基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究.pdf

Band Cloud Radar J.Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),47(3):756-768.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21112Jinru,YANTnmUJFan.etal.2023.Macro-V1TTEysical Characteristics of Rainfall Clouds in the West TianshanMountainsBasedon Ka-ZHANG张晋茹，杨莲梅，刘凡，等.2 0 2 3.基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究 .大气科学，47(3)：7 56-7 6 8.May 20232023年5月ChinciencesVol.47 No.3第47 卷第3期科学基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究1,2,3刘凡 1,2,3 张晋茹1,2,3杨莲梅李建刚1,2,3周玉淑4,51中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐8 30 0 0 22新疆云降水物理与云水资源开发实验室，乌鲁木齐8 30 0 0 23西天山云降水物理野外科学观测基地，乌鲁木齐8 30 0 0 24中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京10 0 0 2 95中国科学院大学，北京10 0 0 49摘要利用Ka毫米波云雷达与自动气象站降雨资料，研究了西天山地区2 0 19 年和2 0 2 0 年58 月的降雨云宏微观特性。结果表明：（1）降雨主要发生在夜间，累积降雨量集中在2 1:0 0（北京时间，下同）至次日0 7:0 0，降雨频次和累积降雨量相关系数为0.7 1。大雨强频次虽最少，但对总累积降雨量贡献较显著。（2）小雨强、中雨强、大雨强平均反射率因子最大值分别为30 dBZ、35.8 d BZ和39.5dBZ，最大平均液态水含量分别为1.5gm3、4.2 g m和7.3gm3。（3）不同降雨强度对应的反射率因子都有两个集中区域，2.0 4.4km反射率因子集中在152 6 dBZ，地面附近的小雨强、中雨强、大雨强对应的反射率因子分别集中在2 432 dBZ、2938 d BZ和3142 dBZ。1.7 5k m以下中雨强和大雨强液态含水量小于1gm的频率明显少于小雨强，降雨强度的越大降雨粒子径向速度越集中。关键词同西天山地区毫米波云雷达降雨云反射率因子液态水含量文章编号10 0 6-9 8 9 5(2 0 2 3)0 3-0 7 56-13中图分类号P412文献标识码马Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21112Macro-Micro Physical Characteristics of Rainfall Clouds in the WestTianshan Mountains Based on Ka-Band Cloud RadarZHANG Jinru1,2,3,YANG Lianmeieil.2,3,LIU Fannl,2 3,LI Jiangang1,2,3and ZHOU Yushu451 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 8300022 Xinjiang Cloud Precipitation Physics and Cloud Water Resources Development Laboratory,Urumqi 8300023Field Scientific Observation Base of Cloud Precipitation Physics in West Tianshan Mountains,Urumqi 8300024 Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Bejing1000295 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049收稿日期2021-07-01；网络预出版日期2 0 2 2-0 3-0 7作者简介张晋茹，女，19 9 2 出生，硕士，助理研究员，主要从事大气探测研究。E-mail:通讯作者杨莲梅，E-mail:；李建刚，E-mail:shzlig_资助项目国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项2 0 18 YFC1507102，国家自然科学基金项目U2003106，新疆维吾尔自治区引进高层次人才天池计划项目（2 0 19FundedbyNational Key Research and Development Program Monitoring,Warning and Prevention of Major Natural Disasters Key Project(Grant2018YFC1507102),National Natural Science Foundation of China(Grant U2003106),Flexible Talents Introducing Project of Xinjiang(2019)757No.3ZHANG Jinru et al.Macrostics of Rainfall Clouds in the West Tianshan.Soaiharagt张晋茹等：基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究3期Abstract This study analyzed the physical characteristics of rainfall clouds in the West Tianshan Mountains,from May2019 to August 2020,based on the Ka-band millimeter-wave cloud radar and rainfall data from automatic weatherstations.The findings demonstrate that:(I)Rainfall occurs primarily at night.The cumulative rainfall was concentratedfrom 2100 BJT to 0700 BJT the next day.There was a significant beneficial correlation between rainfall frequency andaccumulated precipitation.The frequency of heavy rainfall was the lowest,but its contribution to total accumulatedrainfall was significant.(2)The maximum average reflectivity of light,moderate,and heavy rainfall intensities were 30,35.8,and 39.5 dBZ,respectively,and the maximum average liquid water content was 1.5,4.2,and 7.3 g m,respectively.(3)There are two concentrated areas for the reflectivity of various rainfall intensities.The reflectivity of 2.04.4 km wasconcentrated in 15-26 dBZ,and the reflectivity of light,moderate,and heavy rainfall intensities near the surface wasrespectively concentrated in 24-32 dBZ,29-38,and 31-42 dBZ.The frequency of moderate and heavy rain intensitybelow 1.75 km,where the liquid water content is less than 1 g m,is significantly lower than light rain intensity.Thegreater the intensity of rainfall,the more concentrated the radial velocity of rainfall particles.KeywordsTianshan Mountains region,Millimeter wave cloud radar,rainfall clouds,Reflectivity,Liquid water content1引言云是天气和气候变化的主要影响因子之一，通过大气热力运动引起的辐射强迫影响地球的能量收支和水循环（Wielicki et al.,1995;Stephens,2005;Zhouetal.,2016)。云的宏微观特性能够反映云降水潜力及内部动力、热力特征，因此，对云的宏微观物理特征进行观测、反演和研究，对于改进模型中云的参数，了解云在气候变化中的反馈效应具有重要意义（Harrison et al.,1990;Ackerman and Stokes,2003;Buetal.,2016)。目前，云的宏微物理特征可以通过飞机、卫星和地面设备进行观测（Yinetal.,2013;Chen et al.,2016;Reddy et al.,2018)。飞机虽然可以得到精细的观测结果，但是采样空间较小且成本较高（ParishandLeon,2013）。卫星的探测范围广，但时空分辨率低（Yi,2019）。毫米波云雷达有很高的灵敏度和时空分辨率（张晋茹和杨莲梅，2 0 19；马宁堃等，2 0 19），可对云进行连续观测，还能够通过反射率因子、径向速度等产品获取云的宏微观物理垂直结构特征（K o l l i a s e t a l.,2 0 11；李海飞等，2 0 17），因此毫米波云雷达是研究云宏微观物理特征的有效观测仪器。在我国，研究人员仅在中国中部和东部以及青藏高原利用毫米波云雷达进行了研究（彭亮等，2 0 12；Zhao et al.,2016;汪会和郭学良，2 0 18)。Zhang etal.（2 0 19）基于云雷达三年的观测资料对北京地区云的垂直结构进行了研究，研究发现夏季和秋季云顶高度和反射率因子大于春季和冬季。王柳柳等（2 0 17）利用云雷达对贵州威宁冻雨一降雪微物理和动力特征进行分析，结果表明冻雨和降雪初始时粒子的平均半径分别在40 m和12 0 m左右。Qiuetal.（2 0 19）使用云雷达对青藏高原地区夏季云垂直结构和含水量进行分析，发现当地时间0 0:0 0 06:00、0 6:0 0 12:0 0、12:0 0 18:0 0 和18:0 0 2 4:0 0云的出现概率分别为8 2.7%、56.2%、55.3%和65.4%。这类研究对于了解中国云和降水的宏微观物理特征具有重要意义。然而，利用毫米波云雷达对我国干旱地区降雨过程开展的研究还很少。新疆是典型的干旱、半干旱区域（黄秋霞等，2015a)，与中国东部不同，该地区不受季风系统影响，降水量偏少（Huangetal.,2017）。天山山脉是新疆最重要的山脉，最高海拔超过50 0 0 m，天山山麓是降水最多的地区，也是主要的人口聚居区。从全球大气环流角度看，新疆处于西风带地区，降水与西风带常年存在的槽和涡向东移动有关。因此，云和降水对这一地区的生态环境和生命有着极其重要的作用（Zengetal.,2020a）。以往对新疆降雨的研究主要集中在天气系统、中尺度系统和降雨环境（杨莲梅等，2 0 11；曾勇等，2 0 19;ZengandYang，2 0 2 0），对降雨云宏微物理的研究较少。Zengetal.（2 0 2 0 a,2 0 2 1）使用雨滴谱仪对西天山地区春季和雨季雨滴谱等微物理特征进行研究，但只是对近地面的雨滴谱特性进行分析，没有对高空中降雨云微物理特征进行研究。伊犁河谷是西天山具有代表性的降水区域。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2 0 19 年1月2 2 日在伊犁河谷新源气象站（432 7 N，8 318 E、海拔：9 2 8 m）（图1）安装毫米波云雷达进行观测。本文选取毫米波云雷达反射率因子、径向速度、云顶高参数以及通过反演得到的液态含水量，对新源站2 0 19 年58 月、758Vol.47ChinesernaericSciences47卷学科云雷达雨量计46N44N-42N-Xinyuan StationAltitude(m)High：8 2 6 3065130260km40N+LoW:-15678E80E82E84E86E88E图1新源气象站位置（432 7 N，8 318 E，海拔：9 2 8 m）和毫米波云雷达、雨量计图Fig.1 Location of Xinyuan Meteorological Station(XY,4327 N,8318 E,928 m above sea level)and the photos of the millimeter-wave cloud andrain gauge2020年58 月降雨云宏微观特性进行分析（降雨量使用气象站雨量计观测数据），初步认识了西天山区降雨云宏微观物理特征。2资料与方法2.1数据资料本文使用中国航天科工集团2 3所研制的Ka波段雷达，型号为HMB-KPS，该雷达采用全相干、全固态、脉冲压缩、脉冲多普勒、单偏振、垂直向上的方式2 4h连续观测。云雷达数据包括反射率因子、径向速度、速度谱宽、云顶、云底等。其他主要参数见表1。雷达有3中探测模式参数见表2。选取2 0 19 年、2 0 2 0 年58 月共8 个月降雨时的数据，降雨量为逐小时降水资料，单位为mmhl。在分析和统计过程中，小时降雨量大于等于0.1mmh-1的时次判定为有降雨发生。通过对云雷达资料观察即使有些时次被判定为有降雨发生，但由于降雨时间较短也会有一些时刻并没有发生降雨，由于云雷达在夏季非降雨时刻在低层会出现晴空回波，因此本文通过对云雷达资料进行观察，剔除无降雨时刻的数据，只保留被判定为有降雨发生时次且有降雨表1毫毫米波云雷达主要参数Table1 Main performance indexes of the Ka-bandmillimeter-wave cloud radar system参数名称参数值工作频率35GHz500MHz波束宽度0.4发射功率500W天线增益52dB天线直径1.8 m探测范围0.21 15 km时间分辨率1min空间分辨率30m发射波长8.6 mm时刻的数据。由于降雨时毫米波雷达的回波强度会有衰减，因此厂家使用了k-Z衰减订正法（王振会等，2 0 11）对回波强度进行了订正。本文所使用时间除特别说明外均为北京时间。雷达参数在3.8 km高度上有明显的分层（如图2），这是由于毫米波云雷达在探测弱回波时，不仅需要满足探测距离而且还要确保探测能力采用脉冲互补技术造成的，雷达使用宽脉冲保证有足够No.3759ZHANG Jinru eestTianshan张晋茹等：基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究3期的探测能力对弱回波进行探测，但是在低层会有探测盲区的出现，这部分盲区使用窄脉冲来进行探测，但窄脉冲对弱回波的探测能力有限，因此低层回波很弱时就会有回波不连续的现象发生。陈羿辰等（2 0 18）和黄钰等（2 0 2 0）基于云雷达对降雪过程进行观测也有相似分层现象，即使存在断层现象也能够得到一些有用的结论。选择有降雨发生时刻的降雨量数据和该时刻所对应的云雷达数据进行分析。小时降雨量为R，本表2 毫米波云雷达三种探测模式（边界层模式、中云模式、卷云模式）对应的工作参数Table 2 Detailed parameters of the boundary layer,middle cloud,and cirrus observation modes of Ka-bandmillimeter-wavecloud radar项目边界层模式中云模式卷云模式脉冲宽度0.2 s8us24 s脉压比140120脉冲重复60 us120 s167 us周期相干积211累数非相干积323232累数FTT点数256256256探测盲区210m1.2 km3.8 km探测能力-18.2 3dBZ5km-32.54dBZ5km-30.78dBZ10km文参考黄秋霞等（2 0 15b）分类标准，按照小时降水量0.1 mmR1 mm、1 m m R 3 m m、3R m m将降雨分为小雨强、中雨强、大雨强。观测期间一共有38 1h的降雨，其中小雨强有2 42 h，中雨强有110 h，大雨强有2 9 h。由于各种原因导致云雷达有些缺测，因此云雷达的有效降雨数据有32 3h，其中小雨强有2 14h，中雨强有8 8 h，大雨强有21h。云雷达时间分辨率为1min，将1min作为1个观测样本，因此共获得了19 9 8 0 份有效降雨观测样本，其中小雨强、中雨强、大雨强分别有12840、52 8 0、12 6 0 份。2.2方法2.2.1云雷达云顶分析方法本文按照吴独等等（2 0 17）的方法得到云顶高度。将云雷达观测到的有效云信号的边界作为云边界，沿距离把云雷达每个径向数据分为一段一段连续的有效数据段，如果相邻两个回波段的间距小于一定阈值（9 0 m），则把这两个段合并为一个段，如果段的长度小于设定的阈值（12 0 m）则删除这个数据段。这样连续有效的数据段的上沿为云顶。2.2.2归一化等频率高度图YuterandHouze（19 9 5）首先提出等频率高度图（简称CFAD）用于显示风暴统计分布特征，由于CFAD在某些高度层如果没有足够的样本量就dBZ830206105403-102-20-30053006300730083009301030113012301330Time(BJT)图22019年5月5日新源气象站0 5:0 0 14:0 0 降雨时反射率因子高度一时空分布Fig.2Height-time distribution of reflectivity factor during rainfall at XY from 0500 BJT(Beijing time)to 1400 BJT on 5 May 2019760Vol.47ChineseuirnalericSciences47卷科学会扩大风暴在该高度层的频率，实际上风暴在该高度中出现的次数并不多。因此，Fuetal.（2 0 0 3）和Guoetal.（2 0 18）提出了一种改进CFAD的方法，称为归一化等频率高度图（NCFAD,Normalized Contoured Frequency by the AltitudeDiagram)，即对所有高度层的样本量作归一化处理。本文采用NCFAD方法来研究降雨时云的垂直结构，即在某一高度层、某数值范围内雷达反射率因子、径向速度和液态含水量出现的次数占所有高度层上出现次数的百分比。NCFAD的计算公式为N,(i,j)NCFAD=(1)Z1ZF-,N,(i,j)其中，N,(i,j)是频率分布函数，定义为第层高度和第个反射率因子、径向速度、液态含水量出现的次数。2 10 m以下是毫米波云雷达的盲区，因此只取2 10 m以上的数据。在归一化等频率高度图中纵坐标为高度，为了方便计算和统计，将归一化等频率高度图垂直分辨率由30 m调整为150 m，共计93层；纵坐标分别是反射率因子（Z）、径向速度（V）和液态含水量（LWC)，间隔分别为1dBZ、0.25 m s-l 和 0.1 g m-32.2.3液态含水量反演雷达照射体积内水凝物粒子的物理特性与其后向散射能力有密切的联系，在Rayleigh散射的条件下，雷达观测的反射率因子与雨滴直径的六次方成正相关。在用Ka波段雷达观测降雨时Rayleigh散射的假设一般不再成立。所以通常用等效反射率因子Z表示，单位是mmm3，由于Ze变化范围很大，往往跨越几个数量级，为了应用方便，通常用dBZ来表示反射率因子的大小（俞小鼎等，2006)，即：dBZ=10 1g(Zo=1 mmm-3).(2)Atlas（19 54）首先提出Ze与液态含水量LWC存在幂指数关系：LWC=a Z.(3)李海飞（2 0 18）对前人云中形成降水和非降水，毛毛雨和小雨回波强度阈值进行了分析，最终根据Shupe（2 0 0 7）取-17 dBZ为区分毛毛雨和非降水性水凝物的阈值，取5dBZ为区分毛毛雨和小雨的阈值。根据回波强度采用不同的经验公式，非降水粒子采用Atlas（19 54）白的经验公式，毛毛雨采表3回波分类法经验公式Table 3Empirical formula of echo classification回波强度Z分类反演方法经验关系Z-17 dBZLWC=4.564Z.05Atlas-17dBZZ5 dBZLWC=0.457Z.0.19BaediZ5dBZLWC-0.025 84,.0-63Krasnov用Baedietal.（2 0 0 0）的经验公式，小雨采用Krasnov and Russchenbergg（2 0 0 5)，详见表3。3降雨云宏微观物理特征3.1降雨日变化云和降水日变化的探测和研究对于提高云物理和动力的认识有重要意义（Zhengetal.，2 0 19）。复杂地形地区的云和降水的日变化明显，这对了解云和降水的产生和发展过程具有重要意义(Villalobos-Puma et al.,2020;Zeng et al.,2020b)。图3是降雨频次和累积降雨量日变化。降雨频次日变化明显，降雨主要集中在2 2:0 0 至次日0 8:0 0，该时段降雨发生次数为2 11次，占总降雨次数的55.38%，0 5:0 0 0 6:0 0 降雨频次达到最高为2 4次。降雨频次最低的两个时段是15:0 0 16:0 0 和16:0017:0 0，都为8 次。以上结论与黄秋霞等（2 0 15a,2 0 15b）发现伊犁河谷降水主要发生在夜间结果是一致。累积降雨量波动性较大，最大值出现在2 2:0 0 2 3:0 0，为30.6 mm，最小值出现在13:0014:00，为6.2 mm。累积降雨量集中在21:00至次日0 7:0 0，占总降雨量的54.3%。从相关性来看，降雨频次和累积降雨量正相关，相关系数为0.7 1。根据雨强的分类，我们分析了小雨强、中雨强和大雨强出现频次（图4a）和各自累积降雨量（图4b）日变化。图中分别将小雨强、中雨强、大雨强标为I、I I、I I 型降雨（图7 做了同样的标注）。图4a可得小雨强频次最多，2 3:0 0 至次日08:00频次较高，其中0 3:0 0 0 4:0 0 最高达17 次，此后降雨频次呈下降趋势，15:0 0 16:0 0、16:0017:0 0 两个时段达到最低为5次，整体看白天的降雨频次较夜间低。中雨强频次日变化较小，但也为白天的降雨频次较夜间低，2 1:0 0 至次日07:00频次较高，最高在2 2:0 0 2 3:0 0 为8 次，最小在15:0 0-16:0 0 为1次。由于小时降雨量级大于3mm的次数很少，且只有2 年的降雨资料，因此大雨强在某些时段频次为0，降雨频次最多时No.3761ZHANG Jinru et al.MacroClouds in the West Tianshan.TSRd张晋茹等：基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究3期400.25-Cumulativerainfall+Frequency35300.2025200.1515100.10500.500500100015002000Time(BJT)图3新源气象站降雨频次、累积降雨量日变化（2 0 19 年58 月、2 0 2 0 年58 月数据）Fig.3Diurnal variation of rainfall frequency and cumulative rainfall at XY(Data for May-August 2019 and May-August 2020)(a)-Iprecipitation0.15-llprecipitation*-Il precipitation0.100.050050010001500200015(b)e-/precipitation-ll precipitation-lll precipitation10500500100015002000Time(BJT)图4亲新源气象站各雨强（a）降雨频次、（b）累积降雨量日变化（2 0 19 年58 月、2 0 2 0 年58 月数据）Fig.4 Diurnal variation of the(a)rainfall frequency and(b)cumulative rainfall of each rainfall intensity at XY(Data for May-August 2019 andMay-August 2020)段分别为0 0:0 0 0 1:0 0、0 5:0 0 0 6:0 0 和2 2:0 0 23:00，都为3次。结合所有降雨发生频次日变化（图3）发现，2 2:0 0 2 3:0 0 降雨主要由中雨强引起，其余时段的降雨主要由小雨强引起，大雨强对总降雨发生频次贡献最小。由图4b得小雨强累积降雨量在0 0:0 0 0 8:0 0较大，0 6:0 0 0 7:0 0 最大为7.5mm，0 9:0 0 2 4:0 0都在3.7 mm及以下，15:0 0 16:0 0 最小为1.6 mm。中雨强累积降雨量大多数时次大于小雨强和大雨强的累积降雨量，17:0 0 至次日0 7:0 0 较大，2 2:0 0 23:00最大为13.6 mm，15:0 0 16:0 0 最小为1.5mm。大雨强累积降雨量跳跃性较大，存在五个时段较大分别为0 0:0 0 0 2:0 0、0 5:0 0 0 6:0 0、0 8:0 0 10:0 0、15:0016:0 0、2 2:0 0 2 3:0 0，其中 2 2:0 0 2 3:0 0最大为15.1mm。小雨强、中雨强、大雨强累积降雨量占总累积降雨量比重分别为2 2.54%、47.44%、29.99%，虽然大雨强降雨频次最少，但对总累积降雨量贡献要大于小雨强。3.2降雨云日变化云顶高可以反映降水系统对流活动的强弱，对762Vol.47ChinesnaSciences（大47卷学科流活动越强，云顶高越高。图5是降雨云顶高日变化箱型图，最高和最低点分别表示最大值和最小值，盒子上下横线分别为7 5%和2 5%百分位值，盒子中间的红线表示50%百分位值。黑色虚线代表所有降雨云顶高中位值为9.0 9 km（离地高度，下同）。图5可得云顶高最大值较为稳定，12:0 0 21:00云顶高样本分布集中，2 1:0 0 至次日12:0 0 云顶高变化范围较大。10:0 0 后云顶高中位值逐渐升高，12:0 0 2 1:0 0 云顶高中位值较高，基本在9.5km左右并维持稳定。2 1:0 0 至次日12:0 0 时段云顶高中位值较低，0 7:0 0 0 8:0 0 全天最低为7.7 3km。常祎和郭学良（2 0 16）发现青藏高原那曲地区夏季降雨云顶高在午后至前半夜最高，与天山地区云顶高日变化趋势一致。图6 为不同时段Z的NCFAD，由于2 km附近有零度层亮带，因此反射率因子突然增大。06:0009:00云顶高度最低（图6 c）。图6 d-h显示了低层强反射率频率从增加到减小的发展过程，09:0012:0 0 强反射率在低层出现的频率较低（图6 d)，5k m 以下15dBZ以上的反射率因子频率集中在0.0 6%以下。12:0 0 15:0 0 强反射率在低层逐渐增大（图6 c）。15:0 0 18:0 0 时段低层强反射率频率达到最大（图6 f)，15d BZ以上的反射率因子频率在0.0 8%以上，分布在2 5km和0.212.5k m，相应的反射率因子集中在16 25 dBZ和 2 8 40 dBZ。18:0 0 2 1:0 0 和 2 1:0 0 24:00低层强反射率频率逐渐减小。后半夜低层强反射率频率保持稳定（图6 a，b）。午后至傍晚云顶高较高是由于太阳辐射加热地表，并通过地表感热通量加热近地面大气，不稳定性增强，使得这段时间对流运动增强。常祎和郭学良（2 0 16）研究2014年7 月1日至8 月31日西藏那曲地区对流运动发现11:0 0（当地时间）由局地热对流发展，经合并增长在17:0 0 18:0 0 达到最强，与西天山地区最强对流出现在下午变化一致。由于雷达不同的观测模式造成了回波强度观测误差和灵敏度的变化也会导致统计结果在3.8 km处的突变，图8 和图10也是同样的原因在3.8 km处产生突变。3.3降雨云微观物理特征图7 是不同雨强的平均Z、平均LWC垂直廓线。由图7 a可知，小雨强1.7 53.50 km平均Z随着高度的降低而增加，1.50 1.7 5km平均Z随着高度的降低而减小，平均Z在1.7 5km附近存在明显的向右弯曲，该高度平均Z的极大值为2 7.7 5dBZ，说明小雨强在1.7 5km附近有明显的“亮带”结构；1.5km以下平均Z随着高度的降低而增加，0.2 1kmT1211TT108一1116111！1111111111111114111111111111111121111010003000500 07000900110013001500 1700190021002300Time(BJT)图5新源气象站降雨云顶高的日变化箱型图（2 0 19 年58 月、2 0 2 0 年58 月数据）Fig.5Box plot of diurnal variation of rainfall cloud top height at XY(Data for May-August 2019 and May-August 2020)763No.3ZHANG Jinru et alVWestTianshan.张晋茹等：基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究3期(a)0000-0300)(b)0300-0600(d)0900-1200)0.12121212(c)0600-0900)121010101088880.1666644440.08222200-40-2002040-40-2002040-40-2002040-40-2002040Reflectivity/dBZReflectivity/dBZReflectivity/dBZReflectivity/dBZ0.06(e)1200-1500(f1500-1800(g)1800-2100)(h)2100-24001212121210101010-0.04888866660.02444422200-40-200204040-2002040-40-2002040-40-2002040Reflectivity/dBZReflectivity/dBZReflectivity/dBZReflectivity/dBZ图6新源气象站反射率因子在降雨期间的归一化等频率高度图（2 0 19 年58 月、2 0 2 0 年58 月数据）：（a）0 0:0 0 0 3:0 0(b)03:0006:00；（c）0 6:0 0 0 9:0 0；（d）0 9:0 0 12:0 0；（e）12:0 0 15:0 0；（f）15:0 0 18:0 0；（g）18:0 0 2 1:0 0；（h）2 1:0 0 24:00Fig.6 Normalized contoured frequency by the altitude diagram of reflectivity factor during the rainfall period at XY(Data for May-August 2019 andMay-August 2020):(a)0000-0300 BJT;(b)0300-0600 BJT;(c)0600-0900 BJT;(d)0900-1200 BJT;(e)1200-1500 BJT;(f)1500-1800 BJT;(g)1800-2100 BJT;(h)2100-2400 BJT处达到了最大值30 dBZ。中雨强平均Z整体上随着高度的降低而增加，0.2 1km处达到了最大值35.8dBZ；2.5 3.0 k m 高度范围平均Z增加速率明显大于其他高度，说明中雨强此范围粒子碰并增长效果较强。大雨强9 km以下平均Z随着高度降低逐渐增加，0.2 1km处达到了最大值39.5dBZ;2.53.5km高度范围平均Z增加速率明显大于其他高度，说明大雨强该范围粒子聚合碰并增长效果较强。多数情况下降雨强度越大，相对应的平均Z越大，但3.54.4km中雨强与大雨强平均Z几乎相同，7.2 8.2 km小雨强、中雨强、大雨强的平均Z几乎相等，11.6 km以上小雨强和大雨强平均Z相差无几，中雨强的平均乙大于前两者；小雨强、中雨强、大雨强在高层中均有随着高度降低平均乙急剧增加后减小的现象，表明冰粒子先显著增加后由于聚合作用减少，小雨强、中雨强、大雨强出现该现象的范围分别为10.5 11.5km、11 13k m、911.5 km。由于零度层以上的云是固态的，图7 与图9 液态水含量取1.7 5km以下的云进行分析。图7 b表明小雨强、中雨强、大雨强1.7 5km以下平均LWC随着高度变化的趋势与平均乙一致，随着高度的增加而减小。1.7 5km处小雨强、中雨强、大雨强平均LWC分别为1.12 gm、2.2 8 g m、2.9 3g m3,0.21km处平均LWC小雨强为1.5gm3，中雨强为4.2 gm，大雨强为7.3gm。图8、图9、图10 分别是小雨强、中雨强、大雨强降雨云Z、LW C、V的NCFAD。小雨强10 km以上降雨云占总云的比例较小，Z基本在OdBZ以下，主要集中在两个高度范围，分别是0.2 12.00km、2.0 4.2 k m，Z主要集中在2 432 dBZ、162 6 d BZ，Z的最大值为48 dBZ（图8 a）。中雨强9 km以上降雨云占总云的比例较小，Z基本在10 dBZ以下，主要集中在两个高度，分别是0.212.50 k m、2.0 4.2 k m，Z主要集中在2 9 38dBZ、152 5d BZ，Z最大值为46 dBZ（图8 b）。大雨强9 km以上降雨云占总云的比例较小，Z基本在5dBZ以下，主要集中在两个高度，分别是0.212.50 k m、2.0 4.4k m，Z主要集中在3142dBZ、16 2 6 d BZ，Z最大值为48 dBZ（图8 c）。小雨强、中雨强、大雨强乙归一化等频率高度图趋势一致，但随着雨强的增加乙越集中。不同雨强764Vol.47ChinesnaSciences47卷学科14(a)-Iprecipitationb)一Iprecipitationllprecipitation-llprecipitation1.6-Ill precipitation-Ill precipitation121.4101.2860.840.620.40-20-10010