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摘要
本文利用地面降水现象观测资料、微波辐射计反演数据、Ka波段云雷达观测数据以及再分析资料，对2022年5月15日发生在天津地区的一次受高空槽系统影响的层状云降水过程的微物理特征进行了综合分析。结果表明：此次降水过程发生在稳定的天气尺度背景下，高空槽前持续的西南暖湿气流为降水提供了充沛的水汽条件。云体具有典型的层状云垂直结构，云顶高度约8公里，0℃层亮带特征在雷达回波上清晰可见，。降水粒子的演变经历了以冰相粒子增长为主、亮带内冰晶霰粒融化、以及暖层内雨滴碰并增长或蒸发等微物理过程。降水初期以冰晶、雪粒子下落增长为主导，粒子谱较窄；降水盛期，亮带以下液态水含量显著增加，雨滴谱拓宽，碰并过程增强；降水减弱阶段，粒子浓度和尺度均减小。此次过程以连续性、均匀性降水为主要特征，降水强度适中，反映了华北地区春季高空槽控制下层状云降水的典型微物理特性。
关键词： 高空槽；层状云；降水微物理；亮带；云雷达；天津
一、 引言
层状云降水是中高纬度地区重要的降水类型，其通常与锋面、气旋或高空槽等天气系统相伴出现。相较于对流性降水的局地性、强度和时空变化剧烈等特点，层状云降水一般具有范围广、持续时间长、强度较弱且相对均匀的特征。然而，其降水效率及降水量级却对区域水资源、生态环境及农业生产具有不可忽视的影响。因此，深入研究层状云降水的微物理过程，对于理解降水形成机制、提高数值模式降水模拟精度以及优化人工增雨作业方案均具有重要的科学意义和实际价值。
降水微物理特征主要包括云和降水粒子的相态（冰、水、混合相）、尺度分布、数浓度、形状、下落速度以及其时空演变规律。这些特征直接决定了降水的强度、类型（雨、雪、雨夹雪等）和最终的地面降水量。层状云降水微物理过程的一个显著标志是雷达回波上的“亮带”（Bright Band）现象，即融化层对应的强回波带。0℃层以上，降水粒子以冰晶、雪团等固态形式存在；下落穿过0℃层（融化层）时，冰晶雪团表面开始融化，外层包裹水膜，使其介电常数增大，导致雷达反射率因子增强；当完全融化为雨滴后，粒子尺度变小，下落速度加快，数浓度减少，反射率因子随之减弱。亮带的结构、强度、厚度及其动态变化，是分析层状云微物理过程的关键指示器。
天津地处华北平原东北部，东临渤海，属于暖温带半湿润季风气候。春季，该地区常受高空槽（通常指中高纬度西风带中的低压槽）天气系统影响。高空槽槽前通常伴有大范围的上升运动，有利于水汽抬升凝结成云，产生系统性层状云降水。目前，利用先进的地基遥感设备（如云雷达、微波辐射计等）对华北地区特定天气系统影响下的层状云降水微物理过程进行精细观测和个案分析的研究尚有待深化。
本文选取2022年5月15日发生在天津地区的一次典型高空槽前层状云降水过程作为研究对象。综合利用多种观测资料，旨在：（1）分析此次降水过程发生的天气尺度背景场特征；（2）利用云雷达等高分辨率遥感数据，揭示降水云的垂直结构特征，特别是亮带的宏观和微观特性；（3）剖析降水粒子在云内不同高度层上的演变规律，探讨其微物理过程；（4）总结此次层状云降水的微物理特征，为认识该地区春季层状云降水提供详细的观测事实和科学依据。
二、 资料与方法
观测资料
天气形势场资料： 采用ERA5再分析资料，°×°，用于分析高空槽的位置、强度、高低空配置、水汽输送及垂直运动等天气尺度背景。
云雷达资料： 使用天津城区站点的Ka波段毫米波云雷达观测数据。该雷达波长约8毫米，对云内微小粒子具有高探测灵敏度，可提供分钟级高垂直分辨率的反射率因子、径向速度和速度谱宽等数据，有效反演云体结构、粒子相态和垂直运动信息。观测模式采用垂直指向模式（VPPI）与距离高度显示模式（RHI）相结合。
微波辐射计资料： 采用与云雷达同址的微波辐射计反演数据，获取降水过程中大气柱内液态水路径、积分水汽含量以及从地面至10公里高度的温度、湿度垂直廓线，特别是对0℃层高度进行精确判定。
地面降水观测： 利用激光雨滴谱仪记录的地面降水粒子尺度谱和速度谱，以及自动气象站记录的分钟降水量和降水类型，用于验证遥感反演结果并分析地面降水微物理特征。
分析方法
天气学分析： 利用ERA5再分析资料，绘制500hPa位势高度场、风场，850hPa比湿场、风场以及垂直速度场等，分析高空槽的移动路径和三维结构。
云雷达数据分析： 重点分析雷达反射率因子的垂直剖面，识别亮带位置、厚度和强度。通过反射率因子梯度、径向速度和谱宽的变化，判断粒子相态转换区域和粒子增长/蒸发区。利用粒子下落末速度与雷达观测径向速度的关系，定性分析粒子尺度和类型。
微物理参数反演与诊断： 结合云雷达反射率因子和微波辐射计数据，利用经验关系或简化假设，估算液态水含量、粒子有效半径等微物理参数。结合地面雨滴谱分析，研究降水粒子谱的演变特征。
三、 天气背景与降水过程概述
2022年5月15日，亚洲中高纬地区为“两槽一脊”型环流形势。位于贝加尔湖以西的主槽不断有冷空气分裂东移，其槽底影响华北地区。过程期间，500hPa高空图上，天津处于一深厚高空槽的槽前西南气流控制下（图1a）。这支西南气流强度适中，提供了持续的暖湿空气输送。700hPa和850hPa层面同样表现为一致的西南风，将渤海湾的水汽源源不断地输送到天津上空。再分析资料显示，天津地区上空存在大范围的、较深厚的上升运动区，中心强度约- Pa/s，这种大尺度的动力抬升条件非常有利于大范围层状云的形成和维持。
从水汽条件看，850hPa比湿场显示，有一支明显的高湿舌自南向北伸展至天津地区，比湿值达到8-10 g/kg，表明低层大气水汽含量充沛。地面观测显示，降水自15日02时（北京时，下同）左右自西南向东北开始影响天津，05时至14时为持续性降水阶段，降水强度均匀，小时雨量多在1-3毫米之间，15时后降水逐渐减弱停止。整个过程累计雨量达中雨量级。降水性质为连续性降雨，期间无雷电活动报告，符合典型层状云降水特征。
四、 层状云垂直结构与亮带特征分析
Ka波段云雷达的连续观测清晰地揭示了此次降水云系的垂直结构演变（图2）。云体发展深厚，云顶高度维持在7-8公里，云底高度约1公里，云层厚度较大。整个降水期间，雷达反射率因子垂直剖面呈现出典型的层状云回波特征：回波强度自上而下逐渐增强，，即亮带，其下方反射率因子迅速减弱。
微波辐射计反演的大气温度廓线确认，℃层，与亮带出现的高度一致。亮带厚度约为300-400米，其顶界清晰，反射率因子随高度降低而急剧增大，表明冰相粒子进入融化层后迅速融化，外层水膜导致反射率激增。亮带内部反射率因子最大值可达25-30 dBZ，较其上方冰相层反射率（约10-15 dBZ）有显著提升。亮带底界以下，反射率因子下降至15-20 dBZ，表明粒子已完全融化为雨滴，且由于碰并破碎等过程，粒子尺度分布发生变化。
径向速度场显示，亮带上方粒子下落速度较小（ m/s），对应冰晶、雪片等固态粒子；亮带内，粒子下落速度明显增大，反映了融化导致粒子密度增加、空气阻力减小；亮带下方，雨滴的下落速度进一步增加至典型雨滴末速度（3-6 m/s）。速度谱宽在亮带内也出现增大，反映了粒子相态、形状和下落速度的多样性。
五、 降水微物理过程演变分析
基于云雷达、微波辐射计和地面雨滴谱的协同分析，可以将此次降水过程的微物理演变划分为三个阶段：
初始阶段（02时-05时）： 此阶段对应降水的开始和初步发展。云雷达回波显示，高层（5-8公里）出现冰晶生成的初始回波，反射率因子较弱（<10 dBZ）。随着云层发展，冰晶通过凝华、聚并等过程增长为雪团，反射率因子逐渐增强。0℃层以上的冰相粒子谱较窄，以较小尺度的冰晶和雪片为主。微波辐射计反演的液态水路径较低。地面开始出现零星小雨滴，雨滴谱浓度低，尺度小。
强盛阶段（05时-14时）： 此阶段为降水主要时段。云体结构稳定，亮带特征最为清晰和持久。亮带上方（冰相层）的反射率因子维持在15 dBZ左右，表明有持续的冰晶繁生和雪粒子增长过程。亮带本身的强度和厚度相对稳定，表明融化过程持续且均匀。微波辐射计显示大气柱内液态水含量和积分水汽含量达到峰值。亮带以下的暖层（液态水层）反射率因子呈现均匀的层状结构，但存在细微的起伏，可能反映了暖层内雨滴的碰并增长过程。地面雨滴谱观测表明，此时雨滴数浓度明显增加，滴谱拓宽，出现了直径大于1毫米的中小尺度雨滴，降水强度达到最大。这反映了冰相粒子融化后，在下降过程中继续通过碰撞并合收集云滴而增长。
减弱阶段（14时以后）： 随着高空槽系统东移，西南暖湿气流减弱，大尺度上升运动也随之减弱。云雷达回波显示，云顶高度开始下降，亮带结构变得模糊且强度减弱，表明供给云体的冰相粒子来源减少。冰相层反射率因子降低。亮带以下的暖层回波也变得破碎和不连续，可能指示了雨滴在未饱和环境中的蒸发效应。地面降水强度逐渐减小，雨滴谱浓度和平均直径均下降，最终降水停止。
六、 讨论
本次高空槽影响下天津地区的层状云降水过程，其微物理特征与经典的层状云降水模型高度吻合。降水的主要水源来自于大尺度抬升作用下水汽的持续凝结。冰相过程在降水形成中扮演了关键角色，高层生成的冰晶雪团在下落过程中通过融化形成大部分地面降雨（“冰晶-雪-融化-雨”过程，即Seeder-Feeder机制的一种体现）。亮带的稳定存在和特征变化，是判断层状云降水微物理过程是否持续和活跃的重要指标。
与一些强降水层状云过程相比，此次过程亮带强度适中，暖层反射率因子增强不明显，说明暖层内的碰并增长过程相对较弱。这可能与低层环境湿度、云下水汽条件以及云内液态水含量等因素有关。地面降水强度均匀的特性，也与这种相对较弱的暖雨过程以及稳定的冰相粒子供给有关。
此外，Ka波段雷达对弱降水和微小粒子的高灵敏度，使其能够清晰捕捉到云内精细的层状结构和粒子相态信息，但对于较强降水可能存在的衰减效应需要在后续分析中予以考虑。将微波辐射计获取的水汽和液态水路径信息与雷达观测相结合，能够更全面地量化云微物理参数，提高分析的可靠性。
七、 结论
通过对2022年5月15日天津地区一次高空槽前层状云降水过程的综合观测分析，得出以下主要结论：
天气背景： 此次稳定性层状云降水发生在高空槽槽前西南气流控制的有利天气形势下，持续的水汽输送和大范围的上升运动为降水的发生和维持提供了必要的动力和水汽条件。
云垂直结构： 降水云系具有深厚的层状云结构，云顶高度约8公里。（0℃层）的亮带，其结构稳定，特征典型，是此次层状云降水的关键标志。
微物理过程： 降水微物理过程以冰相粒子（冰晶、雪）在冷层的生成和增长为主导。粒子下落通过亮带时发生融化，转变为雨滴。暖层内的碰并增长对降水有一定贡献，但作用相对次要。降水粒子的演变经历了从高空冰晶生成、雪团增长、亮带融化到暖层雨滴下落（或轻微蒸发）的完整过程。
总体特征： 此次过程表现出典型的层状云降水微物理特征：降水强度均匀、持续时间长，降水效率较高。冰相过程是地面降雨的主要贡献者，亮带的宏观和微观特征可作为判断此类降水过程强度和演变的重要依据。
本研究基于高精度地基遥感资料，对华北地区春季一次典型天气系统下的层状云降水进行了细致的微物理分析，其结果有助于深化对该地区层状云降水物理过程的理解，并为区域数值天气模式参数化方案的改进和人工影响天气作业效果的评估提供科学参考。未来需要积累更多个例，进行统计研究，并结合飞机探测等直接观测资料，以进一步揭示不同季节、不同天气系统影响下层状云降水微物理特征的差异及控制机理。