2019年夏季三江源局地熱對流云宏微觀特征的初步分析

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，行政區域涉及玉樹、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。區內氣候屬青藏高原氣候系統，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地生態環境及下游地區天氣氣候都有重要影響。

自20世紀70年代以來，國內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的觀測，Ka波段云雷達探測數據表明，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在3 km高度上；利用C波段連續波雷達的特征參數可以將西藏那曲地區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構特征差異；研究還表明青藏高原云—降水微物理過程不同于平原地區。

三江源地區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，近年來相關研究已經從水汽輸送、天氣背景、云系宏微觀結構及發展機制等方面對該地區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，其中關于對流云的環境場特征分析、宏微觀結構的觀測及降水機制的研究則多是針對發展旺盛的強對流云或組織化的中尺度對流系統（MCS）。

已有研究表明青藏高原東部河曲地區6—9月白天出現積雨云頻率較高（49%～61%），濃積云也達36%，積雨云降水次數與云出現次數比例為58%，且多數為弱對流云降水。另外，三江源地區河南縣7—9月低云出現頻率達80%以上，以對流云為主，且在地形熱力和動力作用下易發展為濃積云。以上結果均表明有必要對三江源地區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，以及降水產生的物理機制。

由于三江源地區特殊的自然環境，常規氣象觀測站點稀疏，前述研究采用的常規氣象資料、雷達衛星資料、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合青海省人影辦在三江源地區增設了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、觀測設備及數據處理方法，然后利用X波段雙偏振雷達體掃數據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、觀測設備和數據

1.1 試驗地點和設備

本試驗的觀測地點選擇易出現局地熱對流云的三江源地區澤庫縣，該地區平均海拔高度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、降水量等常規氣象要素的觀測。試驗區還分布了79個自動氣象站，觀測常規地面氣象要素。

圖1 （a）試驗區地形分布圖（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”）對三江源地區局地熱對流云開展觀測。該雷達波長較常規S、C波段業務雷達更短，因此更易捕捉云系弱回波，它的有效探測范圍為100 km。714XDP雷達采用固態發射機，具有同時發射和接收水平、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

）和零滯后互相關系數（

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Table 1 Performance parameters of 714XDP on-boardX-band dual-polarization doppler radar

1.2 觀測數據和處理方法

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區域內出現的對流云進行連續體掃觀測（垂直12層或14層），記錄對流云初始回波出現的時間、位置，并進行編號。

基于714XDP雷達體掃基數據采用風暴單體識別與跟蹤算法（SCIT），首先根據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；根據特征相似、距離優先、最大速度限制等原則對連續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，并利用體掃數據選擇15 dBz作為閾值確定回波頂高。

利用714XDP雷達體掃基數據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；對各熱對流云持續時間、最大回波強度、最大回波頂高、強回波所在高度等發展演變特征進行統計分析；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、相關系數、差分傳播相移率等識別熱對流云各高度層粒子相態。

同時，收集雷達觀測期間風云4A（簡稱“FY-4A”）衛星觀測數據，利用FY-4A多通道掃描成像輻射計（簡稱“AGRI”）L1數據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，說明試驗區具備對流形成的熱力不穩定條件。

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：關注區域）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500 hPa相對濕度由30%～40%增大至70%～80%，試驗區600 hPa相對濕度由50%～60%減小至30%～40%。說明午后試驗區低層相對濕度減小，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展受限，對流云厚度較小。

綜合上述分析，8月9日試驗區具備對流形成的天氣條件和局地不穩定條件，但低層的水汽條件轉差，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日試驗區有系統性降水過程，區域內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，結合天氣背景分析和西寧站探空，試驗區具有對流形成的動力條件、熱力不穩定條件、一定的水汽條件，16：00起雷達站西面、北面的山地出現較明顯的熱對流云。

基于714XDP雷達體掃觀測數據對8月9日熱對流云回波進行人工識別追蹤，結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雷達體掃基數據計算回波物理量（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計表Table 2 Moving and development characters of convectiveclouds radar echo on 9 August 2019

結合2.1節天氣背景分析9日局地熱對流云回波的宏觀特征，回波垂直發展高度較小，應是由前述“垂直上升運動受限”造成；根據探空可知試驗區零度層高度約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論；前面分析認為14時試驗區中層水汽條件轉好，低層水汽條件轉差，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，多數最大回波強度小于40 dBz，持續時間也相對較短。

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，初始回波強度較小（16 dBz），所在高度約3 km，與劉黎平等分析得出的那曲地區2014年夏季積云特征比較一致；12 min后（16：26）出現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展階段；16：32回波強度繼續增加，表現為兩個回波中心，東側回波頂高＞西側；16：39回波強度達到最大（＞36 dBz，東側稍＞西側），強回波所在高度降至2～3 km，回波頂高降至3～4 km；16：45表現為一個回波中心，結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小（約30 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；之后回波持續減弱到17：03，與東側局地生成回波相互影響，回波強度稍有增加，但持續時間較短；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展至最大，然后回波強度增至最大值，說明該熱對流云發展過程動力抬升起主要作用，不排除地形抬升對其發展的促進作用。

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，同時考慮粒子相態存在的溫度條件，利用模糊邏輯算法對熱對流云發展階段各高度層粒子相態進行識別。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回波處于發展階段，判斷中上層（2.7～3.3 km）粒子相態為冰晶和過冷水，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）識別粒子相態同前一時次（圖6a），稍高于零度層（4°仰角層）識別粒子相態為霰或小雹、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（虛線圈內為較強回波區）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500 hPa流場方向基本一致；其宏觀特征表現為水平尺度較小，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展至最大，然后回波強度增至最大值，說明該熱對流云發展過程動力抬升起主要作用；通過其各階段粒子相態的識別分析，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，其發展成熟階段有一定過冷水。

2.3 FY-4A衛星觀測反演產品與雷達回波對比

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，反映云發展旺盛的程度。對正在發展的對流云而言，云發展得越高，

Re

越大，當達到一個閾值（14 μm）時，云中可產生降水性粒子。將F Y-4 A衛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小（回波強度為36 dBz，所在高度為2.2 km），西側同時有局地生成回波發展，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，之后西側回波短暫加強，而2號回波持續減弱（圖7a）。對應時刻的衛星可見光反射率圖上（圖7b），只在西側回波對應位置有可見光反射率大于0.4的像素點。對于衛星反演

Re

（圖7c），同樣只在西側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減小（圖8a），最大回波強度和強回波所在高度均是東側大于西側。對應時刻衛星可見光反射率圖（圖8b），相應位置有可見光反射率大于0.6和0.7的像素點，且東側大于西側。對于衛星反演

Re

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

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小（較大），且位置可能存在偏差。衛星反演Re代表云發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，后續可通過更多個例研究衛星可見光反射率對局地熱對流云的預報指示作用，驗證衛星反演Re與回波發展程度的一致性。

3 結論

本文基于青海三江源地區714XDP雷達體掃觀測數據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衛星反演產品與熱對流云回波進行點對點對比，分析探討兩者的異同。主要結論如下：

1）2019年8月9日試驗區天氣背景、相對濕度分布及溫濕度層結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，多數高原熱對流云形成于山地迎風坡一側，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500 hPa流場方向基本一致，多數回波移速＞35 km/h。

3）歸納總結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展不高，回波強度較小，持續時間較短。

4）具體分析一個典型局地熱對流云回波的發展演變，回波生成于山地迎風坡，發展階段持續25 min，回波頂高和強回波所在高度先發展至最大，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。對各發展階段進行粒子相態識別分析認為該熱對流云發展成熟階段零度層以上以冰晶、過冷水、霰或小雹為主。

5）由于衛星與雷達對云觀測方式的差異，加上對流云發展過程云體可能存在傾斜，所以衛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：三江源地區局地熱對流云觀測是西北區域人工影響天氣能力建設項目（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。