一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

张晋广 赵姝慧 刘旸 孙丽 单楠 张铁凝 张梦佳

(辽宁省人工影响天气办公室，辽宁 沈阳 110166)

引言

东北冷涡是东亚中高纬度地区重要的天气系统，在500 hPa天气图上，37°—50°N、110°—130°E区域内，有一条(含)以上闭合等高线，并且有冷中心和明显的冷槽配合，维持时间3 d(含)以上的冷性旋涡[1]。东北冷涡移动缓慢，可以不断再生发展，一般可维持4—5 d，最多可达十余天，是造成下半年中国东北地区强降水的主要天气系统，也是东北夏季降水较难预测的主要原因之一[2]。东北冷涡常常带来暴雨、冰雹、短时大风和低温天气，给工农业生产和人民生活造成一定危害。因此对东北冷涡云降水的云宏微观结构特征进行分析和研究具有重要的意义。

东北冷涡引发的天气过程比较复杂，不仅各个冷涡过程所表现出的天气现象有很大差异，在一次冷涡系统发展过程的各个阶段也有相当大的差别[3-4]。以45°N线为X轴,125°E线为Y轴将研究区划分为4个象限时，夏季东北冷涡生成位置以第2象限(西北部)最多，第4象限(东南部)最少，冷涡以向东移动为主[5]。冷涡发展和成熟阶段是降水的主要阶段，发展阶段暴雨中心多出现在垂直运动强、低层辐合抬升强的位置；在冷涡的成熟阶段，中尺度对流不稳定条件较好的区域，往往处于暴雨中心[6]。现有针对东北冷涡的研究侧重于大尺度环流和动力学方面。东北冷涡内部的结构特征及发生、发展演变机理已有较多研究，宫福久等[1]研究发现，在东北冷涡影响下，辽宁降水的云系主要是层状云、层积混合云、积云和积雨云，其影响时间和对降水量的贡献也都不同。齐彦斌等[7]利用飞机对一次中等强度的东北冷涡对流云带进行了垂直穿云观测，并对降水机制进行了初步探讨。东北冷涡系统不稳定、空域申请受限、价格昂贵等因素极大的限制了飞机的探测能力。随着地基探测技术的快速发展，毫米波云雷达和微雨雷达在云降水垂直结构的观测方面取得了许多有益的成果。云雷达可以对云底高度、云顶高度、云厚等云宏观参量进行有效观测[8]，此外多普勒速度可以识别混合云中的融化层，初步确定粒子相态、大小以及是否存在雪晶或雨滴[9]。利用云雷达功率谱数据反演得到的反射率因子、速度谱宽等可以较好的区分冻雨和降雪过程[10]。云雷达可以实现对降雪垂直结构的精细化观测[11]。云雷达多普勒频谱可以识别和量化降雪过程中云内的过冷水滴和冰雪晶粒子，并通过各种参数初步判断云中粒子演变过程，有助于更好理解降雪的微物理演变过程[12]。云雷达配合机载探测、雨滴谱仪等可以获得积层混合云微物理结构[13]。利用微雨雷达分析层状云降水中的亮带特征有助于理解降水粒子形成的微物理过程[14]。微雨雷达可以获得垂直方向上的雨滴谱，有助于揭示不同类别地形云的发生发展规律和降水形成发展机理[15]。综上所述，利用毫米波云雷和微雨雷达可以实现对东北冷涡的垂直结构精细化观测，有助于掌握云降水的微物理特征，为改进模式微物理参数化方案提供数据支撑，进一步理解东北冷涡云降水机制，以期提高东北冷涡天气的预报预警能力。

利用布设在阜蒙县国家站(121.7458°E,42.0672°N)的云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对一次东北冷涡云降水过程进行了连续观测。首先利用云雷达反射率、雨滴谱仪测量的降水强度和风云二号卫星红外云图对东北冷涡云降水的宏观特征和发展演变特征进行分析，提取典型云降水时段；然后利用云雷达反射率(Z)、退极化比(LDR)、径向速度(VR)、速度谱宽(SW)和微雨雷达反射率(Z)、粒子下落末速度(V)、雨滴数浓度(dBN0)、质量加权平均粒径(Dm)对比了不同降水性质云物理特征差异，并讨论了云降水机制。

1 资料与方法

研究主要使用HMB-KPS型毫米波云雷达和MRR-2微雨雷达资料，雨强数据来自于DSG5型降水现象仪获取的雨滴谱观测数据。两部雷达均以垂直对空方式进行连续观测，其性能指标见表1。云雷达垂直方向可探测0—20 km的资料，时间分辨率为1 min。微雨雷达平均多普勒频谱共有31个距离库，可提供从地面100—3100 m的探测资料，垂直分辨率为100 m，时间分辨率为1 min。最底层(100 m)受到近地表的影响严重，已被排除在分析之外。同时由于信号噪声，最高层(3100 m)也被排除在外。

表1 雷达主要性能指标Table 1 Major performance indicators of radars used in this study

云雷达的Z、LDR、VR、SW和微雨雷达的Z和V由仪器直接给出，而雨滴总数浓度(dBN0)和质量加权平均直径Dm是通过微雨雷达数据中的雨滴数浓度计算得到，具体计算方式如下：

(1)

(2)

式(1)—式(2)中，Dmax和Dmin代表雨滴大小的上限和下限，MRR-2的范围为0.246—5.030 mm。Dm可以通过微雨雷达实测DSD的四阶矩与三阶矩之比计算得出[16]，与传统雷达气象学中使用的体积中的直径在物理上具有相同的意义；dBN0是雨滴总数浓度的对数形式。

将云雷达四个参数(Z、LDR、VR、SW)和微雨雷达四个参数(Z、V、dBN0、Dm)在不同高度上求均值及方差得到对应的垂直廓线分布。

层云—对流降水分类主要使用地面雨滴谱资料，具体的分类方法是：对于雨滴谱仪连续10 min以上的时间段内，降水率均大于0.5 mm/h，且该时间段内，降水强度的标准偏差小于1.5 mm/h，则识别为层状云降水；降水强度大于5 mm/h且降水强度标准差大于1.5 mm/h，则识别为对流性降水；其他样本识别为混合性降水[17]。

2 结果分析

2.1 天气形势概况

2020年8月12—13日500 hPa蒙古中部及河套地区存在一个较深的低槽，副热带高压西伸北抬和鄂霍茨克海高压脊形成明显阻塞形势(图略)。副热带高压西侧偏南急流建立，有利于水汽和能量向辽宁输送。低槽东移加深逐渐形成东北冷涡，副热带高压中心强度减弱，北界向东南方向回落。冷涡位置少动，强度增强，后侧冷空气向南输送。850 hPa低涡中心东移北上，切变线前侧存在低空西南急流，为降水提供水汽和热力条件。地面蒙古气旋加深，形成上层干冷下层暖湿的不稳定结构，上升运动强烈，冷暖空气在辽宁省长时间交汇。受东北冷涡影响，辽宁全省出现明显降水过程。

2.2 云降水的宏观特征

2020年8月12日14时，高空槽伴随低空切变线东移，辽宁省阜蒙县上空开始有云移入。由图1a和图1b可知，整个过程回波顶高起伏较大，反射率因子范围为-10～30 dBz，以单层云为主，偶有多层云出现(如13日00—03时)。强回波区丝缕状结构明显，说明云水平方向上发展不均匀。由图2a可知，12日16时观测站上空受逗点云系东侧的分散对流云团影响，产生了比较明显的对流性降水，最大雨强接近60 mm/h(图1c)。云雷达回波接地，受强降水导致的信号衰减影响，雷达在垂直方向上的探测能力受限，4 km以上几乎没有探测数据。12日17—21时，雷达回波底高几乎均为3 km以上，回波强度为15—25 dBz，仅在18时附近雷达回波接地，降水强度小于0.1 mm/h。由图2b可知，随着云系东移，观测站位于逗点云系尾部云带主体的前部，卫星云图为较均匀的中低云区。12日21时至13日02时，雷达回波连续接地，4.5 km高度至地面是强度大值区，回波强度为20—30 dBz，雨强为0.1—1.0 mm/h。随着降水的持续，雷达回波顶高有明显的下降(从10 km下降至6 km)，雷达回波强度也有所减弱。其中在12日21时至13日00时，雷达回波顶高从10 km下降至8 km左右，4.5 km高度附近存在一个明显的亮带，该时段为典型的层状云降水。随着云系继续向东移动，13日03—08时观测站位于逗点云系尾部云带的中后部，图2c表明05时观测站与逗点云系后边界距离约6.5个纬距。雷达回波同样呈现出明显的亮带特征，但这一阶段垂直方向上发展旺盛，回波顶高基本维持在10 km以上，回波强度也更大。06时后雷达回波特征有了一些变化，表现为3 km以下两部雷达强回波区(强度大于35 dBz)范围更大，且大值区质心在近地面。从降水强度来看，03—06时降水强度均值为0.36 mm/h，最大值为6.6 mm/h；而06—08时降水强度均值为3.1 mm/h，最大值为25.9 mm/h。因此，06时以前应该是以层状云降水为主，06时以后是层积混合云降水。由图2e可知，13日09—11时，一块新的对流云团移入，雷达回波大于40 dBz的范围明显增大，降水强度最大可达109.8 mm/h，呈现出明显的对流性降水特征，随着降水强度的增大，10时以后雷达信号产生了明显的衰减，仅能探测到4 km以下的范围。

黑色虚线表示四个典型的降水阶段图1 2020年8月12—13日阜蒙县云雷达回波强度(a)、微雨雷达回波强度(b)和雨滴谱仪测量的降水强度(c)Fig.1 Variations of echo intensity measured from cloud radar (a) and micro rain radar (b)，and precipitation intensity measured by raindrop spectrometer (c) on August 12-13，2020 in Fumeng County

图2 2020年8月12日16时(a)、22时(b)、13日05时(c)、07时(d)和10时(e)FY-2卫星红外云图Fig.2 FY-2 satellite infrared cloud image at 16:00 (a),22:00 (b) on August 12，at 05:00 (c),07:00 (d)，and 10:00 (e) on August 13，2020

忽略云雷达反射率衰减严重的时段，2020年8月12日17时—13日10时期间，有4个比较典型的降水时段，见图1黑色虚线所示，具体起止时间及降水性质见表2。

表2 2020年8月12—13日典型降水阶段Table 2 Information of typical precipitation stages on August 12-13,2020

2.3 云垂直结构特征

2.3.1 层状云降水

2020年8月12日层状云降水阶段A云雷达各参数的垂直分布见图3。从8—5 km高度，雷达反射率从-7 dBz增长到13 dBz，径向速度在1 m·s-1左右，说明在这个高度区间，云内主要是冰晶粒子，且淞附过程不强。冰晶粒子的一些形状信息可以从LDR观测得到。特别是，冰晶的融化会导致LDR的迅速升高[15]。4.7 km以下LDR迅速增大，峰值可达到-18.7 dB，说明此处是融化层，冰相粒子融化形成外包水膜，粒子相态开始发生转变，介电常数发生了明显的变化。从黑色实线为各高度微雨雷达参数的均值，灰色阴影为该高度上各参数的方差。

黑色实线为各高度云雷达参数的均值，灰色阴影为该高度上各参数的方差图3 层状云降水阶段A云雷达参数反射率(a)、退偏振比(b)、径向速度(c)、速度谱宽(d)的垂直廓线Fig.3 Vertical profiles of reflectivity (a),linear depolarization ratio (b),radial velocity (c),and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage A of the stratiform cloud precipitation

从微雨雷达观测结果来看(图4)，此阶段雷达反射率较弱，为5—20 dBz，且随着高度的降低而减小；雨滴下落末速度较小，为4—5 m·s-1，随高度降低没有明显变化。Dm在3—1 km从0.55 mm增大至0.73 mm，雨滴总数浓度从103个· m-3下降至102个·m-3，说明出现了碰并效应；1 km以下Dm减小至0.69 mm，同时数浓度继续降低，推测是由于系统前部下层水汽条件差，雨滴离开云底后迅速蒸发造成的。

由图5所示，这个阶段的云参数垂直廓线与阶段A相似。在12—5 km反射率从-10.9 dBz增加至16.1 dBz。5—3.5 km高度区间阶段A和B的特征存在一些差异，具体表现为，图5a中Z的均值廓线在4.41 km处达到峰值24.9 dBz，形成了明显的亮带以后，在下方4.11 km处反射率达到极小值23.4 dBz。对比图4a,Z的廓线在4.6—3.0 km区间基本维持在20.0—20.3 dBz(图3a)，说明阶段B的冰粒子在落入暖层后，融化速度较快，出现了粒子尺度迅速减小的情况，融化引起粒径减小效应超过聚合和碰并带来的粒径增长。从微雨雷达探测的微物理参数变化可知(图6)，雨滴在下落过程中有蒸发现象，使其尺度减小。2 km以下，Dm方差变大，说明雨滴下落途中的碰并效应占主导，导致部分雨滴可以快速长大，雨滴谱得以拓宽，但总雨滴数减少。

黑色实线为各高度微雨雷达参数的均值，灰色阴影为该高度上各参数的方差图4 微雨雷达参数层状云降水阶段A反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴数浓度(c)和质量加权平均直径(d)垂直廓线Fig.4 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage A of the stratiform cloud precipitation

图5 层状云降水阶段B云雷达参数反射率(a)、退偏振比(b)、径向速度(c)和速度谱宽(d)的垂直廓线Fig.5 Vertical profiles of reflectivity (a)，linear depolarization ratio (b)，radial velocity (c)，and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage B of the stratiform cloud precipitation

图6 微雨雷达参数层状云降水阶段B反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴数浓度(c)和质量加权平均直径(d)垂直廓线Fig.6 Vertical profiles of reflectivity (a)，vertical velocity (b)，raindrop number concentration (c)，and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage B of the stratiform cloud precipitation

2.3.2 层积混合云降水

由图7所示，随高度降低，云雷达反射率廓线逐渐增大，在4.9 km处增加至12.2 dBz，亮带中心位于4.65 km处，反射率达到峰值19.7 dBz。LDR在4.7 km高度处达到极小值-26.7 dB，随后迅速增加，在4.47 km处达到极大值-14.4 dBz。在4.65 km高度以下，LDR迅速增大而Z减小，说明此处LDR的变化主要是由于冰粒子融化导致介电常数变化引起的。与层状云降水不同的是，亮带以下，反射率随高度降低继续增长，VR也呈现出缓慢增大的趋势，说明云粒子尺度在下落过程中继续增大。微雨雷达也探测得到了相同的结果，如图8所示，雨滴下落途中的碰并效应强于层状云降水阶段B(图6)，雨滴快速长大，总雨滴数浓度仅降低了一个数量级，说明此时低层水汽条件较好，雨滴离开云底后的蒸发效应并不显著。临近地面500—100 m处dBN0有个明显的增加，对应着Dm减小，说明此处大雨滴出现破碎现象。

图7 层状云降水阶段C云雷达参数反射率(a)、退偏振比(b)、径向速度(c)和速度谱宽(d)的垂直廓线Fig.7 Vertical profiles of reflectivity (a)，linear depolarization ratio (b)，radial velocity (c)，and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage C of the stratiform cloud precipitation

图8 微雨雷达参数层状云降水阶段C反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴数浓度(c)和质量加权平均直径(d)垂直廓线Fig.8 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage C of the stratiform cloud precipitation

2.3.3 对流云降水特征

对流云降水特征见图9和图10，6 km以上反射率增长缓慢，在6 km处反射率为2.7 dBz，6 km以下反射率增长速度变快，在4.65 km处达到极大值19.3 dBz。5—4.5 km，LDR从极小值-24.5 dB迅速增大到极大值-17.6 dB，说明进入了融化层；VR从1.95 m·s-1迅速增大到4.98 m·s-1，但VR的方差较小，SW也极小(0.2 m·s-1)，说明粒子大小均一，4.5—4.0 km处VR绝对值和方差变大，对应SW也出现了跃增，说明此处粒子大小不均一，生成了许多大粒子。从微雨雷达看，对流性降水在各个高度层雨滴数浓度均明显高于以上三个阶段，并且雨滴在下落过程中Dm为近乎于线性增长的趋势，且方差不断增大，反映了雨滴谱拓宽的过程，这表明碰并增长在此阶段占据主导。

图9 层状云降水阶段D云雷达参数反射率(a)、退偏振比(b)、径向速度(c)和速度谱宽(d)的垂直廓线Fig.9 Vertical profiles of reflectivity (a),linear depolarization ratio (b),radial velocity (c),and velocity spectrum width (d) measured by cloud radar during the stage D of the stratiform cloud precipitation

图10 微雨雷达参数层状云降水阶段D反射率(a)、垂直速度(b)、雨滴数浓度(c)和质量加权平均直径(d)垂直廓线Fig.10 Vertical profiles of reflectivity (a),vertical velocity (b),raindrop number concentration (c),and mass-weighted average diameter (d) measured by micro rain radar during the stage D of the stratiform cloud precipitation

3 结论

(1)2020年8月12—13日东北冷涡降水系统以层状云和层积混合云为主，云内有时还嵌有对流泡。本次过程云降水阶段性变化明显，2个对流云降水阶段、2个层状云降水阶段和1个层积混合云降水阶段。受强降水的影响，对流云降水的雷达回波会产生明显衰减回波顶高不能表示出实际的云顶情况，在近地面云雷达和微雨雷达均表现出大片的大于35 dBz的强回波区。层状云降水的回波顶高为7—9 km，层积混合云降水回波顶高可以达到12 km，两者均表现出明显的亮带特征，但层积混合云降水的雷达回波强度和降水强度明显大于层状云降水。

(2)从微物理特征来看，在层状云降水阶段，云内存在弱的碰并效应，使得云滴进一步增大形成雨滴。雨滴在下落过程中存在蒸发，阶段B碰并效应占主导，部分雨滴可以继续增大，而阶段A由于水汽条件相对较差，蒸发的作用大于碰并。层积混合云降水阶段的碰并效应强且云下蒸发弱。对流云降水阶段的云雷达反射率的增长区间主要在冰水混合层，碰并效应更强，云粒子普遍能增大到较大的尺寸。落入暖层后，大的冰粒子迅速融化大滴，拓宽了云滴谱，提高了碰并效率，形成较大雨滴。云下碰并导致的雨滴增长显著。