科研解读 | 用多波段和双偏振雷达解译冰晶的增长和融化过程

用多波段和双偏振雷达解译冰晶的增长和融化过程

（研究方向：云物理+雷达气象）

1. 层状云降水系统中的主要冰相微物理过程

产生冰晶：大气冰核（一般发生在云顶），冰晶的繁生（二次冰晶过程）。

冰晶的增长：凝华（deposition），丛集（aggregation），和凇附（riming）等（详见上一篇文章：凇附增长对冰晶形状和双偏振雷达观测量的影响）。

冰晶的融化：水凝物实现从固相到液相的转化。

挑战:

目前，数值模式对上述过程的描述都存在较大不确定性。主要原因在对这些微物理过程的认识还非常不充分，缺乏有效的观测数据来增进对这些过程的理解。

2. 研究背景

1）即使是目前先进的双偏振天气雷达对云中微物理过程的反演仍然存在很大不确定性。近年，多波段雷达（W + Ka + C/X/Ku）技术显示出在遥感冰晶微物理特性方面的潜力。欧洲开展的地基观测和北美开展的空基观测实验进一步验证了多波段雷达遥感的实际应用价值。然而，多波段雷达在遥感冰晶微物理方面的短板也是显而易见的。例如：过冷水、降雨和融化的冰晶对毫米波雷达信号的强烈衰减难以量化，从而可能在反演中引入很大的误差。

2）冰晶的融化过程不仅实现了粒子相态的转化，还改变了粒子的形状、密度和下落速度，并可能剧烈地改变粒子的谱分布。与融化过程相伴随的还有水凝物粒子与周围环境间强烈的潜热交换。这种对大气热力结构的调整可能影响整个降水过程的发展，并诱发暴雪等灾害。正是由于融化层内部复杂的微物理和热力过程，对融化层的观测始终是云降水物理中的难点。

3）长期以来，对融化层的研究主要依赖飞机做“螺旋式”穿云观测或者利用雷达遥感数据。飞机探测的优点是可以直接观测冰晶融化的整个生命史，然而目前可用的观测资料仍然很有限。融化层在雷达反射率因子产品上表现为一条明显的亮带，这就是大家熟悉的“零度层亮带”。过去几十年，很多科学家针对亮带的特性开展了大量的研究，并在这些研究的基础上建立了各种冰晶的融化模型。

4）随着双偏振雷达资料的广泛使用，偏振数据在融化层中的特性逐渐受到关注。比较普遍的认识是Zdr，RHO_hv等偏振量在融化层中会发生剧烈变化，并被用来识别融化层。从云微物理的角度，融化层的这些雷达特征受到上层冰相过程的影响。例如，麦吉尔大学的Zawadzki等通过模拟发现，凇附过程对亮带的强度有削弱的作用。这种融化层特征还可以和下层的雨滴谱分布联系起来，例如Sarma等，Lin等发现亮带的细节特征可用于提升雷达定量估测降水。

而利用融化层特征估计上层复杂的冰相过程也越来越引起重视。例如，宾州州立大学的Kumjian等发现凇附会使融化层的雷达信号下移，形成“下沉零度层亮带”（saggy bright band）。但是，俄克拉荷马大学的Carlin和Ryzhkov发现，下沉零度层亮带的形成是由多种因素造成的。这些争论从一个侧面反映了我们对云微物理过程认识的不足，同时反映了学界的期待：希望寻找有效的融化层特性用以估计上层的冰相过程。

3. 研究目标

1）建立一套基于X和Ka波段雷达观测资料的云微物理反演方法。

2）系统分析融化层的雷达信号与上层冰相微物理过程之间的联系。

4. 主要结论

1）建立了一套基于X和Ka波段多普勒雷达的云微物理反演方法。该方法以三波段遥感技术为基础，规避了W波段强烈的信号衰减问题，用X波段的多普勒速度代替W波段的反射率因子。图3为基于2014年芬兰中部的BAECC实验观测数据的模拟结果。该结果表明，可以利用X/Ka波段雷达反射率因子比率DWR(X, Ka)和Vx数据反演冰晶粒子的凇附程度。

2）发现降水强度的增加是引起下沉零度层亮带的主因（图4）。在降水强度较大时，凇附可能引起亮带下沉，而弱降水时的结果相反。该结果与Carlin和Ryzhkov的模拟实验结论更接近。

3）融化层的亮带特征与雷达波长有很大关系。在降水强度较大时，X波段的亮带特征并不会进一步增加（图4），主要原因是大的雪晶聚集体在X波段的非Rayleigh散射逐渐明显。在Ka波段（图5），融化层的亮带特征在弱降水时较明显，而强降水时并无明显亮带。

4）对比X和Ka波段的亮带特征，可以发现一个有趣的现象。在X波段，未凇附雪晶对应的亮带特征比凇附的雪晶更加明显，这个被Zawadzki等解释为“密度效应”。而在Ka波段，结果相反。这是由于给定降水强度，凇附的雪晶粒径更小，更不易受非Rayleigh散射的影响，因此其亮带特征比未凇附的雪晶更明显。

5）与厘米波段的亮带特征不同，W波段反射率因子廓线在0度附近可能出现局地降低，这个现象被称为“零度层暗带”。Heymsfield等认为该暗带特征的形成与冰晶粒子在0度附近剧烈的丛集增长相关。

从图6可以发现，未凇附的雪晶对应着明显的暗带特征，但是凇附的雪晶并没有明显的暗带特征。这个结果表明凇附增长可能对丛集增长存在潜在的排斥作用。

6）Ka波段的LDR廓线与X波段反射率因子类似。随着降水强度的增加，LDR在融化层的增加量越来越显著。有趣的是，融化层中Ka波段反射率因子对凇附的响应与X波段相反，而Ka波段的LDR跟X波段反射率因子的变化特征相近。虽然类似结果之前也被报道过，但仍未被充分地解释。

Tips: 在做融化层廓线统计的时候，一个让人头疼的问题是“真正的融化层顶部在哪里？”。反射率因子、多普勒速度和偏振量廓线估计出来的融化层顶高度往往存在几十米甚至一到两百米的误差。目前为止，似乎还没有确定融化层顶部的“黄金方法”。即使是被认为“基准”的探空气球也存在与雷达观测区域时空不匹配的问题。下一篇文章将介绍一个新的“黄金标准”，力挺“古老”的反射率因子方法。

本文相关文章“Towards the connection between snow microphysics and melting layer: insights from multifrequency and dual-polarization radar observations during BAECC”发表于ACP。第一作者李浩然博士（haoran.li@helsinki.fi）毕业于赫尔辛基大学，合作作者为芬兰环境研究所Jussi Tiira博士，芬兰气象局Annakaisa von Lerber博士，赫尔辛基大学Dmitri Moisseev教授。

原文链接：

https://acp.copernicus.org/articles/20/9547/2020/

https://www.researchgate.net/publication/340412547_Towards_the_connection_between_snow_microphysics_and_melting_layer_Insights_from_multi-frequency_and_dual-polarization_radar_observations_during_BAECC