一次基于風廓線雷達觀測的北京夏季降水的垂直觀測研究

黃鈺 郭學良 羅秀明 陳羿辰 張邢 杜遠謀 劉海龍

1 北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089

2 云降水物理研究與云水資源開發(fā)北京市重點實驗室，北京 100089

3 中國氣象局華北云降水野外科學試驗基地，北京 100089

4 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

5 廣德市氣象局，安徽廣德 242200

6 95820 部隊飛行管制室，北京102211

1 引言

云中動力和微物理參數(shù)是描述中小尺度大氣狀態(tài)的關鍵要素之一，主要包括空氣垂直速度、雨滴下落末速度、云液態(tài)水含量、云水混合比、雨水混合比、水汽混合比等，這些重要參量由傳統(tǒng)的探測手段無法直接探測獲得，一般都是通過對遙感資料進行反演（傅云飛, 2014）或者通過數(shù)值模式模擬（黃鈺等, 2020）獲得。

隨著雷達探測技術的發(fā)展，國內外學者開展了大量云參數(shù)反演的研究（Frisch et al., 1995; Shupe et al., 2008; Rémillard et al., 2013）。Gossard（1994）、Gossard et al.（1997）用多普勒雷達提取了降水云滴譜的分布形式，進行了GAMMA 擬合，并進一步獲得了下落速度、液水含量、中值半徑等云微物理結構信息，針對一次夏季較強降水個例，用一系列敏感性試驗證明了反演的正確性，但沒獲得更多的云結構信息；Deng and Mace（2006）根據(jù)毫米波云雷達的一階矩反演云參數(shù)和大氣垂直速度等云宏觀結構特征，并進一步反演了卷云中的冰水含量等一系列參數(shù)，利用機載探測數(shù)據(jù)驗證了結果的正確性，在強對流天氣中，云雷達衰減明顯，反演存在局限性；李永平等（2004）基于天氣雷達的反射率因子進行反演獲得云微物理結構變化特征，并用梅雨期一次降水個例進行驗證，結果證明反演合理；劉紅亞等（2007a, 2007b）利用雷達反射率因子反演得到一系列云水結構參數(shù)和云動力結構特征，應用于典型夏季強對流天氣實例中，應用模式證明了反演的參數(shù)能有效提高模式效率。天氣雷達數(shù)據(jù)垂直精度較低，無法反演獲得云體精細結構。劉黎平等（2012）在驗證了云雷達數(shù)據(jù)可靠的基礎上針對夏季弱降水過程反演了液水含量和雨滴譜等云微物理結構特征，進一步用機載探測的滴譜數(shù)據(jù)驗證了反演結果的正確性，云雷達由于自身特點，適用于弱降水條件下，在對夏季較強降水進行反演時，需考慮其局限性。

隨著技術的進一步發(fā)展，許多學者基于風廓線雷達（WPR）數(shù)據(jù)高精度、高分辨率、低衰減的特點對降水云進行研究。何平等（2009）認為從風廓線雷達信噪比數(shù)據(jù)能反映出降水特征，并能進一步研究降水特征；阮征等（2002）對風廓線雷達數(shù)據(jù)進行相對定標，獲得降水反射率因子、含水量等云體參數(shù)，并獲取三維風場隨高度的分布；黃鈺等（2011）通過風廓線雷達功率譜數(shù)據(jù)對層狀云降水的融化過程進行了研究，詳細分析了融化層亮帶的形成和演變機理；王曉蕾等（2010）對風廓線雷達探測降水獲得的信號進行剝離，獲得降水云體的滴譜隨高度分布信息；Williams（2016）在美國俄克拉荷馬開展的中緯度大陸性對流云試驗（MC3E）中用兩部不同波段的風廓線雷達反演空氣垂直速度和雨滴譜參數(shù)，并進一步分析了降水的微物理過程，研究了層狀云的降水機制；Ruan et al.（2014）利用剔除了大氣垂直速度的L 波段風廓線雷達數(shù)據(jù)反演雨滴譜分布，并一步擬合了反演經驗公式。

北京北部環(huán)山，東南為平原，其降水具有典型的北方夏季降水特征。對北京夏季降水過程進行垂直綜合觀測對于了解北方夏季降水特征進而提高預報準確率和提供人工影響天氣作業(yè)決策具有深刻的意義。目前業(yè)務上多僅使用風廓線雷達的水平風速、風向數(shù)據(jù)，利用風廓線雷達獲得降水譜參數(shù)并深入分析的研究較少，運用多種垂直探測的儀器對夏季降水進行綜合觀測并進行反演的研究更少，本文利用風廓線雷達數(shù)據(jù)反演了降水云體的大氣垂直速度、雨滴下落末速度等云動力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理參數(shù)，并結合天氣雷達、L 波段秒探空資料、自動站、雨滴譜儀和微波輻射計等多種數(shù)據(jù)對2020 年5 月7～8 日發(fā)生在北京市海淀區(qū)的一次夏季降水過程進行垂直綜合觀測，獲得降水云精細垂直結構和詳細演變形勢，分析了北京夏季降水微物理和垂直動力場的主要特征，可用于對夏季降水的深入研究。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文所用風廓線雷達資料取自北京市海淀區(qū)，雷達站址（39.98°N，116.28°E），海拔高度20.40 m。探測高度150～10110 m，采用5 波束模式進行探測。表1 為風廓線雷達參數(shù)表。由于不涉及水平方向，并且根據(jù)反演算法所針對數(shù)據(jù)的高度和分辨率，本文只取中模式垂直波束數(shù)據(jù)進行分析。

表1 風廓線雷達參數(shù)表Table1 Parameters of wind profile radar

與常規(guī)天氣雷達類似，風廓線雷達采用相控陣脈沖多普勒技術，雖然其波長比天氣雷達長，但是經過對信號的相干積累以及譜變換、譜平均等處理后，雷達返回信號的信噪比提高了約40 dB，很大程度地提高了雷達探測能力（阮征等, 2002）。利用風廓線雷達的垂直探測波束數(shù)據(jù)可以獲得降水云體的垂直結構精細信息。由于風廓線雷達的波長遠遠長于降水粒子直徑，適用瑞利散射條件，可根據(jù)雷達氣象方程獲得降水云體的反射率因子、徑向速度、譜寬等譜參數(shù)信息，具體如下：

根據(jù)黃鈺等（2011）的方法，對質量控制后的雷達數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，可以得到信號功率譜密度信息Si(v)，i= 0, 1, 2, ···,n，n為變化取樣數(shù)。功率譜密度的零階矩可獲得平均功率Pr：

?v為單位速度間隔。

反射率因子Z（單位：dBZ）為

式中，C為雷達常數(shù)，根據(jù)雷達的參數(shù)可以計算獲得，R是降水粒子距離雷達的高度。

由信號功率譜密度的二階中心矩速度可以計算獲得譜寬 σv，它在一定程度上反映了采樣體積內降水粒子的變化范圍，計算公式為

根據(jù)上述方法獲得反射率因子、垂直徑向速度和譜寬等風廓線雷達譜參數(shù)，可以初步描述測站上空降水云體的宏觀結構和動力特征。

圖1 為2020 年5 月7 日20 時（北京時，下同）至8 日14 時在北京市海淀區(qū)風廓線雷達站點分別用SA 波段常規(guī)多普勒雷達（后簡稱SA 雷達）和WPR 觀測的反射率因子。目前北京地區(qū)常規(guī)天氣雷達垂直方向采樣范圍內共取9 層探測數(shù)據(jù)，低層高度間隔約500 m，中、高層間隔2000～3000 m，其余高度進行回波插值平滑，由于分辨率太低，雷達顯示圖形經過多次插值平滑處理，易出現(xiàn)虛假回波，無法體現(xiàn)真實細致的云體垂直結構（蘇德斌等, 2010）。

對比圖1a、b 可以看出WPR 與SA 雷達觀測的降水反射率因子強度大小、位置、演變形勢對應得很好。SA 雷達的垂直分辨率低，插值平滑嚴重，無法顯示真實云體的細致結構；風廓線雷達數(shù)據(jù)分辨率比天氣雷達高得多。從圖1b 看出，在3.3 km高度處有一個明顯的天氣雷達沒有觀測到的亮帶結構，各個時刻云體演變信息表現(xiàn)也明顯，可用于降水云的深入觀測研究。

圖1 2020 年5 月7 日20 時（北京時，下同）至8 日14 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）（a）SA 雷達、（b）風廓線雷達（WPR）觀測的反射率因子時間序列Fig.1 Time series of reflectivity factor observed by (a) Doppler Radar in SA band, (b) WPR (wind profile radar) at radar station (39.98°N, 116.28°E)in Haidian District of Beijing from 2000 BJT (Beijing time) 7 May 2020 to 1400 BJT 8 May 2020

基于風廓線雷達獲得的反射率因子，根據(jù)劉紅亞等（2007a）提出的反射率因子反演方案，進一步反演降水云參數(shù)，本文中垂直速度向下為正、向上為負。

根據(jù)Marshal-Palmer 雨滴尺度分布關系（Sun and Crook, 1997）、一 維 定 常 假 設（胡 志 晉 等,1996）和 暖 云 方 案（Kessler, 1969; Miller and Pearce, 1974; 胡志晉和嚴采蘩, 1987; 陶祖鈺和謝安,1989），通過下列公式可獲得雨水混合比qr（單位：g/kg）：

雨滴下落末速度vr（單位：m/s）：

水汽混合比qv（單位：g/kg）：

空氣垂直速度w（單位：m/s）和云水混合比qc（單位：g/kg），則由方程

迭代算出，氣壓p（單位：hPa）、地面氣壓p0（單位：hPa）、溫度T（單位：K）來自于L 波段探空資料， ρ為空氣密度（單位：kg/m3）。

3 降水結果分析

受東移高空槽的影響，2020 年5 月7 日20 時至8 日13 時北京出現(xiàn)一次降水過程。圖2 為SA雷達觀測到的組合反射率因子PPI 演變圖，箭頭所指位置為風廓線雷達站點。7 日20 時站點位于主體回波邊緣，降水開始，8 日01～03 時站點位于穩(wěn)定回波強值區(qū)內，為降水較強時段，8 日06 時以后主體回波逐漸移出站點，10 時以后降水逐漸停止。此次過程北京北部降水整體較弱，隨時間變化不劇烈，風廓線雷達站點雖然位于回波邊緣，但基本能代表此次降水天氣過程特征，如圖2 所示，風廓線雷達處于較弱回波之中，最強回波＜25 dBZ。

海淀區(qū)自動站（位于風廓線雷達站內）小時累積降水量和氣溫變化圖（圖3）顯示，海淀站點的地面降水從7 日20 時開始，剛開始降水量較小，小時平均降水量均＜0.5 mm/h，8 日02 時降水量達到最大值，為1.4 mm/h，之后降水量基本維持穩(wěn)定，平均降水量為0.8 mm/h，8 日10 時以后降水結束。降水開始后氣溫由17°C 降低，降水較強時段氣溫降到最低為13.5°C，降水減弱、結束后，溫度逐漸回升至15°C。

圖3 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時北京市海淀區(qū)自動站（39.98°N，116.28°E）小時降水量（單位：mm）、溫度（單位：°C）的時間演變Fig.3 Time evolution of hourly precipitation (units: mm) and temperature (units: °C) observed by automatic weather station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

從風廓線雷達水平風圖（圖4）上可以看出，整個降水時期低層基本為偏東風，高層偏西風，4300 m 高度存在一個水平風的垂直切變，8 日09時以后水平風的垂直切變消失，降水逐漸停止。7日20 時至22 時，低層（3000 m 以下）由西南風轉為偏東風，7 日22:30 左右3000 m 高度以下存在水平風切變，降水發(fā)展；8 日01～02 時，中層（1000～2500 m）水平風較小，風向逐漸轉為偏東風，降水達到最大值；03 時以后中低層高度（4000 m 以下）水平風速逐漸加大，降水維持穩(wěn)定并逐漸減小?？傮w來說，4 km 高度附近的水平風垂直切變貫穿整個降水過程，低層水平風切變是前期對流發(fā)展的原因，后期偏東風加強且4 km 高度的水平風垂直切變消失后，降水逐漸減弱并趨于結束。

圖4 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）風廓線雷達觀測的水平風矢量Fig.4 Horizontal wind vectors observed by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

圖5 為風廓線雷達反射率因子。與降水量變化相對應，回波顯示降水從7 日20 時開始，隨后發(fā)展，較強回波（10 dBZ）頂高從2.7 km 升到3.3 km，01～03 時回波最強，3.3 km 高度開始出現(xiàn)零度層亮帶，回波最強核25 dBZ，較強回波頂高＞4.5 km，8 日10 時降水結束。

圖5 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）風廓線雷達觀測的反射率因子時間序列Fig.5 Time series of reflectivity factor by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

根據(jù)黃鈺等（2015）夏季降水分類方案，首先確定雨頂高度（＞20 dBZ）及其與0°C 高度對比將降水分為冷雨或暖雨，然后基于融化層附近的反射率因子（是否＞38 dBZ）和垂直速度值（是否＞1 m/s）及其梯度變化情況[反射率梯度＜?1 dBZ(120 m)?1，速度梯度＞0.2 m/s (120 m)?1]，判斷是否存在對流或零度層亮帶等來對降水進行分類。此次降水反射率因子＜38 dBZ，融化層附近反射率因子 梯 度 為5 dBZ(120 m)?1，速 度 梯 度 為0.2 m/s(120 m)?1，存在零度層亮帶，考慮持續(xù)時間等因素，總體過程主要為層狀云降水類型。降水可分為兩個階段，前期（7 日20 時至8 日02 時）低層存在淺對流結構（后文稱為前期對流階段），5 dBZ回波高度接近7.5 km，較強回波（最大值25 dBZ）位于較低高度（2.7 km 以下）且分布范圍較廣，02時3.3 km 高度出現(xiàn)對流核（最大值30 dBZ）后，后期（8 日02～10 時）轉為典型層狀云型降水（后文稱為后期層狀云階段），回波強值高度（20 dBZ）亮帶出現(xiàn)在較高高度（3 km 以上），隨著降水減弱其回波強值減弱（20 dBZ減小為10 dBZ），高度也從3.3 km 降到3 km。

圖6 為云頂高度、反射率因子分檔統(tǒng)計和各階段反射率因子平均值。云頂高度基本在7～9 km，前期低層弱對流降水階段（7 日20 時至8 日02 時）云頂較高，整體變化不大，平均云頂高度為8207 m；后期層狀云降水階段（8 日02～10 時）整體云頂高度較低，其中前期對流核階段（01～03 時）云頂高度平均值為7343 m，隨后逐漸上升，09 時接近9 km，整個層狀云降水階段的平均云頂高度為7831 m。

對幾個典型階段的降水回波進行平均和分檔統(tǒng)計，整個階段平均回波趨勢如圖6c 黑線所示，整體回波平均值呈現(xiàn)層狀云特點，最大值（12.8 dBZ）出現(xiàn)在3150 m 高度處（亮帶），1.5～2.7 km 隨高度變化不大，維持在12 dBZ，3.1 km 以上隨著高度升高，回波值變小，4.5 km 處回波值降到5 dBZ。主要回波在0～10 dBZ和10～20 dBZ，分別占47%和46%；其余的分布在20～30 dBZ和?10～0 dBZ，分別僅占4%和3%。

前期低層弱對流降水階段（7 日20 時至8 日02 時），回波的平均廓線（圖6c 橙線）顯示較強回波出現(xiàn)在2 km 左右的較低高度，最大值為16 dBZ，2.2 km 高度以上隨高度升高回波值減小，4.5 km 高度降為8 dBZ?；夭ㄖ饕獮?0～20 dBZ，占52%，其次為0～10 dBZ，占38%，＞20 dBZ的占9%。后期層狀云降水時期（8 日02～10 時）平均值（圖6c藍線）在2500～3500 m 高度處出現(xiàn)，由于亮帶形成的回波增大，最大值（12 dBZ）位于3030 m 高度上，整體平均回波較前期的弱，0～10 dBZ的回波占58%，10～20 dBZ的回波占39%，?10～0 dBZ占5%，＞20 dBZ的回波幾乎沒有。這種平均回波趨勢在前期低層弱對流降水轉化為后期典型層狀云降水的初期對流核階段（8 日01～03 時圖6c 紅線）就顯現(xiàn)出，不過對流核階段平均值整體較強，最大值22 dBZ，10～20 dBZ的回波比例較高，占75%，這是因為這時期還有對流降水特性。

圖6 2020 年5 月7 日20 時至8 日12 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）風廓線雷達觀測的（a）云頂高度、（b）反射率因子分檔比例、（c）反射率因子平均值Fig.6 (a) Height of cloud top, (b) reflectivity factor ratio at each stage, (c) average reflectivity factor at each stage by WPR at radar station (39.98°N,116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1200 BJT 8 May 2020

此次個例為層狀云降水，主要回波在0～20 dBZ，前期降水低層存在弱對流結構，云頂較高（平均高度8207 m），較強回波10～20 dBZ的比重較大，回波強值出現(xiàn)在2 km 左右的較低高度，隨高度上升逐漸減小；后期轉為典型層狀云降水，云頂較低（平均高度7831 m），較弱回波＜10 dBZ的比重較大，且在3100 m 高度附近出現(xiàn)亮帶的強值中心。

圖7 為地面雨滴譜儀（與風廓線雷達位于同一站點）觀測的雨滴數(shù)濃度、雨強和滴譜分布時間序列，雨滴數(shù)濃度與滴譜分布峰值正相關，雨強和滴譜粒徑大小正相關。從圖7c 中可以看出此次降水整體滴譜分布值較小，粒徑尺寸較小，大部分滴譜粒直徑＜2 mm，兩個階段粒子滴譜分布形式區(qū)別也較明顯。前期低層存在對流結構，降水粒徑分布范圍較窄，粒子小，大部分降水粒子直徑＜1 mm，雨強比后期的小，最大值0.25 mm/h，但滴譜值大，粒子譜型在0.5～0.9 mm 達到峰值，為26305 m?3，出現(xiàn)在22:23 時刻，與圖5 中2.1 km 高度的反射率因子強值時刻相對應；后期降水轉為典型層狀云降水，滴譜粒徑分布范圍逐漸展寬，粒子變大，分布范圍變?yōu)?.7～1.6 mm，整體滴譜值減小，峰值降到＜3000 m?3，但雨強值整體增大，最大值0.45 mm/h；8 日09:30 以后降水趨于結束，滴譜分布減弱趨于零。

圖7 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時北京市海淀區(qū)雨滴譜儀（39.98°N，116.28°E）觀測的（a）總的粒子數(shù)濃度（Nt）、（b）雨強（R）、（c）滴譜時間序列。圖c 中的N 和D 分別表示粒子數(shù)濃度和直徑Fig.7 Time series of (a) particle number total concentration (Nt), (b) rain rate, (c) size spectrum observed by disdrometer (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020. In Fig.7c, N and D represent number concentration and diameter of particle, respectively

微波輻射計（與風廓線雷達位于同一站點，圖8）各參數(shù)可看出，整個降水時段4.5 km 高度以下相對濕度接近飽和，4.5 km 以上相對濕度值迅速減小，9 km 處相對濕度趨于0。兩個階段的水汽場分布區(qū)別也比較明顯，7 日20 時至8 日01 時2～3 km高度出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的暖平流，同一時段此高度上液態(tài)水含量和水汽密度也持續(xù)較高，液態(tài)水范圍2～4 g m?3，水汽范圍30～40 g m?3，最大值分別為4.8 g m?3和42 g m?3，都出現(xiàn)在對流核形成的8日01 時左右。8 日01 時之后，低層暖平流逐漸減弱，2～3 km 高度持續(xù)維持的液態(tài)水含量和水汽密度高值區(qū)也逐漸消失，值較對流降水時期小了一量級。

圖8 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時微波輻射計（39.98°N，116.28°E）觀測的（a）液態(tài)水含量（單位：g m?3）、（b）水汽密度（單位：g m?3）、（c）溫度（單位：°C）、（d）相對濕度的時間序列Fig.8 Time series of (a) liquid water content (units: g m?3), (b) vapor density (units: g m?3), (c) temperature (units: °C), (d) relative humidity observed by microwave radiometer (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

根據(jù)第2 節(jié)描述的方法對風廓線雷達數(shù)據(jù)進行反演，獲得云參數(shù)時間序列（圖9），分別為雨水混合比、云水混合比、雨滴下落末速度和垂直速度。對比圖9 和圖5 可以看出，雨水、云水、雨滴末速度和垂直速度時空分布趨勢與反射率因子變化正相關，隨著反射率因子的增長，各物理量值迅速增大。強度10 dBZ的回波對應的雨水混合比約為0.015 g/kg，云水混合比約為0.1 g/kg，雨滴下落末速度在3.2 m/s左右，垂直速度±0.1 m/s 之間；強度20 dBZ的回波對應的雨水混合比約為0.15 g/kg，云水含混合比約為1.8 g/kg，雨滴下落末速度在3.6 m/s 左右，垂直速度±0.8 m/s 之間。

圖9 2020 年5 月7 日20 時至8 日14 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）風廓線雷達反演的（a）雨水混合比（單位：g/kg）、（b）云水混合比（單位：g/kg）、（c）雨滴下落末速度（單位：m/s）、（d）垂直速度（單位：m/s）時間序列Fig.9 Time series of (a) rain water mixing ratio (units: g/kg), (b) cloud water mixing ratio (units: g/kg), (c) droplet terminal velocity (units: m/s), (d)vertical velocity (units: m/s) from WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1400 BJT 8 May 2020

在前期對流和后期層狀云降水的兩個階段，各參數(shù)分布也呈現(xiàn)出了明顯的區(qū)別，前期各個參量值較大，且大值區(qū)的高度分布范圍較廣，在1～3 km高度上都有體現(xiàn)，雨水混合比（qr）在0.02～0.15 g/kg，最大值約0.2 g/kg，位于1.5～2.4 km 高度；云水混合比（qc）主要范圍0.3～1.8 g/kg，最大值約2 g/kg，位置比雨水混合比高，位于2～3 km 高度；雨滴下落末速度（vr）主要在3.2～4.2 m/s，最大值4.4 m/s；大氣垂直速度主要在±0.7 m/s 之間，上升和下沉氣流變換明顯，補充降水所需的水汽和動力條件，維持降水發(fā)展。云水含量比雨水高一至兩個數(shù)量級，且強值高度在雨水強值高度之上，表明了此次過程雨水很大程度來源于云水。

后期各參量值變小，且強值范圍分布變窄。雨水混合比在0.01～0.04 g/kg，最大值約0.05 g/kg，比對流性降水時期小了一個量級；云水混合比主要范圍0.05～0.5 g/kg，最大值約0.8 g/kg，由于降水的消耗，云水混合比減少明顯，比對流性降水時期也小了一個量級，雨水和云水量級的變化與微波輻射計觀測（圖8）的液態(tài)水含量量級變化吻合；雨滴下落末速度主要在2.8～3.6 m/s，最大值3.8 m/s；大氣垂直速度也變小，主要在±0.05 m/s 之間，也比前期小了一個量級，并且在亮帶高度以下（?2.8～2.5 km）范圍內出現(xiàn)明顯橫向帶狀上升和下沉氣流區(qū)。

8 日11 時以后降水結束，雨水混合（qr）比接近0，而云水消耗停止，云水混合比逐漸增大，最大值約1.6 g/kg，這說明了此次降水形成可能一大部分來自于云水轉化為雨水。

將降水前后兩個階段的反演參數(shù)進行平均（圖10），后期典型層狀云階段云水混合比（qc）和雨水混合比（qr）平均值隨高度變化趨勢相近，2.7 km 以下隨高度變化不大，qc值為0.3～0.6 g/kg，qr值為0.007～0.012 g/kg；2.7 km 以上隨高度增大迅速增大，qc值為0.6～1 g/kg，qr值為0.012～0.02 g/kg，同一高度上qc平均值比qr大一個量級。前期qc和qr的平均值明顯比后期的大，qc大值區(qū)出現(xiàn)在2.6 km 以上，qc值為1.1～1.4 g/kg；2.6 km以下隨高度變化不明顯，qc值為1.1 g/kg 左右，qr大值區(qū)出現(xiàn)在2～2.3 km 較低高度范圍內，qr最大值為0.037 g/kg，同一高度qc平均值也比qr大一個量級。

圖10 2020 年5 月7 日20 時至8 日10 時北京市海淀區(qū)雷達站（39.98°N，116.28°E）風廓線雷達反演的降水前期（橙色線）、后期（藍色線）（a）云水混合比、（b）雨水混合比、（c）雨滴下落末速度、（d）空氣垂直速度的平均值Fig.10 Average of (a) cloud water mixing ratio, (b) rain water mixing ratio, (c) droplet terminal velocity, (d) air vertical velocity at earlier stage(orange lines) and later stage (blue lines) for precipitation observed by WPR at radar station (39.98°N, 116.28°E) in Haidian District of Beijing from 2000 BJT 7 May to 1000 BJT 8 May 2020

兩個階段雨滴下落末速度（vr）平均值高度廓線變化形式與qc和qr類似，前期vr平均值在2 km以下增大明顯，范圍為3.2～3.6 m/s，2 km 以上保持在3.6 m/s 左右波動；后期vr平均值隨高度逐步增大明顯，范圍為3.0～3.6 m/s?？諝獯怪彼俣龋╳）平均值在兩個階段區(qū)別同樣明顯，層狀云階段2.6 km 以下垂直速度平均值基本在0 m/s，變化不大，而對流性階段w值變化明顯，w范圍為?0.08～0.06 m/s，上升和下沉氣流變換明顯。

4 結論與討論

本文利用風廓線雷達數(shù)據(jù)反演了降水云體的垂直速度、雨滴下落末速度等云動力場特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理參數(shù)，并結合天氣雷達、L 波段秒探空資料、自動站、雨滴譜儀和微波輻射計等多種數(shù)據(jù)對2020 年5 月7～8 日發(fā)生在北京市海淀區(qū)的一次夏季層狀云降水過程進行垂直綜合觀測，獲得以下結論：

（1）風廓線雷達反演云微物理信息和動力參數(shù)結果合理，配合其他垂直綜合探測數(shù)據(jù)揭示了一定動力條件下北京平原地區(qū)夏季降水不同階段云的垂直演變特征，可用于降水的深入研究。

（2）站點位于降水邊緣，主要為層狀云降水，降水滴譜分布整體粒徑較小，基本＜2 mm，4 km高度的水平風垂直切變貫穿整個降水過程，低層（2 km）水平風切變是前期對流發(fā)展的原因，后期偏東風加強且4 km 高度的水平風垂直切變消失后，降水逐漸減弱并趨于結束。整體回波不強，云頂高度7～9 km，93%的回波值在0～20 dBZ，＞20 dBZ約4%；2～3 km 高度出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的暖平流，云水混合比0.1～2 g/kg，雨水混合比0.01～0.2 g/kg，云水含量比雨水高一個數(shù)量級，且強值高度在雨水強值高度之上，表明了此次降水過程雨水很大程度來源于云水。雨滴下落末速度2.8～4.2 m/s，大氣垂直速度在±0.7 m/s 之間。

（3）降水前后兩個階段特征區(qū)別明顯。前期低層存在淺對流結構，云頂較高，低層水平風切變促進了對流發(fā)展，10～20 dBZ的比重較大，粒子譜較窄但數(shù)濃度值大，雨強較弱，液水和水汽含量高，雨水、云水值較高且強值分布范圍廣，空氣垂直速度比層狀云階段值大了一個量級以上，上升、下沉氣流交替明顯，補充降水所需的水汽和動力條件，維持降水發(fā)展；后期轉為典型層狀云降水，云頂高度下落，＜10 dBZ的比重較大，3100 m 處形成亮帶的強值中心，風切變和暖平流消失，粒子譜展寬但數(shù)密度值減小，雨強較強，雨水和云水值比對流期小了一個量級，且強值范圍變窄，垂直速度減小明顯，并且在亮帶附近出現(xiàn)明顯橫向帶狀上升、下沉氣流區(qū)。

本文僅針對一次夏季降水過程進行分析，下一步計劃針對更多典型降水個例進行研究，獲得北京平原夏季降水結構的特征。