基于毫米波云雷达的寒潮过程回波特征分析

胡树贞，陶 法，张雪芬，王志成

(中国气象局气象探测中心，北京 100081)

0 引言

寒潮是中国北方地区冬季经常发生的一种灾害性天气，是指来自高纬度地区的寒冷空气，在特定的天气形势下迅速加强并向中低纬度地区侵入，造成沿途地区大范围剧烈降温、大风和冰冻雨雪天气。发生寒潮天气时的降温及大风过程对云系的发生及发展影响显著，在同等降水条件下，寒潮所带来的降水对日常生产和生活影响更为严重，因此对寒潮期间云的宏观结构和微物理特征进行分析和研究具有重要意义[1，2]。

毫米波云雷达作为一种新型地基遥感设备，相比于厘米波雷达，对云和冰晶粒子具有更高的灵敏度和时空分辨率[3，4]，相比微波辐射计和激光雷达具有探测多层云的能力，可连续监测云的垂直剖面变化，获取云的宏观结构和微物理特征[5-11]。毫米波云雷达在获取云垂直结构的同时，还用于中等强度降水云系的微物理参数反演，有利于研究降水粒子相态的转变过程。张晋茹[12]等利用毫米波云雷达对伊犁河谷两次强降雪过程云特征进行观测分析，并利用毫米波云雷达进行雪粒子含水量反演，为提高和改善云—降水微物理过程的探测提供依据。王柳柳[13]等利用毫米波云雷达观测的功率谱数据，提取反射率因子、速度谱宽、平均粒子半径等参数对冻雨和降雪的微物理特征和动力过程进行联合分析，得到能够反映冻雨和降雪过程的微物理特征和垂直动力结构。沈永生[14]等对1次冻雨转暴雪天气及雨雪冰冻天气的多普勒雷达数据进行分析，通过对反射率因子、径向速度及风廓线等产品的分析，探讨冻雨及降雪天气的发生条件及降水相态转变的条件。

目前，基于毫米波云雷达对寒潮天气过程的垂直精细化观测资料较少，限制了对寒潮天气过程中云宏观结构和微物理特征的理解。文章利用北京地区安装的2部毫米波云雷达，对2020-02-13—2020-02-14的1次寒潮天气过程中云的垂直结构特征进行分析，为该地区寒潮天气预报服务积累经验，为此类天气精细化预报提供参考。

1 观测仪器和资料

文章利用北京海淀和延庆地区安装的2部同型号毫米波云雷达，结合地面常规气象要素及自动气象站逐小时降水量等资料，重点分析毫米波云雷达在寒潮天气降水过程的回波特征。

试验用毫米波云雷达为HT101型全固态Ka波段云雷达，该型号云雷达使用固态发射技术，运行成本低、功耗小、可靠性高，每分钟观测1次，获取垂直顶空0～15 km目标照射体的后向散射功率和多普勒频移，进而提取气象目标物的反射率因子、径向速度和速度谱宽。为提高云雷达整机性能，满足全天候观测能力，云雷达采用宽窄脉冲相互交替发射的脉冲压缩技术解决距离分辨率不够和近距离盲区等问题。

2 寒潮天气过程分析

从寒潮天气过程前后的天气形势分析，2月13日09：42 FY-3C气象卫星对京津冀地区大雾遥感监测产品显示，在河北东部和中南部、北京东南部以及天津大部出现了大雾天气，地面能见度不足1 km，在寒潮天气过程之前北京东南部有较强的水汽积累。从2月14日850 hPa风+05：00地面+07：00天气雷达回波可知，北京和河北中部地区在地面高脊的上空850 hPa弱气旋性环流的控制下，出现水汽辐合中心，为降水提供了条件[15-17]。

受强冷空气和低层暖湿气流共同影响，2月13日夜间北京地区普降中雨，北部山区及西部沿山一带为雨转雨夹雪或雪；2月14日08：00前后平原地区转为降雪，白天大部分地区中到大雪。截至2月14日17：00，全市平均累计降水量(雨、雪)22.5 mm，城区平均26.5 mm；全市平均降雪量7.5 mm，城区平均10.1 mm。此次寒潮降水过程，北京地区20个国家级气象观测站中有14个观测站日降水量突破冬季(12月至次年2月)最大日降水量历史极值。

根据天气实况，此次寒潮天气降水过程大致分为3个阶段：降水开始至2月14日05：00，属于降雨天气过程；2月14日05：00—08：00属于雨夹雪天气过程；2月14日08：00至降水结束属于降雪天气过程。通过海淀和延庆2个国家级气象观测站寒潮天气过程期间24 h观测的气温、相对湿度和小时降水量变化曲线可知，在寒潮天气过程之前，2个观测站气温维持在10 ℃左右，相对湿度较高，强冷空气入侵造成温度急剧下降，为降雪创造条件[18-20]。整个寒潮天气过程，海淀站总降水量26.1 mm，最大小时降水量为6.0 mm，发生在14日05：00，延庆站总降水量12.6 mm，最大小时降水量3.4 mm，发生在14日06：00。延庆站降水开始的时间比海淀站提前了3 h左右，符合此次寒潮由北到南的发展过程，2个观测站的天气情况能够代表北京城区及北部山区此次寒潮天气过程的降水特征。

3 毫米波云雷达回波特征分析

通过分析海淀和延庆国家气象观测站的2部毫米波云雷达在观测寒潮天气过程时的反射率因子和径向速度随时间—高度的变化可知，2月13日16：00海淀站在1 km以下开始有低云生成，持续10 h后发生降水，利用13日16：00海淀气象观测站的气温和相对湿度，计算出大气抬升凝结高度约为0.5 km，与毫米波云雷达观测的云层高度一致，说明底层暖湿气流携带的水汽较高，与强冷空气辐合时容易形成降水。从毫米波云雷达回波的宏观特征分析，此次北京地区寒潮天气过程主要是由于本地相对湿度饱和的高度发展位置较低，在受冷空气入侵时，降温使底层大气中的水汽抬升凝结并形成降水，降雨发生时延庆站云顶高度不足2 km。随着冷暖气流的充分辐合，降水云系进一步发生发展，强冷空气使地面温度迅速降到0 ℃以下，最终以雪的形式降落到地面。

在降水开始阶段毫米波云雷达回波顶高较低，但在垂直剖面上已经表现出由高空到地面强度逐渐增大的不均匀性片状结构特征，在随后的雨夹雪阶段，海淀站毫米波云雷达回波顶高并没有进一步抬升，而是呈现先降低后升高的趋势，在最后的降雪阶段2部毫米波云雷达的回波顶高均达到最高，但反射率因子强度较降雨和雨夹雪阶段明显减弱，随着寒潮天气系统的过境逐渐降低并消失，整体上毫米波云雷达反射率因子强度变化与地面小时降水量具有一定相关性。

在降雨阶段，云内降水粒子径向速度在垂直方向上表现出由高到低增大的过程，并存在明显陡增现象，在近地面达到最大值。在雨夹雪阶段，降水粒子垂直径向速度陡增区高度开始有规律地降低，直至触地消失，降水粒子完成由液态到固态的转变。而在降雪阶段，降水粒子下落的径向速度明显降低，并且垂直方向上较为均匀，没有明显纹理，此阶段毫米波云雷达回波开始逐渐脱离地面，直至消亡。整体上，海淀站和延庆站毫米波云雷达反射率因子和径向速度增大的同时均伴随着地面降水量的增多，与地面小时降水量变化趋势吻合。

为更直观地分析寒潮天气过程中毫米波云雷达回波在垂直结构上的变化特征，分别对雨(02：00—05：00)、雨夹雪(05：00—08：00)和雪(08：00—11：00)3个降水过程进行分段统计，统计毫米波云雷达反射率因子和径向速度在不同高度上的概率密度分布。表1为3个降水过程云雷达在近地面0.3～1 km反射率因子和径向速度的均值。通过统计可知，3个降水过程毫米波云雷达反射率因子随着高度的降低而增大，海淀站在降雨阶段的近地面反射率因子集中在10～20 dBz，延庆站集中在0～10 dBz，强度的差异也反映出2个观测站小时降水量的差异。雨夹雪阶段2部毫米波云雷达反射率因子均集中在0～10 dBz，而在最后的降雪阶段反射率因子则明显降低。3个降水过程中2部毫米波云雷达近地面反射率因子均值呈现降雨时最强，雨夹雪次之，降雪时明显减弱的特征，其中降雪阶段比前2个过程偏低10 dBz以上。另外，毫米波云雷达反射率因子在高空分成两部分，高层主要为14日07：00—08：00数据，此部分毫米波云雷达反射率因子与08：00—11：00的反射率因子趋势较为一致，说明在高层云系已满足降雪条件，而低层毫米波云雷达反射率因子垂直变化特征又与02：00—05：00的反射率因子较为接近，符合降雨特征。

表1 3个降水过程毫米波云雷达反射率因子和径向速度均值(0.3～1 km)

降雨阶段毫米波云雷达径向速度在垂直高度上存在较为明显的梯度变化，原因是降水粒子下落过程中经过0 ℃层时在相态发生变化的同时存在碰并增长现象，降水粒子体积增长造成下落速度增大，此过程云雷达径向速度最大，主要分布在-2～-6 m/s，海淀站均值-4.4 m/s，延庆站均值-2.5 m/s。在雨夹雪和降雪阶段，2部毫米波云雷达径向速度由高空到地面未发生明显变化，雨夹雪阶段毫米波云雷达径向速度，海淀站和延庆站均值分别为-1.9 m/s、-1.5 m/s，在降雪阶段毫米波云雷达径向速度在垂直分布上更为集中，径向速度在3个降水过程中最小，海淀站均值-1.3 m/s，延庆站均值-1.1 m/s。

4 结束语

文章利用北京地区安装的2部毫米波云雷达对2020-02-13—2020-02-14寒潮天气降水过程云的垂直结构特征进行了分析，主要结论如下：

1)此次寒潮天气中的降水过程，主要是受强冷空气侵入影响，本地充沛的水汽经抬升凝结并最终形成降水，随着冷暖气流进一步辐合，近地层水汽在抬升凝结的同时地面温度降到0 ℃以下，最终以雪的形式降落到地面。

2)在降水云系宏观特征上，降雨阶段毫米波云雷达反射率因子值最大，强度集中在0～20 dBz，并表现出明显的片状不均匀结构，回波强度与地面小时降水量变化趋势吻合。毫米波云雷达径向速度高值区随着地面温度降低，逐渐降低，最终在降雪阶段触地消失，与雨-雨夹雪-雪天气过程相关，近地面径向速度降雨时集中在-2～-6 m/s，而降雪时分布在-1.5 m/s以内。

3)在降水云系垂直高度上，3个降水阶段毫米波云雷达反射率因子表现出由高到低强度增大的特征，而降雪时反射率因子强度明显降低，较前2个过程平均偏低10 dBz以上。在降雨阶段毫米波云雷达径向速度垂直方向上梯度特征变化明显，与降水粒子在经过0 ℃层时相态发生变化且伴随碰并增长有关，而在雨夹雪和降雪阶段，2部毫米波云雷达径向速度在垂直方向上未发生明显变化，整体较为集中。