基于多源資料的積層混合云降水微物理特征

王洪 2, 張佃國(guó) 2 王文青 2 王俊 2 李毅 王爍 2

1 山東省氣象科學(xué)研究所, 濟(jì)南 250031

2 山東省人民政府人工影響天氣辦公室, 濟(jì)南 250031

3 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

4 西安華騰微波有限責(zé)任公司, 西安 710119

1 引言

積層混合云指大范圍層狀云中鑲嵌多個(gè)對(duì)流單體，其生命周期長(zhǎng)，常常帶來(lái)大范圍的持續(xù)性或間歇性降水。積層混合云是我國(guó)北方地區(qū)重要的降水系統(tǒng)（亓鵬, 2019），也是緩解北方春季干旱開(kāi)展人工增雨的主要作業(yè)對(duì)象（林磊和姚展予, 2011）。在積層混合云降水中，大范圍濕潤(rùn)的層狀云為對(duì)流云提供飽和的水汽條件，伴隨著層狀云中的水汽輻合場(chǎng)，促使對(duì)流云的發(fā)展以及降水的維持（洪延超, 1996a, 1996b）。因此，積層混合云降水的效率較高，而針對(duì)積層混合云降水的研究一直是云降水研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來(lái)，隨著利用空中水資源需求的增加，積層混合云系作為一種增雨潛力較大的降水云系，研究其云微物理結(jié)構(gòu)和降水機(jī)制是研究人工增雨作業(yè)及其效果評(píng)估的有效途徑，對(duì)提高我國(guó)北方地區(qū)人工影響天氣水平有重要意義。

對(duì)積層混合云宏觀特征的研究表明，大量降水云系的雷達(dá)反射率都表現(xiàn)出積層混合云降水云系的回波特征，如層狀云前后的對(duì)流云帶、多單體及鑲嵌著對(duì)流云回波的層云等（Anagnostou, 2004）。而我國(guó)北方的積層混合云降水云系大多是西風(fēng)帶長(zhǎng)波系統(tǒng)及副熱帶環(huán)流系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的，冷鋒、切變線和低槽等天氣系統(tǒng)往往是積層混合云降水的成因（林磊和姚展予, 2011）。對(duì)積層混合云微物理特征的研究，我國(guó)不同地區(qū)表現(xiàn)出不同特征。對(duì)東北的層狀云分析發(fā)現(xiàn)云中冰晶濃度和云頂溫度有關(guān)（孫可富和游來(lái)光, 1965），對(duì)河套低壓的降水性層狀云做了21架次的飛機(jī)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)?10°C 以上很少有液態(tài)水存在，降水強(qiáng)度與云層厚度、暖云厚度、云底溫度及液態(tài)水含量的相關(guān)性較好（汪學(xué)林等, 1982）。環(huán)北京地區(qū)的3架飛機(jī)對(duì)華北地區(qū)積層混合云進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，結(jié)果表明，云頂溫度、云中所處位置等因素均對(duì)云內(nèi)冰晶的形狀、分布及增長(zhǎng)有影響（朱士超, 2014）。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為淺對(duì)流云系上部的冰晶在寬冷鋒雨帶及暖鋒雨帶降水過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用。高層向下播撒的冰晶在經(jīng)過(guò)下層供給云區(qū)時(shí)聚合水汽增長(zhǎng)（Herzegh and Hobbs,1980）。

云的生消演變通常很難迅速在宏觀特性上有所體現(xiàn)，要研究云滴的核化、凝結(jié)凝華增長(zhǎng)、蒸發(fā)、碰并等云微物理過(guò)程，就需要用微觀特征參數(shù)來(lái)表示不同階段的云特性，從而更深層次揭示云微物理過(guò)程。目前，基于各種人影特種觀測(cè)設(shè)備以及常規(guī)探測(cè)儀器開(kāi)展的觀測(cè)為云降水的研究積累了大量寶貴的資料，但是受儀器探測(cè)原理的制約，很難找出一種設(shè)備適用于所有類(lèi)型云的觀測(cè)，都有自身的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。毫米波云雷達(dá)可以穿透含水量高的混合相云，對(duì)弱降水云和非降水云也有較高的靈敏性(Kropfli et al., 1995)，是探測(cè)云和弱降水三維結(jié)構(gòu)和微物理參數(shù)非常重要的手段（劉黎平等, 2014），機(jī)載和基地云雷達(dá)的聯(lián)合應(yīng)用可以彌補(bǔ)和驗(yàn)證兩者的空間資料，但由于降水粒子對(duì)毫米波云雷達(dá)的衰減（吳舉秀等, 2015），限制了其在強(qiáng)降水中的應(yīng)用。微雨雷達(dá)可以彌補(bǔ)一般的圓錐掃描式雷達(dá)在底層資料的不足，得到垂直方向上的雨滴譜資料，但其反演算法受米散射、垂直氣流（王洪等, 2017,2020）以及固態(tài)降水（Peters et al., 2002）等的影響。尤其是當(dāng)近地層環(huán)境下沉氣流大于2.00 m s?1時(shí)，理論上反演的直徑超出了微雨雷達(dá)探測(cè)的閾值，雨滴譜數(shù)據(jù)不可用。因此，上述誤差源限制了微雨雷達(dá)產(chǎn)品在零度層以上、強(qiáng)垂直氣流以及降雪等場(chǎng)景的應(yīng)用。地基天氣雷達(dá)S 波長(zhǎng)信號(hào)的衰減雖然很少（張培昌等, 2001），但影響其可靠性的因素中，除了常見(jiàn)的超折射、地物雜波等，雷達(dá)反射率本身的也存在誤差（張帥等, 2019），再者，相對(duì)于Ka 和Ku 波長(zhǎng)的雷達(dá)，S 波長(zhǎng)天氣雷達(dá)的時(shí)空分辨率也不占優(yōu)勢(shì)。各種遙感設(shè)備的聯(lián)合觀測(cè)能更準(zhǔn)確地了解云特性，更好地研究云物理過(guò)程。為人工影響天氣作業(yè)及其研究提供全方位的觀測(cè)資料，對(duì)于把握人工影響天氣作業(yè)時(shí)機(jī)和條件，提高人工影響天氣作業(yè)的效率和科學(xué)性非常重要；為實(shí)現(xiàn)云的業(yè)務(wù)自動(dòng)化、精細(xì)化觀測(cè)提供基礎(chǔ)支持（黃佳歡,2016）。

積層混合云降水中不同云系的微物理特征反映了云動(dòng)力學(xué)與微物理學(xué)之間的相互制約，對(duì)了解降水產(chǎn)生的物理機(jī)制有重要作用。本文選取2018年4月22日一次典型積層混合云降水，采用地基云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、S 波段天氣雷達(dá)等地基觀測(cè)手段，配合機(jī)載Ka 波段云雷達(dá)和DMT 云降水粒子探測(cè)系統(tǒng)等機(jī)載探測(cè)資料獲取的云微物理參數(shù)，張佃國(guó)等（2020）基于機(jī)載探測(cè)設(shè)備對(duì)本個(gè)例對(duì)流泡中的微物理參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)和分析，本文以地基探測(cè)設(shè)備為主，深入分析本個(gè)例中層狀云降水、對(duì)流云降水不同階段的微物理特征以及零度層亮帶的微物理特征，剖析典型積層混合云降水微物理過(guò)程的發(fā)展演變特征，深入研究積層混合云降水的垂直結(jié)構(gòu)，以期對(duì)積層混合云降水微物理過(guò)程有更深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)云的觀測(cè)及揭示積層混合云降水生消演變和大氣中熱力、動(dòng)力過(guò)程提供科技支撐。

2 儀器介紹

2.1 地基觀測(cè)設(shè)備

地基觀測(cè)設(shè)備有8 mm 波長(zhǎng)云雷達(dá)，1.25 cm波長(zhǎng)微雨雷達(dá)，以及S 波段天氣雷達(dá)。其中云雷達(dá)和微雨雷達(dá)安裝在山東省氣象局樓頂，為同址觀測(cè)，S 波段雷達(dá)位于山東齊河，距離云雷達(dá)和微雨雷達(dá)的直線距離約20 km。

地基云雷達(dá)為HT101 型全固態(tài)Ka 波段測(cè)云儀，中心頻率35 GHz，天線口徑2.4 m，采用全固態(tài)、準(zhǔn)連續(xù)波體制和脈沖壓縮的信號(hào)，頂空垂直探測(cè)，獲取云頂高、云底高、雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬等，實(shí)現(xiàn)云降水連續(xù)演變過(guò)程的探測(cè)。

微雨雷達(dá)波長(zhǎng)1.25 cm（K 波段，24.23 GHz），采用連續(xù)調(diào)頻技術(shù)（FM-CW），電磁波在調(diào)波器里震蕩后發(fā)射，傳輸?shù)碾姶挪◤?qiáng)度約為 50 m W，天線直徑約為 60 cm。波束寬度為 2°，在振蕩器內(nèi)將散射回來(lái)的電磁波在信號(hào)處理器中比較其頻率的變化，即多普勒頻移，可以得到降水粒子的下落速度。假設(shè)環(huán)境空氣的垂直速度為零，根據(jù)液態(tài)雨滴直徑與下落末速之間的關(guān)系可以獲取雨滴譜的垂直分布，通過(guò)雨滴譜可反演得到雷達(dá)反射率因子、雨強(qiáng)、液態(tài)含水量等降水參數(shù)的廓線信息（王洪等,2017）。為避免垂直氣流和冰相對(duì)微雨雷達(dá)反演參數(shù)的影響，只分析層狀云降水時(shí)零度層以下的微雨雷達(dá)參數(shù)。

S 波段天氣雷達(dá)為CINRAD/SA 多普勒天氣雷達(dá)，波長(zhǎng)10 cm，采用VCP21模式進(jìn)行觀測(cè)，9 個(gè)仰角，體掃時(shí)間約6 min。上述雷達(dá)的具體參數(shù)如表1。

2.2 機(jī)載觀測(cè)設(shè)備

機(jī) 載 Ka 波 段 云 雷 達(dá)（Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar，KPR）和DMT（Droplet Measurement Technologies）粒子測(cè)量系統(tǒng)為同步觀測(cè)，分別掛載于空中國(guó)王350 飛機(jī)機(jī)翼兩側(cè)下方，云雷達(dá)由美國(guó)Prosensing 公司生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的云物理探測(cè)裝備。 KPR 工作波段為Ka 波段，工作頻率35 GHz，發(fā)射脈沖寬度為 20 μs。采用線性極化平板陣列，兩根天線同時(shí)向上和向下發(fā)生脈沖對(duì)，得到飛機(jī)上下剖面的雷達(dá)反射率因子、多普勒速度以及譜寬等云微物理信息，其參數(shù)與三種地基雷達(dá)比對(duì)如表1 所示。

表1 觀測(cè)設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of the observation equipment

機(jī)載DMT 粒子測(cè)量系統(tǒng)，包括云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器 CCN（Cloud Condensation Nuclei Counter）、被動(dòng) 腔 氣 溶 膠 探 頭PCASP（Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe）、云粒子組合探頭CCP（Cloud Combination Probe）[包括云粒子探頭（CDP，Cloud Droplet Probe）和云粒子圖像探頭（CIP，Cloud Imaging Probe)]、降水粒子探頭PIP（Precipitation Imaging Probe）、綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)AIMMS30（ Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System），可獲取云中粒子二維圖像，氣溶膠、云滴、雨滴等云微物理參數(shù)及相關(guān)宏觀信息（詳細(xì)見(jiàn)表2）。

表2 機(jī)載DMT 粒子測(cè)量設(shè)備參數(shù)Table 2 Parameters of the airborne DMT particle measurement equipment

地基云雷達(dá)和機(jī)載云雷達(dá)均為垂直觀測(cè)，因此多普勒速度即為粒子的垂直速度，包含了粒子本身的下落速度和環(huán)境空氣的垂直速度，而與環(huán)境空氣的水平速度無(wú)關(guān)；忽略湍流的前提下，譜寬主要反映了散射體內(nèi)部降水粒子下落速度的差異和空氣湍流的差異（劉黎平等, 2012）。其中多普勒速度值朝向雷達(dá)為負(fù)，遠(yuǎn)離雷達(dá)為正。

3 數(shù)據(jù)處理

為了便于資料分析，對(duì)機(jī)載云雷達(dá)進(jìn)行了地面回波濾除與高度訂正。圖1a 給出了機(jī)載云雷達(dá)原始反射率因子隨時(shí)空變化圖，可以看出機(jī)載云雷達(dá)是以飛機(jī)飛行高度為基準(zhǔn)（即零點(diǎn)高度），上下兩束脈沖分別對(duì)天頂和地面進(jìn)行垂直觀測(cè)，圖1a 中0 km 高度的水平直線即為飛機(jī)的飛行軌跡，軌跡上方高度為正，軌跡下方高度為負(fù)。軌跡上下雷達(dá)回波即為飛機(jī)飛行過(guò)程中上下云層的回波，?5 km左右強(qiáng)回波為地面回波。分析發(fā)現(xiàn)地面強(qiáng)回波有一定的規(guī)律可循，地面強(qiáng)回波值大小不固定，其值一般為60 dBZ以上，另外，且其顯著的特點(diǎn)是以地面為基準(zhǔn)，地面上下同樣庫(kù)數(shù)的距離內(nèi)存在同樣強(qiáng)度大小的雷達(dá)反射率因子。為了直觀地分析不同高度上機(jī)載云雷達(dá)的反射率因子的時(shí)空變化，基于飛機(jī)的飛行高度，對(duì)機(jī)載云雷達(dá)回波進(jìn)行高度訂正和地面回波去除。

首先剔除沿飛機(jī)飛行軌跡上的強(qiáng)回波，即剔除第316～325 個(gè)距離庫(kù)上的雷達(dá)反射率因子；其次進(jìn)行地面強(qiáng)回波訂正，已知飛機(jī)飛行的海拔高度為h，原始回波的探測(cè)高度為Xi（i=1～640，i為第i個(gè)距離庫(kù)，下同），計(jì)算h+Xi=0時(shí)的距離庫(kù)I，將Z(I?10:I+10)的值賦空，即剔除該值；最后進(jìn)行回波高度訂正，在前兩步基礎(chǔ)上，已知飛機(jī)飛行的海拔高度為h，原始回波的探測(cè)高度為Xi(i=1～640)，則實(shí)際回波的相對(duì)于地面的高度Hi=h+Xi(i=1～640)，機(jī)載云雷達(dá)探測(cè)到的雷達(dá)反射率因子Zi對(duì)應(yīng)的高度則由原來(lái)的Xi轉(zhuǎn)換為Hi(i=1～640)。經(jīng)過(guò)上述三步訂正后得到圖1b 機(jī)載云雷達(dá)反射率因子在時(shí)間和高度軸上的剖面，圖中白色曲線即為飛機(jī)的飛行高度，此處不進(jìn)行插值處理，方便更好地了解每個(gè)時(shí)次飛機(jī)高度。

圖1 2018年4月22日（a）機(jī)載云雷達(dá)原始反射率因子的時(shí)空剖面和（b）機(jī)載云雷達(dá)反射率因子高度訂正后的時(shí)空剖面。BJT：北京時(shí)間Fig. 1 (a) Raw radar reflectivity and (b) corrected radar reflectivity presented in time vs. height coordinates measured by the airborne cloud radar on 22 April, 2018. BJT: Beijing Time

在對(duì)機(jī)載云雷達(dá)進(jìn)行了地面回波濾除與高度訂正的基礎(chǔ)上，本文直接使用了微雨雷達(dá)和云雷達(dá)的反演產(chǎn)品，如雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬等參數(shù)，檢驗(yàn)不同波長(zhǎng)雷達(dá)在探測(cè)對(duì)流云降水、層狀云降水時(shí)的能力，討論各種遙感設(shè)備聯(lián)合觀測(cè)的必要性。

4 天氣背景

2018年4月21～22日受低層倒槽，低空急流及低層切變線共同影響，一次積層混合云降水影響山東，云系自西向東移動(dòng)。此次降水從21日16時(shí)（北京時(shí)，下同）開(kāi)始，持續(xù)至22日16時(shí)，持續(xù)約24 小時(shí)，濟(jì)南地區(qū)累計(jì)降水量57.8 mm。

山東省人工影響天氣辦公室租用探測(cè)飛機(jī)空中國(guó)王350（編號(hào)10JQ）于4月22日上午實(shí)施飛機(jī)探測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)飛行軌跡及地基遙感探測(cè)設(shè)備位置如圖2 所示。其中黑色實(shí)線為飛機(jī)飛行軌跡，箭頭為飛機(jī)飛行方向；黑色三角位云雷達(dá)、微雨雷達(dá)的位置；黑色實(shí)心圓代表起降機(jī)場(chǎng)（濟(jì)南遙墻機(jī)場(chǎng)）位置。

圖2 2018年4月22日10:20 齊河天氣雷達(dá)組合反射率因子（單位：dBZ）。黑色實(shí)線為飛機(jī)飛行軌跡，箭頭代表了飛機(jī)的飛行方向；黑色三角為云雷達(dá)、微雨雷達(dá)的位置；黑色實(shí)心圓代表起降機(jī)場(chǎng)（遙墻機(jī)場(chǎng)）位置Fig. 2 Composite reflectivity factor (units: dBZ) of the Qihe weather radar at 1020 BJT on April 22, 2018. The black solid line is the flight path of the aircraft, and the arrow represents the flight direction of the aircraft. The black triangular area shows the positions of the cloud radar and microrain radar. The black solid circle represents the location of the takeoff and landing airport (Jinan Yaoqiang Airport)

圖3 給出了飛機(jī)飛行高度、機(jī)載AIMMS30 系統(tǒng)探測(cè)到的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，飛機(jī)從濟(jì)南遙墻機(jī)場(chǎng)起飛后，高度直線上升，09:45 左右上升到此次飛行最大高度4900 m，2018年4月22日08時(shí)L 波段探空顯示0°C 層高度在4202 m，4900 m 高度溫度在?6°C 左右。值得注意的是，09:33 飛機(jī)處于地面開(kāi)機(jī)狀態(tài)，起飛后溫度下降了約3°C，迅速回升后又開(kāi)始持續(xù)下降，從而造成了溫度的“V”字型。結(jié)合探空溫度廓線和附近微波輻射計(jì)溫度廓線（圖略）可知，此次過(guò)程山東中部區(qū)域在500 m至1 km 多的高度上存在逆溫層，即隨著高度的增加，溫度經(jīng)歷“降低—升高—持續(xù)降低”的過(guò)程。

圖3 2018年4月22日飛機(jī)飛行高度以及機(jī)載AIMMS30 系統(tǒng)探測(cè)到的溫度隨時(shí)間的變化Fig. 3 Flight altitude and temperature measured by the airborne AIMMS30 system changes over time on April 22, 2018

5 結(jié)果分析

5.1 不同降水類(lèi)型微物理過(guò)程

2018年4月21日16:00時(shí) 至4月22日16:00時(shí)降水，濟(jì)南地區(qū)云雷達(dá)和微雨雷達(dá)均觀測(cè)到一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間跨度層狀云降水，鑲嵌著短時(shí)對(duì)流云降水。該時(shí)段，天氣雷達(dá)上可見(jiàn)大范圍積層混合云系自西南向東北經(jīng)過(guò)濟(jì)南地區(qū)，其中短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)最大可達(dá)30 mm h?1。圖4a–c 給出了天氣雷達(dá)、微雨雷達(dá)、地基云雷達(dá)在山東省氣象局這一位置雷達(dá)反射率因子隨時(shí)空變化趨勢(shì)，可以看出三者隨時(shí)間變化大體趨勢(shì)一致，微雨雷達(dá)和天氣雷達(dá)由于探測(cè)高度的限制，無(wú)法觀測(cè)云頂信息。從云雷達(dá)時(shí)空剖面可看出云頂高度隨時(shí)間演變，4月22日08時(shí)開(kāi)始，云頂高度開(kāi)始下降，12時(shí)以后降水趨于減弱至結(jié)束。

由圖4a–c 可知，三部雷達(dá)在約4 km 高度上均出現(xiàn)零度層亮帶，微雨雷達(dá)在3.5～4 km 高度上存在零度層亮帶，厚度約500 m；云雷達(dá)零度層雷達(dá)反射率因子梯度較大，厚度難辨，與亮帶下部降水雷達(dá)反射率因子值相當(dāng)。天氣雷達(dá)雖然也能觀測(cè)到零度層亮帶，但由于其垂直分辨率限制，亮帶上下邊界模糊。值得注意的是，地基云雷達(dá)為脈沖壓縮雷達(dá)，其發(fā)射寬的脈沖波，在接收機(jī)中對(duì)收到的回波信號(hào)加以壓縮處理，以得到窄脈沖。脈沖壓縮能解決距離分辨率和作用距離之間的矛盾。在寬窄脈沖切換時(shí)因?yàn)椴煌拿}寬在同一距離庫(kù)上探測(cè)靈敏度不同，會(huì)形成脈沖拼接縫，文中地基云雷達(dá)采用1 μs、5 μs 和20 μs 的組合脈沖壓縮到0.2 μs 進(jìn)行探測(cè)。綜合考慮作用距離、分辨率、以及靈敏度之間的特點(diǎn)，采用在1.2 km 和3.6 km 對(duì)雷達(dá)反射率因子進(jìn)行拼接（圖4b），而速度和譜寬則由頻率偏移計(jì)算得到，因此不存在拼接的問(wèn)題。此個(gè)例中，從地基云雷達(dá)的粒子下落速度（圖8b）和譜寬（圖8c）中可以看到，雷達(dá)反射率因子在3.6 km高度的拼接縫與零度層亮帶重合。相對(duì)于云雷達(dá)，微雨雷達(dá)在觀測(cè)零度層亮帶的厚度上較為明顯，因此，微雨雷達(dá)可以用來(lái)判斷零度層亮帶厚度（Wang et al., 2017）。零度層亮帶以下，雷達(dá)反射率因子呈增大趨勢(shì)。分析時(shí)間序列表明，零度層亮帶間歇性缺失，即中間間歇性的存在對(duì)流性降水且降水不連續(xù)。值得注意4月21日23:10～23:45時(shí)段，天氣雷達(dá)反射率因子較大，最大可達(dá)40 dBZ，此時(shí)地面雨強(qiáng)最大為25 mm h–1（圖4d），雷達(dá)反射率因子大值區(qū)一直伸展到7.2 km，7.2 km 以上由于天氣雷達(dá)在微雨雷達(dá)這個(gè)位置探測(cè)高度限制，無(wú)法探測(cè)到云頂，F(xiàn)Y2 衛(wèi)星反演云頂高度（ztop）顯示微雨雷達(dá)這個(gè)位置云頂高度大于11 km（圖4e），說(shuō)明此時(shí)對(duì)流發(fā)展旺盛，云頂高度較高，云頂溫度（ttop）較低，約為–60°C（圖4e）。而同樣時(shí)段（23:10～23:45）微雨雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面顯示2.5 km 以上雷達(dá)反射率因子呈“V”字形缺口；地基云雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面顯示1 km 以上雷達(dá)反射率因子呈“V”字形缺口，說(shuō)明此時(shí)間段降水粒子的尺度較大，對(duì)微雨雷達(dá)和云雷達(dá)衰減較嚴(yán)重，云雷達(dá)衰減程度大于微雨雷達(dá)，即波長(zhǎng)越短受衰減影響越大?？梢?jiàn)，在雨強(qiáng)較大時(shí)，云雷達(dá)和微雨雷達(dá)由于波長(zhǎng)限制，受粒子衰減影響較大，文中進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著高度升高，衰減影響越大（孫豪等, 2017）。為了進(jìn)一步分析不同波長(zhǎng)雷達(dá)在不同高度上的衰減程度，圖4f–i 分別給出了23:10～23:45時(shí)段微雨雷達(dá)、地基云雷達(dá)、天氣雷達(dá)和地面雨強(qiáng)的放大圖，在此時(shí)段，天氣雷達(dá)的最大反射率因子達(dá)到了46.87 dBZ，能觀測(cè)到的云頂回波高度在7.6 km 以上（圖4h），地面雨強(qiáng)24 mm h–1（圖4i），而微雨雷達(dá)和地基云雷達(dá)分別只能觀測(cè)到2.5 km（圖4f）和1 km（圖4g），2.5 km 高度以下，微雨雷達(dá)的最大反射率因子為42.89 dBZ；1 km 高度以下，地基云雷達(dá)的最大反射率因子為12 dBZ。

圖4 2018年4月21～22日（a）微雨雷達(dá)、（b）地基云雷達(dá)和（c）天氣雷達(dá)反射率因子時(shí)空演變趨勢(shì)，（d）微雨雷達(dá)探測(cè)到的地面雨強(qiáng)隨時(shí)間演變；（e）FY2 衛(wèi)星反演的云頂高度（ztop）、云頂溫度（ttop）隨時(shí)間演變；（f–i）同（a–d），但為2018年4月21日23:10～23:45時(shí)段Fig. 4 Radar reflectivity factor presented in time vs. height coordinates during the passage of the rain period on April 21, 2018: (a) Microrain radar;(b) ground-based cloud radar; (c) CINRAD-SA Doppler weather radar. (d) Rain rate near the ground observed by the microrain radar. (e) Cloud-top altitude (ztop) and cloud-top temperature (ttop) retrieved by the FY2 satellite. (f–i) is the same as (a–d), but for 2310 BJT–2345 BJT on April 21, 2018

從機(jī)載云雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面（圖1b）上看，此次降水為明顯的積層混合云降水，回波結(jié)構(gòu)中對(duì)流泡明顯，云頂高度最高約10 km，且云頂邊界呈絲縷狀，表明已冰晶化，這些均與地基云雷達(dá)觀測(cè)（圖4b）一致。由于飛機(jī)觀測(cè)地域范圍比地基設(shè)備大，時(shí)間跨度比地基設(shè)備小，且此次積層混合云過(guò)程降水存在著不均勻性，因此機(jī)載與地基設(shè)備觀測(cè)樣本存在著較大時(shí)空差異。

為了進(jìn)一步分析不同降水階段、不同降水類(lèi)型微物理過(guò)程差異，將本次天氣過(guò)程分為5 個(gè)典型時(shí)段，時(shí)段一（T1）：4月21日16:30～16:55，短時(shí)強(qiáng)降水，云雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面上觀測(cè)不到零度層亮帶，云雷達(dá)多普勒速度、譜寬時(shí)空剖面上均無(wú)明顯躍增線；時(shí)段二（T2）：4月21日21:00～21:40，穩(wěn)定性降水，云雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面上觀測(cè)到明顯零度層亮帶，亮帶下回波較強(qiáng)，云雷達(dá)多普勒速度、譜寬時(shí)空剖面圖上均存在明顯躍增線；時(shí)段三（T3）：4月21日23:20～23:35，短時(shí)強(qiáng)降水，S 波段天氣雷達(dá)時(shí)空剖面上回波較強(qiáng)且無(wú)零度層亮帶，微雨雷達(dá)和云雷達(dá)反射率因子在時(shí)空剖面上均出現(xiàn)“V”字形缺口；云雷達(dá)多普勒速度、譜寬時(shí)空剖面圖上也存在“V”字形缺口；時(shí)段四（T4）：4月22日00:00～01:00，穩(wěn)定性弱降水，S 波段天氣雷達(dá)、微雨雷達(dá)和云雷達(dá)反射率因子在時(shí)空剖面上均能觀測(cè)到零度層亮帶，云雷達(dá)反射率因子在亮帶下的強(qiáng)度較其他時(shí)次較弱，云雷達(dá)多普勒速度、譜寬時(shí)空剖面圖上均存在明顯躍增線；時(shí)段五（T5）：4月22日06:00～06:40，地面為小到中雨量級(jí)，三種不同波長(zhǎng)雷達(dá)均觀測(cè)不到無(wú)零度層亮帶，云雷達(dá)多普勒速度、譜寬時(shí)空剖面圖上均無(wú)明顯躍增線，且圖形存在上凸邊界。分類(lèi)結(jié)果如圖4b，五個(gè)時(shí)段均存在典型特征，下面對(duì)五個(gè)典型時(shí)段進(jìn)行特征分析。其中T2 和T4 兩個(gè)時(shí)段零度層亮帶較明顯，T1、T3、T5 三個(gè)時(shí)段亮帶缺失，分別進(jìn)行合并分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)層狀云降水和對(duì)流云降水進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1.1 典型層狀云降水

T2 和T4 兩個(gè)時(shí)段零度層亮帶較明顯，為典型的層狀云降水。從云雷達(dá)時(shí)空剖面上可以看出4月21日21:00時(shí)前，云頂高度約12 km，云頂呈現(xiàn)絲縷狀，表明已冰晶化（黃毅梅等, 2017），回波強(qiáng)度從云頂往下逐漸增強(qiáng)，對(duì)T2、T4 兩個(gè)時(shí)間段雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬三個(gè)量在不同高度上平均，得到圖5 廓線圖。通常情況下，在混合云中，過(guò)冷水滴直徑小而濃度大，冰雪晶直徑大而濃度?。ɡ钣裆? 2018）。過(guò)冷水滴與云冰雪晶粒子的粒子尺度差異較大，對(duì)應(yīng)下落末速度差異也較大，因此當(dāng)水凝物相態(tài)為過(guò)冷水滴與云冰雪晶粒子共存的混合態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)譜寬相對(duì)較大。若譜寬較小，接近 0 m s–1，理論上只有冰晶粒子或過(guò)冷水滴一種，然而自然界中很難觀測(cè)到純過(guò)冷水，一般是和冰雪晶粒子混合存在（Shupe et al., 2004）。結(jié)合下落末速度的大小來(lái)判斷粒子相態(tài)，通常當(dāng)反射率因子小于–17 dBZ，下落速度小于0.7 m s–1作為判斷過(guò)冷水滴存在的條件（盛裴軒等, 2003; Shupe,2007; 李玉蓮, 2018）。分析圖5a 表明T2 和T4 雷達(dá)反射率因子都從云頂開(kāi)始增大，T2 從12.72 km的–21.10 dBZ逐 漸 增 大 到3.13 km 的3.81 dBZ，T4 從11.70 km 的–24.67 dBZ逐漸 增大到3.72 km的–1.96 dBZ，T2時(shí)段云頂高度更高，云頂雷達(dá)反射率因子值更大（圖5b、c），可見(jiàn)粒子在下落中微物理過(guò)程發(fā)展與T4時(shí)段有差異。從多普勒速度上看，T2 和T4時(shí)段粒子在從12 km 左右下落到6 km 的高度過(guò)程中，多普勒速度變化很小，約為1 m s–1，說(shuō)明在這個(gè)過(guò)程中粒子下落以雪花形態(tài)下落，冰相粒子碰并以攀附聚并為主，粒子的下落速度改變較小。在6 km 高度處，T2時(shí)段粒子的多普勒速度增大，到4.8 km 處出現(xiàn)一個(gè)峰值，約4.86 m s–1，根據(jù)探空曲線，這個(gè)高度溫度為–4.3°C，這個(gè)溫度在大雪團(tuán)易出現(xiàn)溫度區(qū)（0～–5°C）內(nèi)（楊軍等,2011），碰并效率較高（0.1～0.6），且有凇附過(guò)程存在，使得冰晶多普勒速度和譜寬都達(dá)到了極大值。粒子從6 km 下落到4 km 過(guò)程中，T2、T4 都存在明顯的零度層亮帶。由于T4 階段粒子在從6 km 下落到4 km時(shí)反射率因子和下落速度的增長(zhǎng)均相對(duì)緩慢，分別增加了1 dBZ和0.5 m s–1, 雪花主要是靠冰雪晶粒子的叢集碰并增長(zhǎng)。但是由于在T2時(shí)段多普勒速度和譜寬的增大速度和幅度明顯大于T4，由于冰雪晶粒子的增長(zhǎng)速率在過(guò)冷水層中通過(guò)凇附增長(zhǎng)比在冰雪層中通過(guò)碰并增長(zhǎng)更快（李玉蓮, 2018），T2時(shí)段有過(guò)冷水參與，而T4時(shí)段過(guò)冷水參與不多。

圖5 T2（2018年4月21日 21:00～21:40）和T4時(shí)段（2018年4月22日 00:00～01:00）地基云雷達(dá)的（a）反射率因子、（b）多普勒速度和（c）譜寬均值的垂直分布Fig. 5 Vertical distribution of the (a) mean radar reflectivity, (b) Doppler velocities, and (c) spectrum width of the ground-based cloud radar for the periods T2 (2100 BJT–2140 BJT on April 21, 2018) and T4 (0000 BJT–0100 BJT on April 22, 2018)

5.1.2 對(duì)流云降水

T1、T3 和T5 三個(gè)時(shí)段零度層亮帶不明顯，且地面雨強(qiáng)較大，判定為對(duì)流云降水。對(duì)T1、T3和T5 三個(gè)時(shí)段雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬三個(gè)量在不同高度上平均，得到圖6 廓線圖。從5.1 節(jié)分析中可以看到，由于云雷達(dá)波長(zhǎng)較短（8 mm），T3時(shí)段1 km 高度以上雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬均由于衰減而呈現(xiàn)“V”字形缺口。在1 km 高度以下，T1、T3 和T5 三個(gè)時(shí)段中，T3時(shí)段的下落速度是最大的，最大可達(dá)7 m s?1，根據(jù)Atlas et al.（1973）的粒子下落速度與尺度關(guān)系式，得到T3時(shí)段粒子最大尺度可達(dá)2.26 mm，根據(jù)Gunn and Kinzer（1949）的粒子下落速度與尺度關(guān)系式，得到T3時(shí)段粒子最大尺度可達(dá)1.17 mm。對(duì)于云雷達(dá)來(lái)說(shuō)，2.26 mm 或1.17 mm粒子尺度都達(dá)到了米散射臨界值（孫豪等, 2017），均發(fā)生米散射效應(yīng)，導(dǎo)致回波功率譜陡降。T1時(shí)段10 km 高度有卷云存在，其粒子多普勒速度約為0 m s?1，譜寬較小，約為0 m s?1，表明高層卷云粒子尺度很小，無(wú)大粒子存在。T1 和T5時(shí)段降水云的云頂高度最大為7 km，T1時(shí)段云頂存在多普勒速度大于0 的上升氣流，粒子從7 km 高度下降到4 km 高度過(guò)程中，T1時(shí)段粒子多普勒速度和譜寬均大于T5時(shí)段，說(shuō)明在7～4 km 這個(gè)高度范圍內(nèi)，T1時(shí)段云雷達(dá)散射體內(nèi)粒子下落速度和空氣湍流均較大，由圖7a、b、c、d 云雷達(dá)在T1、T5 兩個(gè)時(shí)段粒子多普勒速度和譜寬時(shí)空剖面可見(jiàn)，相對(duì)于T5時(shí)段，T1時(shí)段降水路徑在時(shí)空剖面上是傾斜的（Fabry and Zawadzki, 1995）。這種現(xiàn)象主要原因是當(dāng)有環(huán)境風(fēng)存在時(shí)，降水粒子下落路徑會(huì)從垂直軌道偏離到傾斜軌道（Friedrich et al., 2013），此時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)取決于重力和風(fēng)導(dǎo)致的阻力，這個(gè)阻力來(lái)源于空氣運(yùn)動(dòng)和粒子運(yùn)動(dòng)速度之差。

圖6 T1（2018年4月21日16:30～16:55）、T3（2018年4月21日23:20～23:35）和T5（2018年4月22日06:00～06:40）時(shí)段地基云雷達(dá)的（a）反射率因子、（b）多普勒速度和（c）譜寬均值的垂直分布Fig. 6 Vertical distribution of the mean (a) radar reflectivity, (b) Doppler velocities, and (c) spectrum width of the ground-based cloud radar for the periods T1 (1630 BJT–1655 BJT on April 21, 2018), T3 (2320 BJT–2335 BJT on April 21, 2018), and T5 (0600 BJT –0640 BJT on April 22, 2018)

圖7 地基云雷達(dá)在（a，c）T1（2018年4月21日16:30～16:55） 和（b，d）T5（2018年4月22日06:00～06:40）兩個(gè)時(shí)段粒子多普勒（a，b）速度和（c，d）譜寬的時(shí)空分布Fig. 7 (a, b) Doppler velocities and (c, d) spectrum widths presented in time vs. height coordinates measured by the ground-based cloud radar for the periods (a, c) T1 (1630 BJT–1655 BJT on April 21, 2018) and (b, d) T5 (0600 BJT–0640 BJT on April 22, 2018), respectively

與圖5 對(duì)比，對(duì)流云降水由于觀測(cè)不到明顯的零度層亮帶，因此其雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬的垂直廓線上也觀測(cè)不到值得躍增區(qū)。在零度層以上，尤其是在5、6 km 處，對(duì)流云降水多普勒速度和譜寬均大于層狀云降水，說(shuō)明在對(duì)流云降水時(shí)環(huán)境的垂直氣流、粒子尺度范圍等均大于層狀云降水。

5.2 零度層微物理特征

5.2.1 零度層亮帶參數(shù)特征

選取雷達(dá)反射率因子時(shí)空剖面上零度層亮帶比較穩(wěn)定時(shí)段分析融化層的微物理特征，即2018年4月22日00:00～01:00（簡(jiǎn)稱(chēng)為S1時(shí)段）和07:00～10:00（簡(jiǎn)稱(chēng)為S2時(shí)段），劃分結(jié)果如圖4b。從地基云雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬的垂直剖面（圖8a–c）可以看出，雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬都垂直方向上都存在觀測(cè)值的變率躍增線。為了更清楚地顯示零度層附近參量的特征，圖8 只給出了3～5 km 高度的剖面圖。

圖8 2018年4月21日16:00～4月22日16:00，地基云雷達(dá)的（a）雷達(dá)反射率因子，（b）多普勒速度、（c）譜寬的時(shí)空剖面。左側(cè)小圖為圖（a）縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)高度上飛機(jī)CIP 探頭記錄的粒子圖像Fig. 8 (a) Radar reflectivity factor, (b) Doppler velocities, and (c) spectrum width presented in time vs. height coordinates measured by the groundbased cloud radar from 1600 BJT on April 22 to 1600 BJT on April 22, 2018). The small figures on the left are the particle image recorded by aircraft CIP at the altitude corresponding to the ordinate of panel (a)

圖9 給出了地基云雷達(dá)反射率因子、多普勒速度和譜寬在S1 和S2 兩個(gè)時(shí)間段的平均值廓線。分析表明，S1 和S2 的廓線趨勢(shì)以及三個(gè)參量變率躍增高度極其一致（圖9）?？梢钥吹搅Ｗ釉趶母邔酉侣溥^(guò)程中，穿過(guò)3.8 km 的0°C 層，雷達(dá)反射率因子在3.68 km 高度開(kāi)始顯著增大，3.40 km 高度達(dá)最大值，厚度為0.28 km；多普勒速度的絕對(duì)值從3.62 km 高度開(kāi)始顯著增大，3.30 km 高度達(dá)最大值，厚度為0.32 km；譜寬從6 km 左右開(kāi)始逐漸增大，3.6 km 高度顯著增大，躍增明顯，3.3 km高度達(dá)最大值，厚度約為0.3 km。觀測(cè)結(jié)果與黃毅梅等（2017）的結(jié)論近似，即亮帶中雷達(dá)反射率因子躍增高度比多普勒速度高80 m，多普勒速度躍增高度又比譜寬高20 m。三個(gè)變量躍增高度差異的可能原因：雪花降落到0°C 層，由于溫度升高，表面開(kāi)始融化，其表面具有了水滴反射特性，雷達(dá)反射率因子開(kāi)始躍增，但其下落速度增大不明顯，因此多普勒速度未產(chǎn)生較大變化。當(dāng)雪晶進(jìn)一步融化，下落速度增大導(dǎo)致粒子多普勒速度躍增，因此多普勒速度躍增高度低于雷達(dá)反射率因子的躍增高度80 m。從譜寬角度上分析，雪花穿過(guò)零度層時(shí)，由于表面融化程度較小，仍然具有雪花下落速度，且大小雪花下落速度近似，當(dāng)粒子進(jìn)一步下落并融化時(shí)，小雪花融化快，大雪花融化慢，當(dāng)大小雪花全部融化時(shí)，他們具有大小雨滴下落速度，大小雨滴的下落速度差異明顯，導(dǎo)致此時(shí)譜寬達(dá)到極值，因此譜寬的躍增高度略低于雷達(dá)反射率因子和多普勒速度。上述微物理過(guò)程與黃毅梅等（2017）的分析近似，但值得注意的是，譜寬從6 km 左右開(kāi)始逐漸增大，推斷6 km 高度左右由于過(guò)冷水存在而發(fā)生凇附過(guò)程，使得粒子雖然其下落速度變化不大，但譜寬增大明顯。4月22日09:30～11:30 期間飛機(jī)探測(cè)飛行，雖然機(jī)載設(shè)備與地基云雷達(dá)觀測(cè)的時(shí)間和空間均存在差異，但機(jī)載CIP 和PIP 探頭可提供不同飛行高度的粒子圖像，可為地基云雷達(dá)的觀測(cè)提供更為直觀地觀測(cè)驗(yàn)證。根據(jù)CIP 圖像記錄，4.3 km 高度上冰雪晶和過(guò)冷水同時(shí)存在，雪花呈攀附狀，且存在大量的枝狀冰晶。 隨著粒子的下落，雪花之間的攀附黏連增多，且雪花邊緣逐漸光滑，為融化和淞附所致。當(dāng)雪花完全融化時(shí)，其粒子較小，隨著下落碰并過(guò)程導(dǎo)致雨滴增大。

圖9 S1（2018年4月22日 00:00～01:00）、S2（2018年4月22日 07:00～10:00）時(shí)段地基云雷達(dá)的平均（a）反射率因子、（b）多普勒速度、（c）譜寬的垂直分布，（d、e、f）為放大后3～4 km 高度上三個(gè)變量的垂直分布Fig. 9 Vertical distribution of the mean(a) radar reflectivity, (b) Doppler velocities, and (c) spectrum width of the ground-based cloud radar at periods S1 (0000 BJT - 0100 BJT on April 22, 2018) and S2 (0700 BJT - 1000 BJT on April 22, 2018). (d), (e), and (f) correspond to the vertical distributions of the above three variables at the height of 3–4 km after zooming in

5.2.2 零度層附近微物理過(guò)程

圖10 給出了不同時(shí)次飛機(jī)軌跡上高度、溫度以及CIP 和PIP 粒子圖像，09:38:46 和11:27:43 起飛和降落階段顯示近地面溫度分別是10.7°C 和9.57°C，粒子圖像主要是橢圓形云滴和雨滴。10:05:53 至10:47:24時(shí)間段內(nèi)，飛行高度都在4330 m 左右，溫度范圍在?0.78°C 到0.30°C，即均在0°C 層上下飛行。如圖1b 所示，該時(shí)間段，飛機(jī)飛行姿態(tài)參數(shù)基本不變，在這種水平飛行狀態(tài)下，其測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確（Muhlbauer et al., 2014; 亓鵬等, 2019）。由于探測(cè)飛機(jī)飛行高度在零度層附近，有利于進(jìn)一步分析零度層附近粒子微物理特征。而這段時(shí)間內(nèi)粒子圖像差異較大，粒子形態(tài)有云滴、雨滴、針狀冰晶、平板狀冰晶以及不規(guī)則狀冰晶等，粒子不同形態(tài)反映了降水粒子形成的不同機(jī)制和微物理過(guò)程。CIP 和PIP 粒子圖像（圖10）反映了飛行區(qū)域粒子形態(tài)，而這些粒子是從飛機(jī)軌跡上方掉落、局地生成或上升氣流帶到軌跡高度，因此粒子形態(tài)與粒子的來(lái)源、粒子運(yùn)動(dòng)區(qū)域過(guò)冷水含量、上升氣流速度等方面密切相關(guān)（張佃國(guó)等, 2020）。在負(fù)溫度接近0°C時(shí)，10:05:53時(shí)次，CIP 圖像顯示粒子形態(tài)為云滴，尺度多為25～75 μm。10:12:03時(shí)次，CIP 圖像上顯示明顯輻枝冰晶聚合物，即互相攀連的雪花黏附成雪片和雪團(tuán)，這與Magono（1953）和Pruppacher and Klett（2010）等的觀測(cè)結(jié)論較為一致，即在0～?5°C 的范圍內(nèi)，易出現(xiàn)大雪團(tuán)，且在?1°C 雪花有較大尺度。在同樣溫度和高度下，10:38:13時(shí)次CIP觀測(cè)到了針狀冰晶的聚合物。這兩類(lèi)冰晶的出現(xiàn)可用準(zhǔn)液膜理論解釋?zhuān)瑴?zhǔn)液膜理論認(rèn)為在0°C 高度層附近，冰表面存在準(zhǔn)液膜，即冰表面與潮濕表面的特性類(lèi)似，與表面能有關(guān)。這種準(zhǔn)液膜在并與空氣的界面上存在，兩個(gè)冰晶碰撞時(shí)，準(zhǔn)液膜被夾于兩層冰之間，就會(huì)固體化，并使冰晶粘合在一起（Hobbs and Mason, 1964;楊軍等, 2011）。在正溫度接近0°C時(shí)，如10:15:22和10:21:22時(shí)次，雪晶則因融化而合并，即融連成針狀或輻枝狀雪晶聚合物。10:47:24時(shí)次, 對(duì)流降水，CIP 和PIP 粒子圖像均顯示出聚合冰晶結(jié)構(gòu)，存在凇附過(guò)程和冰晶間的攀附，結(jié)合圖1b 可以看到，該時(shí)次飛機(jī)飛過(guò)區(qū)域?yàn)閷?duì)流泡區(qū)，其雷達(dá)反射率因子明顯大于對(duì)流泡區(qū)域以外約10 dBZ，且零度層亮帶不明顯，在對(duì)流區(qū)內(nèi)上升氣流明顯，將下層水汽抬升帶到0°C 層以上，使得該區(qū)域冰晶在從高層下落過(guò)程中，除了聚并增長(zhǎng)過(guò)程外，由于高過(guò)冷水含量使得凇附增長(zhǎng)也很明顯。因此0°C 層附近粒子形態(tài)有不同形狀的聚合狀冰晶和云滴，這與楊潔帆等（2021）在太行山東麓對(duì)層狀云的飛機(jī)觀測(cè)較為一致。當(dāng)粒子下落到溫度約5°C 層時(shí)，11:07:59時(shí)次，CIP 圖像上可以觀測(cè)到雪晶已經(jīng)完全融化，其尺度約為125～500 μm（根據(jù)該時(shí)次CIP 圖像像素點(diǎn)確定，下同）。當(dāng)粒子下落到近地面層溫度約為10°C時(shí)，11:27:43時(shí)次，CIP 圖像顯示粒子尺度明顯增大，約為700～1775 μm，因此液態(tài)粒子在從零度層以下降落到地面的過(guò)程中，碰并即碰撞合并過(guò)程顯著。

圖10 不同時(shí)次飛機(jī)軌跡上的高度、溫度以及CIP 和PIP 粒子圖像Fig. 10 Altitude, temperature, CIP, and PIP particle images on different aircraft tracks

6 結(jié)論與討論

基于機(jī)載云雷達(dá)KPR 和DMT 粒子測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合地基云雷達(dá)、微雨雷達(dá)和天氣雷達(dá)等設(shè)備，對(duì)2018年4月21～22日影響山東的一次積層混合云降水微物理過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）地基云雷達(dá)、微雨雷達(dá)和天氣雷達(dá)反射率因子要素在單點(diǎn)位置上隨時(shí)間變化大體趨勢(shì)一致。微雨雷達(dá)和天氣雷達(dá)由于探測(cè)高度限制，探測(cè)不到云頂信息，但在探測(cè)零度層亮帶高度和厚度上有優(yōu)勢(shì)；云雷達(dá)可以清楚地觀測(cè)到云頂高度隨時(shí)間演變；當(dāng)雨強(qiáng)大于25 mm h?1時(shí)，微雨雷達(dá)和云雷達(dá)因衰減造成時(shí)空剖面上探測(cè)量的“V”字形缺口。波長(zhǎng)越短衰減越大，天氣雷達(dá)受衰減影響相對(duì)較小。

（2）層狀云降水，雖然都有明顯的零度層亮帶存在，但是云頂高度，云頂?shù)睦走_(dá)反射率因子、粒子的多普勒速度和譜寬等參量，反映了粒子下落微物理過(guò)程的差異。層狀云降水不同階段，零度層以上存在著雪花的攀附及凇附等不同的微物理過(guò)程；對(duì)流云降水階段，零度層以上，尤其是5、6 km 的高度，多普勒速度和譜寬均大于層狀云降水，說(shuō)明在對(duì)流云降水時(shí)環(huán)境的垂直氣流、大小粒子的尺度范圍等均大于層狀云降水。

（3）高層卷云粒子尺度很小，粒子多普勒速度約為0 m s?1，譜寬較小，約為0 m s?1。

（4）對(duì)于零度層亮帶的觀測(cè)，云雷達(dá)反射率因子躍增高度比多普勒速度高80 m，多普勒速度躍增高度又比譜寬高20 m。該現(xiàn)象反映了當(dāng)高層雪花降落到0°C 層，表面融化使其表面具有了水滴反射特性，雷達(dá)反射率因子開(kāi)始躍增，但仍具有雪花的下落速度，且大小雪花下落速度近似，譜寬變化不大。當(dāng)雪晶進(jìn)一步融化，下落速度增大導(dǎo)致粒子多普勒速度躍增，小雪花融化快，大雪花融化慢，當(dāng)大小雪花全部融化時(shí)，他們具有大小雨滴下落速度，大小雨滴的下落速度差異明顯，譜寬達(dá)到極值，因此譜寬的躍增高度略低于反射率因子和多普勒速度。

（5）機(jī)載資料顯示，自10:05 開(kāi)始，飛機(jī)一直在約4330 m 的高度上飛行，溫度均在0°C 層上下飛行，CIP 和PIP 粒子圖像顯示粒子的形態(tài)有云滴、雨滴、針狀冰晶、輻枝狀冰晶以及不規(guī)則狀冰晶等，這些粒子是從飛機(jī)軌跡上方掉落、局地生成或上升氣流帶到軌跡高度，因此粒子形態(tài)與粒子的來(lái)源、粒子運(yùn)動(dòng)區(qū)域過(guò)冷水含量、上升氣流速度等方面密切相關(guān)。

聯(lián)合觀測(cè)對(duì)儀器同步性要求很高（韋凱華等,2015），由于受機(jī)載和地基資料時(shí)空匹配度的限制，僅對(duì)對(duì)地基資料和機(jī)載資料進(jìn)行了初步的分析，所得結(jié)論還需更多的飛行架次和地面觀測(cè)資料進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。此外，數(shù)值預(yù)報(bào)模式中微物理過(guò)程的模擬與實(shí)況的檢驗(yàn)分析，也是今后的研究方向，可進(jìn)一步了解微物理模擬特征誤差的可能來(lái)源，有利于加深對(duì)此類(lèi)積層混合云降水微物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，從而為提高降水的定量預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。