結合Ka 和X 波段雙偏振雷達對北京一次鋒面降雪過程雪帶的觀測分析

武靜雅 畢永恒 孫強 呂達仁

1 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

2 中國科學院大學，北京 100049

3 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室，北京 100029

1 引言

層狀云降水多與大范圍抬升相關，包括中尺度對流系統、熱帶氣旋、鋒面氣旋系統等。其中鋒面氣旋系統是中緯度地區的主要云和降水源（Houghton 1968；Businger and Reed, 1989；Houze,2014）。鋒面氣旋系統常具有多尺度復合結構，由于氣流場和濕度場的不同配置，系統內可能出現多種中小尺度結構。鋒面氣旋中小尺度相關研究結果顯示其重要的中尺度結構是雨帶和雪帶，雨帶和雪帶即降水更為集中的區域，一般成帶狀排列。鋒面層狀云降水水平方向分布不均勻，一般由多個雨帶或雪帶組成（Heymsfield, 1979）。

以往有許多利用雷達、飛機等設備對雨帶觀測分析的工作，因而目前對雨帶的水平分布、垂直結構有比較全面的認識（Hobbs et al., 1980; Rutledge and Hobbs, 1983; Stolzenburg et al., 1998; Houze et al., 2009）。目前認為雨帶上部的冰晶來源可能有3 種，分別是原位生成、由臨近或上方“播種”而來以及內部嵌入的某種結構生成，上部冰晶生成后即開始生長。垂直方向上是明顯的分層結構，每一層內由不同的微物理過程主導。自上而下一般為凝結增長層、碰并增長層、凇附或介電常數變化層、融化層四層。

但是，對雪帶的研究集中于鋒面氣旋系統內溫濕度場的分布、雪帶的水平分布特征及其影響因素（Sanders and Bosart, 1985; Martin, 1999; Nicosia and Grumm, 1999; Schultz and Schumacher, 1999;Clark et al., 2002; Jurewicz and Evans, 2004; Novak et al., 2009; Picca et al., 2014），缺乏對雪帶形成演變的過程及宏微觀物理結構等更為細致的觀測分析，遠不如對雨帶的研究深入。

對云的觀測可以分為原位觀測和遙感觀測。原位觀測多由飛機攜帶粒子探頭進行穿云試驗完成，由于云內具有復雜的動力結構，因而對某些較為危險的區域不能進行很好的探測，且飛行成本昂貴。遙感觀測最主要是衛星和雷達觀測，衛星由于其軌道限制，不能進行針對性的連續觀測。而雷達可以時刻根據云的變化更改觀測方式實現跟蹤觀測，且其數據的時空分辨率非常高。

由于雷達回波信號的強度與波長的4 次方成反比，因而波長越短的雷達靈敏度越高，但是波長越短則吸收效果越明顯，完備的試驗應該包括雙波長甚至多波長雷達（Battan，1959，1973；Ryzhkov and Zrnic, 2019）。Ka 波段雷達適合于非降水云或降雪的觀測，X 波段雷達對弱降水觀測具有優勢。Ka 波段雷達一般采用垂直對空（DTB）或者距離—高度（RHI）掃描，適合觀測垂直結構，不能有效的跟蹤目標結構的移動變化，X 波段雷達一般采用平面—位置（PPI）或RHI 掃描，可以獲得目標結構的移動變化特征及垂直結構特點。利用X 波段雷達對目標結構跟蹤并結合Ka 和X 波段雷達對目標系統垂直結構進行觀測，是獲得包括雪帶在內的弱降水系統內部中尺度結構生命史和垂直結構的高效選擇。

雙偏振變量可以給出更為豐富的回波信息，但不同的收發方式獲得的偏振變量不同，為了同時獲得全部的雙偏振變量，需要結合兩部以上的雷達進行觀測。但由于試驗條件的限制以及多部雷達配合觀測和數據處理的困難，結合兩部及以上數量的雙偏振雷達進行同步觀測的試驗較少。見于文獻中X 波段和Ka 波段雙偏振雷達配合同步觀測的試驗僅有7 次，集中在利用等效反射率因子或衰減等變量的差異對某一個或某兩個云或降水參數進行分析，并未將偏振變量結合使用，且未應用于降雪的觀測中（Nakamura et al., 1990; Gosset and Sauvageot,1992; Martner et al., 1993; Matrosov et al., 1999;Vivekanandan et al., 2001; Liao et al., 2005; Tyynel? and Chandrasekar, 2014）。

另外，即使單獨利用Ka 波段雷達觀測降雪的研究也很少，主要應用于回波變量特征與地表降雪的關系、過冷水識別、垂直速度反演等方面（陳羿辰等, 2016; 王柳柳等, 2017; 李玉蓮等, 2019）。單獨利用X 波段雙偏振雷達觀測降雪的工作主要針對某種結構與回波變量關系或Z-R 關系展開，如柱狀粒子生長層觀測研究、Z-R 關系模擬、最佳ZR 關系的確定方法等（Fujiyoshi et al., 1990;Matrosov. 2007; Matrosov et al., 2009; Schrom et al.,2015, Heymsfield et al. 2016）。總之，Ka 和X 波段雷達單獨應用于降雪觀測的工作數量較少、研究對象針對性較強，并不充分。

為了發揮采用不同觀測模式、不同收發方式的Ka 波段和X 波段雙偏振雷達結合觀測降雪具有的全面、高效、準確的優勢，獲得鋒面氣旋系統中雪帶發展各階段宏微觀特征，豐富對鋒面氣旋系統雪帶的認識，補充Ka 波段和X 波段雷達對降雪的觀測研究，本文設計了中國科學院大氣物理研究所同一觀測站內的一部單發雙收體制Ka 波段雙偏振雷達和一部雙發雙收體制X 波段雙偏振雷達結合觀測方法，首次將Ka 和X 波段雙偏振雷達結合應用于降雪過程的觀測中，以2019 年2 月14 日冷鋒氣旋在北京造成明顯的層狀云降雪過程為對象，對此次鋒面氣旋中的雪帶形成、發展、消亡階段的特征進行了分析。結果表明，上述觀測方法成功的獲得了雪帶的生命史和宏微觀結構。雪帶的垂直結構符合以往對層狀云分層的物理認識，與雨帶垂直結構類似：上部冰晶由上層播種而來，播種到下層后經歷不同的生長方式，形成垂直方向明顯分為凝結增長層、叢集層、凇附層三層的結構，不同于雨帶，雪帶內沒有融化層。另外發現，當播種得到的冰晶凝結生長區開始消散“變空”時，雪帶即進入消亡，降雪趨于結束。

2 資料與方法

2.1 設備簡介

本文使用的數據來源于中國科學院大氣物理研究所同一觀測站內的一部Ka 波段雙偏振雷達（以下簡稱為IAPKa）和一部X 波段雙偏振雷達（以下簡稱為IAPX），兩部雷達的參數在表1 中列出。

表1 IAPKa 和IAPX 參數表Table 1 Parameters of Ka-band radar of Institute of Atmospheric Physics(IAPKa) and X-band radar of Institute of Atmospheric Physics (IAPX)

IAPKa 采用單發雙收體制，獲得偏振變量LDR，LDR 是交叉極化與水平極化回波強度的差值，表征水凝物的退偏振程度，一般隨著非球形水凝物粒子相對于偏振平面傾斜角的增大而增加。IAPX 采用雙發雙收體制，偏振變量為ZDR、ρhv和φDP。ZDR是雷達水平極化與垂直極化的回波強度之差，一般ZDR隨軸比增大而增大，反映水凝物粒子的非球形程度。ρhv是水平極化與垂直極化回波強度的相關系數，表征探測體積內粒子的多樣性，ρhv隨著粒子多樣性的增加而減小，回波性質均一的水凝物的ρhv接近1，常被用于區分氣象和非氣象回波。φDP是水平和垂直極化通道前向傳播相位差，與非球形粒子的大小和數濃度有關。兩部雷達同步觀測可獲得同一目標的全部偏振特性，進而對目標進行更為全面的分析。另外需要指出，IAPKa和IAPX 的多普勒速度均規定靠近雷達方向為正，反之為負。

2.2 IAPKa 和IAPX 結合觀測方式及數據處理

為最大發揮IAPKa 和IAPX 結合的優勢，應以雪帶形成、發展、消亡過程為對象，確定仰角和方位角范圍進行針對性觀測，并根據云的變化調整仰角方位角范圍，以實現既能完全涵蓋，又能避免無效觀測的掃描方式，提高觀測頻率，獲取變化細節信息。具體觀測方式列在表2 中，配合方式1 和配合方式2 交替進行，每進行一次配合方式1 掃描，即IAPX 進行PPI 掃描獲得鋒面氣旋系統移動變化特征的同時IAPKa 進行DTB 掃描獲得垂直速度等特征的掃描，并確定目標雪帶。隨后進行30 分鐘配合方式2 掃描，即根據配合方式1 中確定的目標雪帶，利用IAPKa 和IAPX 同時對相同方位雪帶的垂直結構進行RHI 觀測，獲得雪帶的垂直特征。

表2 IAPKa 和IAPX 結合觀測方式Table 2 The combined observation method of IAPKa and IAPX

兩部雷達的數據在使用前均已進行質量控制。其中IAPKa 的噪聲主要是信噪比較低時引起的噪聲，IAPX 的噪聲主要是旁瓣及山區引起的噪聲。

為了獲得更加準確詳細的雪帶結構，進行分析時，對于兩部雷達相同的回波變量，則選擇靈敏度更高雷達的回波變量，對于兩部雷達不同的雙偏振變量，則進行結合使用。根據對觀測結果的分析，發現雪帶的生命史可以分為“播種”形成階段、發展階段和消亡階段。其中消亡階段又可以分為第一消亡階段和第二消亡階段。下面依次對每一階段雪帶垂直方向的宏微觀結構進行分析說明。

3 雪帶形成、發展、消亡階段宏微觀結構分析

3.1 播種形成階段

2019 年2 月14 日09∶20（北京時，下同）左右，本場降雪突然增強，雪帶已在本場上空生成，需要對本場上空云隨時間的變化進行分析以獲得雪帶形成的過程。將08∶32 至09∶23 時間段內IAPKa進行的所有DTB 掃描的等效反射率因子（ZHH）、多普勒速度（V）以及退偏振比（LDR）分別繪制在同一張圖中，依次為圖1 中的（a）、（b）、（c）圖。由于IAPKa 進行了DTB 和RHI 掃描，因而圖像中部分區域不連續。

圖1 所示的時間段內，本場上空的云一直為雙層結構。由圖1a 中ZHH的垂直結構可知，09∶13 之前（圖1 中黑色直線左側部分），下層云呈現為明顯的分層結構，垂直方向分為三層，每個層次由ZHH相對較高即由大粒子組成的中間部分以及ZHH向兩側平滑減小即由小粒子組成的部分構成。由圖1b 中粒子的多普勒速度V可知，三層內的粒子均在下落，對下方進行“播種”。

圖1 2019 年2 月14 日08∶32（北京時，下同）至09∶23 時段內播種形成階段IAPKa 垂直對空（DTB）掃描回波變量：（a）ZHH；（b）V；（c）LDRFig. 1 Vertical scan echo of IAPKa in a seeding process from 0832 BJT to 0923 BJT (Beijing time) on 14 Feb 2019: (a) Reflectivity factor (ZHH);(b) Doppler velocity (V); (c) Linear depolarization ratio (LDR)

09∶13 之后（圖1 中黑色直線右側部分），距地約2 km 高度處形成了大范圍ZHH為-30～-17 dBZ，垂直下落速度0.25～0.75 m s-1、LDR 較大的層次（以黑色實線不規則圖形標于圖1a、b、c 中）。ZHH較小且LDR 較大說明此層為取向較為水平的小粒子。另外，冰相粒子的下落速度與粒子類型、尺寸以及凇附的程度有關，原始冰晶的下落速度一般為0.1～0.7 m s-1，除少數由2～3 個原始冰晶聚合形成的聚合冰晶速度與原始冰晶相差不多，大多數聚合冰晶下落速度為1～1.5 m s-1，凇附會增大粒子的下落速度，如凇附的霰粒子下落速度為1～3 m s-1（Locatelli and Hobbs, 1974; Kajikawa,1982）。結合此層粒子的ZHH、LDR 以及V的特征推測其內部的粒子為取向較為水平的原始單冰晶粒子，即此層為冰晶凝結增長層。

為獲得上述雪帶的垂直結構，隨即對此雪帶進行背風RHI 觀測。分析凝結增長冰晶的發展，獲得雪帶的結構，將09∶30 兩部雷達RHI 同步掃描時，IAPKa 獲得的ZHH、LDR 以及IAPX 獲得的ZDR、ρhv依次表示在圖2 中。

圖2 2019 年2 月14 日09∶30 IAPKa 和IAPX 進行同步距離—高度（RHI）掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhv。黑色實線區域是冰晶凝結增長層，白色線區域是叢集層，黑色虛線區域是凇附層Fig. 2 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR (differential reflectance factor), and (d) IAPX variable ρhv(correlation coefficient) obtained by the simultaneous range height indicator (RHI) scans of IAPKa and IAPX at 0930 BJT 14 Feb 2019. The black solid line area is the condensation layer, the white line area is the aggregation layer, and the black dotted line area is the riming layer

結合ZHH、LDR、ZDR、ρhv分析可以明顯觀察到此雪帶的垂直結構。黑色單線為ZHH極小、LDR 較高區域，即前文中提到的“播種”形成的冰晶凝結增長層。白色單線區域為ZHH較大、ZDR極大、ρhv較大區域，為取向較為水平的不規則的較大雪花粒子，即叢集層。黑色單虛線區域為高ZHH、較低ZDR、高ρhv區域，此層水平風速較上一層小，因而位于上層回波區域的后方。推測此層內包含過冷水滴，雪花粒子凇附過冷水滴后介電常數增大且變得相對更加趨近于球體，導致ZHH瞬間增大、ZDR減小、ρhv增大。

上述結構即為雪帶的垂直結構，由高到低三層依次分別為“播種”形成的冰晶凝結增長層、叢集層、淞附層，并依次使用黑色單線、白色單線、黑色單虛線在圖中進行標注。由于各層水平風速不同，三層并非垂直分布。可以發現，IAPX 未能探測到ZHH很小的冰晶凝結增長層，而靈敏度更高的IAPKa 獲得的ZHH和LDR 明顯的顯示出冰晶凝結增長層。但雙方雙收的IAPX 獲得的ZDR和ρhv顯示了冰晶凝結增長后的碰并和凇附層，體現了兩部雷達結合觀測具有的全面、準確、高效的特點。

3.2 發展階段

第一個雪帶形成移走后，此后陸續觀測到多個雪帶。圖3 至圖5 中列出了后續與第一個雪帶結構相同，但凝結增長層高度、水平尺度等方面各有不同的4 個雪帶。各時刻新出現的雪帶均用不規則圖形標注在圖中，線形與層次的對應關系如前。

圖3 2019 年2 月14 日10∶36 IAPKa 和IAPX 進行同步RHI 掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 3 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1036 BJT 14 Feb 2019

圖3 列出了10∶36，本場上空的2 個新雪帶。其中一個雪帶凝結增長層距地高度約1.7 km，水平范圍約30 km。另外一個雪帶的凝結增長層距地高度約6 km，水平范圍約40 km。

12∶46 觀測到的雪帶垂直結構列在圖4 中，其凝結生長層位于距地表3 km 左右，水平尺度約25 km。

圖4 2019 年2 月14 日12∶46 IAPKa 和IAPX 進行同步RHI 掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 4 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1246 BJT 14 Feb 2019

圖5 中列出了13∶48 本場附近的雪帶，水平范圍約30 km，凝結增長層位于距地表2 km 高度處，但已開始消散“變空”，表現出從此區域分裂為多層云的趨勢。

圖5 2019 年2 月14 日13∶48 IAPKa 和IAPX 進行同步RHI 掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 5 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1348 BJT 14 Feb 2019

3.3 消亡階段

隨著雪帶的冰晶凝結增長層消散“變空”，云系從冰晶凝結增長層分解為兩層甚至多層云。此過程中云系首先從4 km 高度處凝結增長層分裂為上下兩層云，上層云迅速消散，剩余部分再次從2 km 高度凝結增長層分裂為兩層后各自消散。將由4 km 高度的冰晶凝結增長層分裂的過程稱為“第一消亡階段”，由2 km 高度處的冰晶凝結增長層分裂的過程稱為“第二消亡階段”。為更加清晰的展現分裂消散的過程，在第一消亡階段內圖中僅標注凝結增長層位于4 km 的雪帶，在第二次消亡階段內圖中僅標注凝結增長層位于2 km 的雪帶。

3.3.1 第一消亡階段

16∶12（圖6），4 km 高度附近的冰晶凝結增長層漸弱至不能被觀測到，雪帶從此層完全分裂為兩層云，上層云非常薄弱，冰晶叢集和淞附層留在下層云中。

圖6 2019 年2 月14 日16∶12 IAPKa 和IAPX 進行同步RHI 掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 6 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR, and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1612 BJT 14 Feb 2019

3.3.2 第二消亡階段

繼第一消亡階段云從4 km 高度冰晶凝結增長層分裂為兩層后，上層薄弱的云在視野內消失。如圖7 所示，與第一次消亡階段類似，一段時間后剩余的下層云中2 km 高度附近的凝結增長層也減弱至不能被觀測到，下層云從此層再次分裂為兩層，分裂后的上層云仍是非常薄弱的云并迅速消失，下層云獨立消散。

圖7 2019 年2 月14 日16∶40 IAPKa 和IAPX 進行同步RHI 掃描獲得的IAPKa 的變量（a）ZHH 和（b）LDR 以及IAPX 的變量（c）ZDR 和（d）ρhvFig. 7 (a) IAPKa variable ZHH, (b) IAPKa variable LDR, (c) IAPX variable ZDR and (d) IAPX variable ρhv obtained by the simultaneous RHI scans of IAPKa and IAPX at 1640 BJT 14 Feb 2019

4 小結

由以上的分析可見，IAPKa 和IAPX 結合觀測，高效的獲取了雪帶形成、發展、消亡過程中的宏微觀結構。發現“播種”至下層云的冰晶凝結增長、叢集、凇附形成了雪帶的三層結構，各層水平風速不同導致雪帶的三層結構并非垂直排列。雪帶不斷生成發展維持降雪，直至冰晶凝結增長層變空，云從此層分裂后各自消散。將本次降雪過程觀測到的雪帶生成演變過程總結在表3 中。

表3 雪帶發展過程Table 3 Evolution of snowbands

5 主要結論

（1）本文設計了采用不同觀測模式、不同收發方式的Ka 波段和X 波段雙偏振雷達結合觀測方法，首次將Ka 和X 波段雙偏振雷達結合應用在降雪的觀測中，獲得了全面、準確、高效的數據，并首次將Ka 和X 波段雙偏振雷達的雙偏振變量結合使用，成功地對雪帶生成、發展、消亡階段的宏微觀結構進行觀測分析。體現了Ka 和X 波段雙偏振雷達結合的必要性和高效性，豐富了對鋒面氣旋系統中雪帶的認識，補充了Ka 波段和X 波段雷達在降雪過程中的應用。

（2）雪帶垂直結構符合以往對層狀云分層的物理認識，類似但不同于雨帶垂直方向由冰晶凝結增長層、叢集層、凇附層、融化層四層組成的結構，雪帶沒有融化層，僅由冰晶凝結增長層、叢集層、雪花凇附層三層組成，各層水平風速不同導致雪帶各層并非垂直分布。多個雪帶不斷生成，維持降雪的不斷發展。

（3）此過程中的冰晶凝結增長層由其上方“播種”下來的冰晶凝結增長形成，位于距地表2 km或4 km 左右高度處，水平尺度為20～40 km。凝結增長層不斷生成冰晶，直至無法生成，云即進入消散階段，消散時從冰晶凝結增長層分裂為多層云后各層云獨自減弱消失。

致謝 中國科學院大氣物理研究所研究員段樹和副研究員霍娟為本文工作提供了建設性的建議和幫助，在此致以誠摯的感謝！