科研解读 | 凇附增长对雪晶形状和双偏振雷达观测量的影响

凇附增长对雪晶形状和双偏振雷达观测量的影响

（研究方向：云物理+雷达气象）

本文相关文章 “How Does Riming Affect Dual-Polarization Radar Observations and Snowflake Shape?” 发表于JGR: Atmospheres。第一作者李浩然博士（haoran.li@helsinki.fi）毕业于赫尔辛基大学，合作作者为赫尔辛基大学Dmitri Moisseev教授，芬兰气象局Annakaisa von Lerber博士。

1. 什么是凇附？

雪晶的增长主要有三种方式：

1）凝华（deposition）：水汽扩散到不规则的冰晶表面并凝结。

2）丛集（aggregation）：多个冰晶之间由于粘连或钩连而连在一起，形成更大的冰晶。

3）凇附（riming）：冰晶在下落过程中与云中的过冷水滴碰撞并冻结。如图1所示，当凇附足够强的时候，就会形成霰（xian）。

2. 为什么需要研究凇附？

1）对降水量和强度有重要影响。对降雪的直接观测发现40-100%的累积降雪量可能归因于凇附增长。已有观测表明雪晶凇附的程度和降雪强度直接相关。

2）天气和气候尺度上影响云-气溶胶相互作用。在冰相云微物理过程中，气溶胶的第二间接效应可以通过凇附实现。气溶胶浓度增加，过冷水粒径减小，凇附增长的强度减弱，降水随之减弱。

3. 研究目标

1）定量研究凇附对雪晶形状的影响。目前，数值模式（例如Morrison 的P3方案）对凇附的参数化还存在一定的困难。挑战之一就是缺乏观测实验量化凇附对雪晶形状的影响。而雪晶的形状又是模式参数化方案中的关键参量。

2）研究凇附对双偏振观测量的影响。随着双偏振天气雷达在世界各地的组网，基于双偏振数据的水凝物分类在科学研究和业务中显示出巨大的应用潜力。然而，由于冰晶粒子在形状和密度等特性上变化很大，双偏振观测量对云中冰相过程的解译存在较大不确定性。因此，研究双偏振观测量对凇附增长的响应有望进一步提升水凝物分类的算法。

4. 研究方法

基本原理：利用双偏振雷达Zdr数据对粒子形状敏感的特性反演雪晶的轴比（椭球体近似）。

结合C波段双偏振雷达Zdr数据和地面粒子微物理测量仪反演的质量-粒径（m-D）关系，基于T矩阵方法反演了雪晶粒子的形状并量化了凇附质量比（FR）对雪晶轴比的影响。

5. 结论与讨论

1）凇附对雪晶形状和Zdr的影响可以根据FR=0.5分为两个阶段（图4）：

第一阶段：过冷水滴填入雪晶内的缝隙。雪晶的形状保持不变，质量增加，因此Zdr略有上升。

第二阶段：由于过冷水滴已经填满雪晶内的缝隙，现在开始改变雪晶的形状。此时，雪晶变得逐渐接近球形（轴比增加），Zdr因此降低并趋于0 dB。

2）双偏振雷达观测量对凇附的探测能力（图5）：

当雷达反射率因子（Ze）低于15dB时，Zdr和Kdp与FR并无明显关系。

当雷达反射率因子高于15dB时，区域1中的粒子凇附程度较重，而区域2中受凇附影响很小。

注：虽然本文以降雪为研究对象，但对层状降雨系统的观测也有重要意义。因为融化层之上即是冰相微物理过程。后续的文章中将介绍冰相微物理过程与融化层之间的联系。

原文链接：

• https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2017JD028186
• https://www.researchgate.net/publication/325160668_How_Does_Riming_Affect_Dual-Polarization_Radar_Observations_and_Snowflake_Shape