能反映出降水特征，并能進(jìn)一步研究降水特征；阮征等（2002）對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)定標(biāo)，獲得降水反射率因子、含水量等云體參數(shù)，并獲取三維風(fēng)場(chǎng)隨高度的分布；黃鈺等（2011）通過(guò)風(fēng)廓線雷達(dá)功率譜數(shù)據(jù)對(duì)層狀云降水的融化過(guò)程進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了融化層亮帶的形成和演變機(jī)理；王曉蕾等（2010）對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)降水獲得的信號(hào)進(jìn)行剝離，獲得降水云體的滴譜隨高度分布信息；Williams（2016）在美國(guó)俄克拉荷馬開展的中緯度大陸性對(duì)流云試驗(yàn)（MC3E）中用兩部不同波段的風(fēng)廓線雷達(dá)反演空氣垂直速度和雨滴譜參數(shù)，并進(jìn)一步分析了降水的微物理過(guò)程，研究了層狀云的降水機(jī)制；Ruan et al.（2014）利用剔除了大氣垂直速度的L 波段風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)反演雨滴譜分布，并一步擬合了反演經(jīng)驗(yàn)公式。

北京北部環(huán)山，東南為平原，其降水具有典型的北方夏季降水特征。對(duì)北京夏季降水過(guò)程進(jìn)行垂直綜合觀測(cè)對(duì)于了解北方夏季降水特征進(jìn)而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和提供人工影響天氣作業(yè)決策具有深刻的意義。目前業(yè)務(wù)上多僅使用風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，利用風(fēng)廓線雷達(dá)獲得降水譜參數(shù)并深入分析的研究較少，運(yùn)用多種垂直探測(cè)的儀器對(duì)夏季降水進(jìn)行綜合觀測(cè)并進(jìn)行反演的研究更少，本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)反演了降水云體的大氣垂直速度、雨滴下落末速度等云動(dòng)力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理參數(shù)，并結(jié)合天氣雷達(dá)、L 波段秒探空資料、自動(dòng)站、雨滴譜儀和微波輻射計(jì)等多種數(shù)據(jù)對(duì)2020 年5 月7～8 日發(fā)生在北京市海淀區(qū)的一次夏季降水過(guò)程進(jìn)行垂直綜合觀測(cè)，獲得降水云精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和詳細(xì)演變形勢(shì)，分析了北京夏季降水微物理和垂直動(dòng)力場(chǎng)的主要特征，可用于對(duì)夏季降水的深入研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文所用風(fēng)廓線雷達(dá)資料取自北京市海淀區(qū)，雷達(dá)站址（39.98°N，116.28°E），海拔高度20.40 m。探測(cè)高度150～10110 m，采用5 波束模式進(jìn)行探測(cè)。表1 為風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)表。由于不涉及水平方向，并且根據(jù)反演算法所針對(duì)數(shù)據(jù)的高度和分辨率，本文只取中模式垂直波束數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)表Table1 Parameters of wind profile radar

與常規(guī)天氣雷達(dá)類似，風(fēng)廓線雷達(dá)采用相控陣脈沖多普勒技術(shù)，雖然其波長(zhǎng)比天氣雷達(dá)長(zhǎng)，但是經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的相干積累以及譜變換、譜平均等處理后，雷達(dá)返回信號(hào)的信噪比提高了約40 dB，很大程度地提高了雷達(dá)探測(cè)能力（阮征等, 2002）。利用風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直探測(cè)波束數(shù)據(jù)可以獲得降水云體的垂直結(jié)構(gòu)精細(xì)信息。由于風(fēng)廓線雷達(dá)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于降水粒子直徑，適用瑞利散射條件，可根據(jù)雷達(dá)氣象方程獲得降水云體的反射率因子、徑向速度、譜寬等譜參數(shù)信息，具體如下：

根據(jù)黃鈺等（2011）的方法，對(duì)質(zhì)量控制后的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，可以得到信號(hào)功率譜密度信息Si(v)，i= 0, 1, 2, ···,n，n為變化取樣數(shù)。功率譜密度的零階矩可獲得平均功率Pr：

?v為單位速度間隔。

反射率因子Z（單位：dBZ）為

式中，C為雷達(dá)常數(shù)，根據(jù)雷達(dá)的參數(shù)可以計(jì)算獲得，R是降水粒子距離雷達(dá)的高度。

由信號(hào)功率譜密度的二階中心矩速度可以計(jì)算獲得譜寬 σv，它在一定程度上反映了采樣體積內(nèi)降水粒子的變化范圍，計(jì)算公式為

根據(jù)上述方法獲得反射率因子、垂直徑向速度和譜寬等風(fēng)廓線雷達(dá)譜參數(shù)，可以初步描述測(cè)站上空降水云體的宏觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特征。

圖1 為2020 年5 月7 日20 時(shí)（北京時(shí)，下同）至8 日14 時(shí)在北京市海淀區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)分別用SA 波段常規(guī)多普勒雷達(dá)（后簡(jiǎn)稱SA 雷達(dá)）和WPR 觀測(cè)的反射率因子。目前北京地區(qū)常規(guī)天氣雷達(dá)垂直方向采樣范圍內(nèi)共取9 層探測(cè)數(shù)據(jù)，低層高度間隔約500 m，中、高層間隔2000～3000 m，其余高度進(jìn)行回波插值平滑，由于分辨率太低，雷達(dá)顯示圖形經(jīng)過(guò)多次插值平滑處理，易出現(xiàn)虛假回波，無(wú)法體現(xiàn)真實(shí)細(xì)致的云體垂直結(jié)構(gòu)（蘇德斌等, 2010）。

對(duì)比圖1a、b 可以看出WPR 與SA 雷達(dá)觀測(cè)的降水反射率因子強(qiáng)度大小、位置、演變形勢(shì)對(duì)應(yīng)得很好。SA 雷達(dá)的垂直分辨率低，插值平滑嚴(yán)重，無(wú)法顯示真實(shí)云體的細(xì)致結(jié)構(gòu)；風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)分辨率比天氣雷達(dá)高得多。從圖1b 看出，在3.3 km高度處有一個(gè)明顯的天氣雷達(dá)沒(méi)有觀測(cè)到的亮帶結(jié)構(gòu)，各個(gè)時(shí)刻云體演變信息表現(xiàn)也明顯，可用于降水云的深入觀測(cè)研究。

圖1 2020 年5 月7 日20 時(shí)（北京時(shí)，下同）至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）（a）SA 雷達(dá)、（b）風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR）觀測(cè)的反射率因子時(shí)間序列Fig.1 Time series of reflectivity factor observed by (a) Doppler Radar in SA band, (b) WPR (wind profile radar) at radar station (39.98°N, 116.28°E)in Haidian District of Beijing from 2000 BJT (Beijing time) 7 May 2020 to 1400 BJT 8 May 2020

基于風(fēng)廓線雷達(dá)獲得的反射率因子，根據(jù)劉紅亞等（2007a）提出的反射率因子反演方案，進(jìn)一步反演降水云參數(shù)，本文中垂直速度向下為正、向上為負(fù)。

根據(jù)Marshal-Palmer 雨滴尺度分布關(guān)系（Sun and Crook, 1997）、一 維 定 常 假 設(shè)（胡 志 晉 等,1996）和 暖 云 方 案（Kessler, 1969; Miller and Pearce, 1974; 胡志晉和嚴(yán)采蘩, 1987; 陶祖鈺和謝安,1989），通過(guò)下列公式可獲得雨水混合比qr（單位：g/kg）：

雨滴下落末速度vr（單位：m/s）：

水汽混合比qv（單位：g/kg）：

空氣垂直速度w（單位：m/s）和云水混合比qc（單位：g/kg），則由方程

迭代算出，氣壓p（單位：hPa）、地面氣壓p0（單位：hPa）、溫度T（單位：K）來(lái)自于L 波段探空資料， ρ為空氣密度（單位：kg/m3）。

3 降水結(jié)果分析

受東移高空槽的影響，2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日13 時(shí)北京出現(xiàn)一次降水過(guò)程。圖2 為SA雷達(dá)觀測(cè)到的組合反射率因子PPI 演變圖，箭頭所指位置為風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)。7 日20 時(shí)站點(diǎn)位于主體回波邊緣，降水開始，8 日01～03 時(shí)站點(diǎn)位于穩(wěn)定回波強(qiáng)值區(qū)內(nèi)，為降水較強(qiáng)時(shí)段，8 日06 時(shí)以后主體回波逐漸移出站點(diǎn)，10 時(shí)以后降水逐漸停止。此次過(guò)程北京北部降水整體較弱，隨時(shí)間變化不劇烈，風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)雖然位于回波邊緣，但基本能代表此次降水天氣過(guò)程特征，如圖2 所示，風(fēng)廓線雷達(dá)處于較弱回波之中，最強(qiáng)回波＜25 dBZ。

海淀區(qū)自動(dòng)站（位于風(fēng)廓線雷達(dá)站內(nèi)）小時(shí)累積降水量和氣溫變化圖（圖3）顯示，海淀站點(diǎn)的地面降水從7 日20 時(shí)開始，剛開始降水量較小，小時(shí)平均降水量均＜0.5 mm/h，8 日02 時(shí)降水量達(dá)到最大值，為1.4 mm/h，之后降水量基本維持穩(wěn)定，平均降水量為0.8 mm/h，8 日10 時(shí)以后降水結(jié)束。降水開始后氣溫由17°C 降低，降水較強(qiáng)時(shí)段氣溫降到最低為13.5°C，降水減弱、結(jié)束后，溫度逐漸回升至15°C。

圖3 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)自動(dòng)站（39.98°N，116.28°E）小時(shí)降水量（單位：mm）、溫度（單位：°C）的時(shí)間演變Fig.3 Time evolution of hourly precipitation (units: mm) and temperature (units: °C) observed by automatic weather station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

從風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)圖（圖4）上可以看出，整個(gè)降水時(shí)期低層基本為偏東風(fēng)，高層偏西風(fēng)，4300 m 高度存在一個(gè)水平風(fēng)的垂直切變，8 日09時(shí)以后水平風(fēng)的垂直切變消失，降水逐漸停止。7日20 時(shí)至22 時(shí)，低層（3000 m 以下）由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，7 日22:30 左右3000 m 高度以下存在水平風(fēng)切變，降水發(fā)展；8 日01～02 時(shí)，中層（1000～2500 m）水平風(fēng)較小，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，降水達(dá)到最大值；03 時(shí)以后中低層高度（4000 m 以下）水平風(fēng)速逐漸加大，降水維持穩(wěn)定并逐漸減小?？傮w來(lái)說(shuō)，4 km 高度附近的水平風(fēng)垂直切變貫穿整個(gè)降水過(guò)程，低層水平風(fēng)切變是前期對(duì)流發(fā)展的原因，后期偏東風(fēng)加強(qiáng)且4 km 高度的水平風(fēng)垂直切變消失后，降水逐漸減弱并趨于結(jié)束。

圖4 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的水平風(fēng)矢量Fig.4 Horizontal wind vectors observed by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

圖5 為風(fēng)廓線雷達(dá)反射率因子。與降水量變化相對(duì)應(yīng)，回波顯示降水從7 日20 時(shí)開始，隨后發(fā)展，較強(qiáng)回波（10 dBZ）頂高從2.7 km 升到3.3 km，01～03 時(shí)回波最強(qiáng)，3.3 km 高度開始出現(xiàn)零度層亮帶，回波最強(qiáng)核25 dBZ，較強(qiáng)回波頂高＞4.5 km，8 日10 時(shí)降水結(jié)束。

圖5 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的反射率因子時(shí)間序列Fig.5 Time series of reflectivity factor by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

根據(jù)黃鈺等（2015）夏季降水分類方案，首先確定雨頂高度（＞20 dBZ）及其與0°C 高度對(duì)比將降水分為冷雨或暖雨，然后基于融化層附近的反射率因子（是否＞38 dBZ）和垂直速度值（是否＞1 m/s）及其梯度變化情況[反射率梯度＜?1 dBZ(120 m)?1，速度梯度＞0.2 m/s (120 m)?1]，判斷是否存在對(duì)流或零度層亮帶等來(lái)對(duì)降水進(jìn)行分類。此次降水反射率因子＜38 dBZ，融化層附近反射率因子 梯 度 為5 dBZ(120 m)?1，速 度 梯 度 為0.2 m/s(120 m)?1，存在零度層亮帶，考慮持續(xù)時(shí)間等因素，總體過(guò)程主要為層狀云降水類型。降水可分為兩個(gè)階段，前期（7 日20 時(shí)至8 日02 時(shí)）低層存在淺對(duì)流結(jié)構(gòu)（后文稱為前期對(duì)流階段），5 dBZ回波高度接近7.5 km，較強(qiáng)回波（最大值25 dBZ）位于較低高度（2.7 km 以下）且分布范圍較廣，02時(shí)3.3 km 高度出現(xiàn)對(duì)流核（最大值30 dBZ）后，后期（8 日02～10 時(shí)）轉(zhuǎn)為典型層狀云型降水（后文稱為后期層狀云階段），回波強(qiáng)值高度（20 dBZ）亮帶出現(xiàn)在較高高度（3 km 以上），隨著降水減弱其回波強(qiáng)值減弱（20 dBZ減小為10 dBZ），高度也從3.3 km 降到3 km。

圖6 為云頂高度、反射率因子分檔統(tǒng)計(jì)和各階段反射率因子平均值。云頂高度基本在7～9 km，前期低層弱對(duì)流降水階段（7 日20 時(shí)至8 日02 時(shí)）云頂較高，整體變化不大，平均云頂高度為8207 m；后期層狀云降水階段（8 日02～10 時(shí)）整體云頂高度較低，其中前期對(duì)流核階段（01～03 時(shí)）云頂高度平均值為7343 m，隨后逐漸上升，09 時(shí)接近9 km，整個(gè)層狀云降水階段的平均云頂高度為7831 m。

對(duì)幾個(gè)典型階段的降水回波進(jìn)行平均和分檔統(tǒng)計(jì)，整個(gè)階段平均回波趨勢(shì)如圖6c 黑線所示，整體回波平均值呈現(xiàn)層狀云特點(diǎn)，最大值（12.8 dBZ）出現(xiàn)在3150 m 高度處（亮帶），1.5～2.7 km 隨高度變化不大，維持在12 dBZ，3.1 km 以上隨著高度升高，回波值變小，4.5 km 處回波值降到5 dBZ。主要回波在0～10 dBZ和10～20 dBZ，分別占47%和46%；其余的分布在20～30 dBZ和?10～0 dBZ，分別僅占4%和3%。

前期低層弱對(duì)流降水階段（7 日20 時(shí)至8 日02 時(shí)），回波的平均廓線（圖6c 橙線）顯示較強(qiáng)回波出現(xiàn)在2 km 左右的較低高度，最大值為16 dBZ，2.2 km 高度以上隨高度升高回波值減小，4.5 km 高度降為8 dBZ。回波主要為10～20 dBZ，占52%，其次為0～10 dBZ，占38%，＞20 dBZ的占9%。后期層狀云降水時(shí)期（8 日02～10 時(shí)）平均值（圖6c藍(lán)線）在2500～3500 m 高度處出現(xiàn)，由于亮帶形成的回波增大，最大值（12 dBZ）位于3030 m 高度上，整體平均回波較前期的弱，0～10 dBZ的回波占58%，10～20 dBZ的回波占39%，?10～0 dBZ占5%，＞20 dBZ的回波幾乎沒(méi)有。這種平均回波趨勢(shì)在前期低層弱對(duì)流降水轉(zhuǎn)化為后期典型層狀云降水的初期對(duì)流核階段（8 日01～03 時(shí)圖6c 紅線）就顯現(xiàn)出，不過(guò)對(duì)流核階段平均值整體較強(qiáng)，最大值22 dBZ，10～20 dBZ的回波比例較高，占75%，這是因?yàn)檫@時(shí)期還有對(duì)流降水特性。

圖6 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日12 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的（a）云頂高度、（b）反射率因子分檔比例、（c）反射率因子平均值Fig.6 (a) Height of cloud top, (b) reflectivity factor ratio at each stage, (c) average reflectivity factor at each stage by WPR at radar station (39.98°N,116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1200 BJT 8 May 2020

此次個(gè)例為層狀云降水，主要回波在0～20 dBZ，前期降水低層存在弱對(duì)流結(jié)構(gòu)，云頂較高（平均高度8207 m），較強(qiáng)回波10～20 dBZ的比重較大，回波強(qiáng)值出現(xiàn)在2 km 左右的較低高度，隨高度上升逐漸減?。缓笃谵D(zhuǎn)為典型層狀云降水，云頂較低（平均高度7831 m），較弱回波＜10 dBZ的比重較大，且在3100 m 高度附近出現(xiàn)亮帶的強(qiáng)值中心。

圖7 為地面雨滴譜儀（與風(fēng)廓線雷達(dá)位于同一站點(diǎn)）觀測(cè)的雨滴數(shù)濃度、雨強(qiáng)和滴譜分布時(shí)間序列，雨滴數(shù)濃度與滴譜分布峰值正相關(guān)，雨強(qiáng)和滴譜粒徑大小正相關(guān)。從圖7c 中可以看出此次降水整體滴譜分布值較小，粒徑尺寸較小，大部分滴譜粒直徑＜2 mm，兩個(gè)階段粒子滴譜分布形式區(qū)別也較明顯。前期低層存在對(duì)流結(jié)構(gòu)，降水粒徑分布范圍較窄，粒子小，大部分降水粒子直徑＜1 mm，雨強(qiáng)比后期的小，最大值0.25 mm/h，但滴譜值大，粒子譜型在0.5～0.9 mm 達(dá)到峰值，為26305 m?3，出現(xiàn)在22:23 時(shí)刻，與圖5 中2.1 km 高度的反射率因子強(qiáng)值時(shí)刻相對(duì)應(yīng)；后期降水轉(zhuǎn)為典型層狀云降水，滴譜粒徑分布范圍逐漸展寬，粒子變大，分布范圍變?yōu)?.7～1.6 mm，整體滴譜值減小，峰值降到＜3000 m?3，但雨強(qiáng)值整體增大，最大值0.45 mm/h；8 日09:30 以后降水趨于結(jié)束，滴譜分布減弱趨于零。

圖7 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)雨滴譜儀（39.98°N，116.28°E）觀測(cè)的（a）總的粒子數(shù)濃度（Nt）、（b）雨強(qiáng)（R）、（c）滴譜時(shí)間序列。圖c 中的N 和D 分別表示粒子數(shù)濃度和直徑Fig.7 Time series of (a) particle number total concentration (Nt), (b) rain rate, (c) size spectrum observed by disdrometer (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020. In Fig.7c, N and D represent number concentration and diameter of particle, respectively

微波輻射計(jì)（與風(fēng)廓線雷達(dá)位于同一站點(diǎn)，圖8）各參數(shù)可看出，整個(gè)降水時(shí)段4.5 km 高度以下相對(duì)濕度接近飽和，4.5 km 以上相對(duì)濕度值迅速減小，9 km 處相對(duì)濕度趨于0。兩個(gè)階段的水汽場(chǎng)分布區(qū)別也比較明顯，7 日20 時(shí)至8 日01 時(shí)2～3 km高度出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的暖平流，同一時(shí)段此高度上液態(tài)水含量和水汽密度也持續(xù)較高，液態(tài)水范圍2～4 g m?3，水汽范圍30～40 g m?3，最大值分別為4.8 g m?3和42 g m?3，都出現(xiàn)在對(duì)流核形成的8日01 時(shí)左右。8 日01 時(shí)之后，低層暖平流逐漸減弱，2～3 km 高度持續(xù)維持的液態(tài)水含量和水汽密度高值區(qū)也逐漸消失，值較對(duì)流降水時(shí)期小了一量級(jí)。

圖8 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)微波輻射計(jì)（39.98°N，116.28°E）觀測(cè)的（a）液態(tài)水含量（單位：g m?3）、（b）水汽密度（單位：g m?3）、（c）溫度（單位：°C）、（d）相對(duì)濕度的時(shí)間序列Fig.8 Time series of (a) liquid water content (units: g m?3), (b) vapor density (units: g m?3), (c) temperature (units: °C), (d) relative humidity observed by microwave radiometer (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

根據(jù)第2 節(jié)描述的方法對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得云參數(shù)時(shí)間序列（圖9），分別為雨水混合比、云水混合比、雨滴下落末速度和垂直速度。對(duì)比圖9 和圖5 可以看出，雨水、云水、雨滴末速度和垂直速度時(shí)空分布趨勢(shì)與反射率因子變化正相關(guān)，隨著反射率因子的增長(zhǎng)，各物理量值迅速增大。強(qiáng)度10 dBZ的回波對(duì)應(yīng)的雨水混合比約為0.015 g/kg，云水混合比約為0.1 g/kg，雨滴下落末速度在3.2 m/s左右，垂直速度±0.1 m/s 之間；強(qiáng)度20 dBZ的回波對(duì)應(yīng)的雨水混合比約為0.15 g/kg，云水含混合比約為1.8 g/kg，雨滴下落末速度在3.6 m/s 左右，垂直速度±0.8 m/s 之間。

圖9 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日14 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）風(fēng)廓線雷達(dá)反演的（a）雨水混合比（單位：g/kg）、（b）云水混合比（單位：g/kg）、（c）雨滴下落末速度（單位：m/s）、（d）垂直速度（單位：m/s）時(shí)間序列Fig.9 Time series of (a) rain water mixing ratio (units: g/kg), (b) cloud water mixing ratio (units: g/kg), (c) droplet terminal velocity (units: m/s), (d)vertical velocity (units: m/s) from WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

在前期對(duì)流和后期層狀云降水的兩個(gè)階段，各參數(shù)分布也呈現(xiàn)出了明顯的區(qū)別，前期各個(gè)參量值較大，且大值區(qū)的高度分布范圍較廣，在1～3 km高度上都有體現(xiàn)，雨水混合比（qr）在0.02～0.15 g/kg，最大值約0.2 g/kg，位于1.5～2.4 km 高度；云水混合比（qc）主要范圍0.3～1.8 g/kg，最大值約2 g/kg，位置比雨水混合比高，位于2～3 km 高度；雨滴下落末速度（vr）主要在3.2～4.2 m/s，最大值4.4 m/s；大氣垂直速度主要在±0.7 m/s 之間，上升和下沉氣流變換明顯，補(bǔ)充降水所需的水汽和動(dòng)力條件，維持降水發(fā)展。云水含量比雨水高一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且強(qiáng)值高度在雨水強(qiáng)值高度之上，表明了此次過(guò)程雨水很大程度來(lái)源于云水。

后期各參量值變小，且強(qiáng)值范圍分布變窄。雨水混合比在0.01～0.04 g/kg，最大值約0.05 g/kg，比對(duì)流性降水時(shí)期小了一個(gè)量級(jí)；云水混合比主要范圍0.05～0.5 g/kg，最大值約0.8 g/kg，由于降水的消耗，云水混合比減少明顯，比對(duì)流性降水時(shí)期也小了一個(gè)量級(jí)，雨水和云水量級(jí)的變化與微波輻射計(jì)觀測(cè)（圖8）的液態(tài)水含量量級(jí)變化吻合；雨滴下落末速度主要在2.8～3.6 m/s，最大值3.8 m/s；大氣垂直速度也變小，主要在±0.05 m/s 之間，也比前期小了一個(gè)量級(jí)，并且在亮帶高度以下（?2.8～2.5 km）范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯橫向帶狀上升和下沉氣流區(qū)。

8 日11 時(shí)以后降水結(jié)束，雨水混合（qr）比接近0，而云水消耗停止，云水混合比逐漸增大，最大值約1.6 g/kg，這說(shuō)明了此次降水形成可能一大部分來(lái)自于云水轉(zhuǎn)化為雨水。

將降水前后兩個(gè)階段的反演參數(shù)進(jìn)行平均（圖10），后期典型層狀云階段云水混合比（qc）和雨水混合比（qr）平均值隨高度變化趨勢(shì)相近，2.7 km 以下隨高度變化不大，qc值為0.3～0.6 g/kg，qr值為0.007～0.012 g/kg；2.7 km 以上隨高度增大迅速增大，qc值為0.6～1 g/kg，qr值為0.012～0.02 g/kg，同一高度上qc平均值比qr大一個(gè)量級(jí)。前期qc和qr的平均值明顯比后期的大，qc大值區(qū)出現(xiàn)在2.6 km 以上，qc值為1.1～1.4 g/kg；2.6 km以下隨高度變化不明顯，qc值為1.1 g/kg 左右，qr大值區(qū)出現(xiàn)在2～2.3 km 較低高度范圍內(nèi)，qr最大值為0.037 g/kg，同一高度qc平均值也比qr大一個(gè)量級(jí)。

圖10 2020 年5 月7 日20 時(shí)至8 日10 時(shí)北京市海淀區(qū)雷達(dá)站（39.98°N，116.28°E）風(fēng)廓線雷達(dá)反演的降水前期（橙色線）、后期（藍(lán)色線）（a）云水混合比、（b）雨水混合比、（c）雨滴下落末速度、（d）空氣垂直速度的平均值Fig.10 Average of (a) cloud water mixing ratio, (b) rain water mixing ratio, (c) droplet terminal velocity, (d) air vertical velocity at earlier stage(orange lines) and later stage (blue lines) for precipitation observed by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1000 BJT 8 May 2020

兩個(gè)階段雨滴下落末速度（vr）平均值高度廓線變化形式與qc和qr類似，前期vr平均值在2 km以下增大明顯，范圍為3.2～3.6 m/s，2 km 以上保持在3.6 m/s 左右波動(dòng)；后期vr平均值隨高度逐步增大明顯，范圍為3.0～3.6 m/s?？諝獯怪彼俣龋╳）平均值在兩個(gè)階段區(qū)別同樣明顯，層狀云階段2.6 km 以下垂直速度平均值基本在0 m/s，變化不大，而對(duì)流性階段w值變化明顯，w范圍為?0.08～0.06 m/s，上升和下沉氣流變換明顯。

4 結(jié)論與討論

本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)反演了降水云體的垂直速度、雨滴下落末速度等云動(dòng)力場(chǎng)特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理參數(shù)，并結(jié)合天氣雷達(dá)、L 波段秒探空資料、自動(dòng)站、雨滴譜儀和微波輻射計(jì)等多種數(shù)據(jù)對(duì)2020 年5 月7～8 日發(fā)生在北京市海淀區(qū)的一次夏季層狀云降水過(guò)程進(jìn)行垂直綜合觀測(cè)，獲得以下結(jié)論：

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)反演云微物理信息和動(dòng)力參數(shù)結(jié)果合理，配合其他垂直綜合探測(cè)數(shù)據(jù)揭示了一定動(dòng)力條件下北京平原地區(qū)夏季降水不同階段云的垂直演變特征，可用于降水的深入研究。

（2）站點(diǎn)位于降水邊緣，主要為層狀云降水，降水滴譜分布整體粒徑較小，基本＜2 mm，4 km高度的水平風(fēng)垂直切變貫穿整個(gè)降水過(guò)程，低層（2 km）水平風(fēng)切變是前期對(duì)流發(fā)展的原因，后期偏東風(fēng)加強(qiáng)且4 km 高度的水平風(fēng)垂直切變消失后，降水逐漸減弱并趨于結(jié)束。整體回波不強(qiáng)，云頂高度7～9 km，93%的回波值在0～20 dBZ，＞20 dBZ約4%；2～3 km 高度出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的暖平流，云水混合比0.1～2 g/kg，雨水混合比0.01～0.2 g/kg，云水含量比雨水高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且強(qiáng)值高度在雨水強(qiáng)值高度之上，表明了此次降水過(guò)程雨水很大程度來(lái)源于云水。雨滴下落末速度2.8～4.2 m/s，大氣垂直速度在±0.7 m/s 之間。

（3）降水前后兩個(gè)階段特征區(qū)別明顯。前期低層存在淺對(duì)流結(jié)構(gòu)，云頂較高，低層水平風(fēng)切變促進(jìn)了對(duì)流發(fā)展，10～20 dBZ的比重較大，粒子譜較窄但數(shù)濃度值大，雨強(qiáng)較弱，液水和水汽含量高，雨水、云水值較高且強(qiáng)值分布范圍廣，空氣垂直速度比層狀云階段值大了一個(gè)量級(jí)以上，上升、下沉氣流交替明顯，補(bǔ)充降水所需的水汽和動(dòng)力條件，維持降水發(fā)展；后期轉(zhuǎn)為典型層狀云降水，云頂高度下落，＜10 dBZ的比重較大，3100 m 處形成亮帶的強(qiáng)值中心，風(fēng)切變和暖平流消失，粒子譜展寬但數(shù)密度值減小，雨強(qiáng)較強(qiáng)，雨水和云水值比對(duì)流期小了一個(gè)量級(jí)，且強(qiáng)值范圍變窄，垂直速度減小明顯，并且在亮帶附近出現(xiàn)明顯橫向帶狀上升、下沉氣流區(qū)。

本文僅針對(duì)一次夏季降水過(guò)程進(jìn)行分析，下一步計(jì)劃針對(duì)更多典型降水個(gè)例進(jìn)行研究，獲得北京平原夏季降水結(jié)構(gòu)的特征。