引言

云和降水的形成、发展除了受动力、热力条件影响外，其内部的微物理过程也起着重要的作用。研究发现, 云中微物理因素的微小变化都能影响到云的结构、降水等^[1]。所以对云降水结构，特别是云系中液态水的分布及其演变规律等的研究，对于了解云和降水的形成, 提高预报准确率以及判断人工播云催化条件等方面具有十分重要的意义。近年，国内不同地区针对云降水结构的特征进行了系列研究^{[2, 6]}，随着微波辐射计等探测手段的应用, 为加强对云降水物理结构的进一步了解提供了新的手段和资料^{[7, 11]}。

借助于雷达、卫星、飞机、微波辐射计等多种综合探测手段, 来分析云系的宏微观结构, 有助于建立云降水的多尺度结构模型, 为确定科学的人工增雨催化方案提供重要依据。所以本文将综合利用卫星、雷达、飞机PMS和12通道IP/WVP-3000微波辐射计等多种探测手段，以雷达和IP/WVP-3000辐射计资料为主，结合卫星和地面雨量站等资料，对2007年6月30日北京地区的一次积层混合云降水过程进行综合观测分析，深入研究分析其降水过程中云液态水和降水的分布及其演变特征。

1 探测手段与资料介绍

本文主要应用的探测手段和资料如下:

1.1 CINRAD/SA多普勒天气雷达资料

利用的是位于北京市南郊大气探测基地的新一代天气雷达(CINRAD/SA)提供的资料，CINRAD/SA雷达所在经度116°18′19″E，纬度39°48′32″N，海拔高度97.5 m，雷达反射率最大探测距离460 km，多普勒速度探测的最大距离230 km，反射率因子产品最高分辨率1 km。

1.2 FY-2C卫星资料及云参数产品

利用的是FY-2C卫星TBB资料及对FY-2C卫星资料进行反演获得的云粒子有效半径。

1.3 自动站资料

地面自动雨量站5分钟记录一次的雨量资料。

1.4 TP/WVP-3000微波辐射计及资料

IP/WVP-3000微波辐射计，提供每分钟的地面气压和环境温度、红外云底温度、积分水汽量、积分液水量和地面至高空10 km，(1 km以下间隔100 m, 1 km以上间隔250 m)，共47个高度层的温度、湿度、水汽密度、液态水廓线等资料。本文所用IP/WVP-3000微波辐射计所在经度116°17′25″E，纬度39°56′42″N，海拔高度75 m, 位于北京CINRSD/SA多普勒天气雷达站正北方向，距离雷达站约21.7 km。

为对IP/WVP-3000微波辐射计资料进行更好的了解，首先对其探测原理进行简单的介绍，再将其获得的液态水廓线资料与飞机探测获得的进行简单的比对，以了解其液态水廓线资料的实用性，为其在下面的应用做准备。

1.4.1 TP/WVP-3000微波辐射计探测原理

TP/WVP-3000微波辐射计，是利用微波频率范围内12个通道的辐射强度来探测水汽、云液态水和氧分子，这12个通道分别是22.035、22.235、23.835、26.235、30.0、51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29和58.8 GHz。辐射计在22~30 GHz内的波束宽度在5°左右；在51~59 GHz内的波束宽是2°~3°。

根据基尔霍夫定律，微波在22.235 GHz(其波长为1.35 cm)处, 对大气分子具有强烈吸收, 在60 GHz附近，对氧分子具有强烈吸收，并且根据水汽随压力变宽的性质，TP/WVP-3000辐射计利用22~30 GHz频段之间的5个通道来反演大气水汽廓线，51~59 GHz频段之间的7个通道来反演温度廓线，液态水廓线则是由22~59 GHz范围内的12个通道共同计算得到的。

1.4.2 TP/WVP-3000微波辐射计探测云液态水廓线同飞机观测云液态水廓线的对比

对于辐射计的液态水廓线资料，国内外一些学者也做过许多工作。其中，Solheim和Andrew L. Reehorst等^{[12, 13]}在AIRS试验中将辐射计探测的温度、湿度和液态水廓线与其他多种探测资料所获得的相应廓线进行对比，发现辐射计与飞机获得液态水廓线，在降雨量较小情况下，存在较好的对应关系。香港陈伯伟^[14]还就辐射计资料中的温、湿廓线与气球探测的温、湿廓线进行过比对，发现辐射计提供的温、湿廓线与气球探测较为一致。

本节利用飞机垂直探测获得的液态水廓线与TP/ WVP-3000辐射计进行简单比对，其中，飞机探测的液态水含量是通过对飞机云粒子探头探测的粒子谱积分所得。图 1给出了北京2005年9月29日探测过程中飞机飞行高度随时间的变化，这次降水过程，云状为层积云，从图 1中可知：飞机14:49时起飞，14:55时爬升到2500 m高度后水平飞行，15:17时下落。考虑到辐射计的探测范围，选取飞机下落阶段探测资料与辐射计资料进行比对。

图 2a是飞机下落过程探测的液态水廓线，图 2b是此时段辐射计获得的任意三条液态水廓线，这一时段，地面小时雨量为1 mm。从图 2b中可以看到，三条液态水廓线的1000 m以下，变化趋势一致，量值也相差不大，1000 m高度以上，液态水含量增加迅速，变化趋势较为一致，但量值开始出现差别，2000~2500 m高度处，三条廓线都出现液态水含量峰值。结合飞机探测，飞机探测的液态水廓线在1500 m左右，液态水含量迅速增加，1500~2500 m之间, 液态水含量较大，但量值不是很稳定。

从图 2中还可以看出，辐射计探测的廓线中液态水含量值比飞机探测的要大得多，这可能是由于辐射计获得的液态水廓线与飞机探测获得的算法不同有关。但是尽管两者量值差别较大，但若以飞机探测为参照，辐射计获得的液态水廓线虽不能准确提供空中液态水含量的量值，但是还能在一定程度上体现空中液态水的垂直分布变化趋势。

2 云和降水随时间的演变特征分析 2.1 云系演变

2007年6月30日降水过程，从FY-2C卫星TBB图(图 3)观测分析来看：影响北京地区的这次降水过程，是由大片自西南向东北方向移动的降水云系造成的。从云图中看，在云系移动过程中，不断伴随有中小尺度云团的生成、发展、增强、合并、移出等过程。此次降水主要受两个较强云团影响，09:00时，云团A自西南方向随着云系的移动进入北京境内，随着时间的变化，此云团在北京境内不断发展增强；12:00时，A云团发展较强，但随后随着云系的移动渐渐移出北京地区。16:00时，在北京地区的南部，又有一云团B生成；19:00时B云团增强，并与位于北京地区北部的云团合并形成一个较大的云团，覆盖在北京上空，21:00时完全移出北京境地。

2.2 雷达回波演变特征

从当日北京CINRSD/SA雷达站回波演变(图 4)来看，10:30时，大片混合云降水回波从雷达站西南方向移近雷达站上空，从速度图来看，此大片降水回波持续向东北方向移动；11:30时，混合云回波中的强对流单体移经辐射计上空，12:00时移出，此后一段时间，辐射计上空没有较强的回波生成或移过；17:30时，雷达站的东北部，较强的对流单体合并形成一条强的降水回波带，回波带受局地气流影响，逆时针旋转；18:30时左右，强回波带移经辐射计上空，20:00时后辐射计区域回波较弱, 降水回波逐渐消失。

2.3 云系中云液态水含量和地面降水量随时间的演变

为了研究云系演变过程中，云液态水含量与地面降水量随时间变化之间的关系，图 5给出了这次降水过程中辐射计所测云液态水含量及辐射计区域地面自动雨量站5分钟一次的加密雨量随时间的变化情况。

根据雨量站观测，此次过程共出现两个降雨量较大的时段，分别是A 11:30—12:30时段，降水8.2 mm，和C 18:30—19:30时段，降水13.5 mm。对比辐射计观测资料，A时段，空中云液态水含量如图 5中所示，从11:00时开始迅速增大，最大达到18.28 mm；C时段，云液态水含量也较大，最大为17.38 mm；B时段降水较弱，空中液态水含量值也很小；D时段，地面降雨量较小，但空中液态水还存在一定的量值。

根据图 5，地面降水开始前，辐射计探测到空中云液态水含量明显增加，地面降水的产生或增大滞后于空中云液态水含量的增加。A时段，空中云液态水含量迅速增加后约30分钟，才开始产生降水，C时段降雨量增大比同时段空中云液态水含量增加晚约10分钟。

由以上分析可见，降水开始前，辐射计探测到空中云液态水含量明显增加，地面降水的产生滞后于空中液态水含量的增加，利用这种现象，可提前预知，在此时段云系正处于降水产生的发展阶段，由此可应用于人工增雨作业条件的识别。总的来说，地面降水与空中云液态水含量随时间分布对应较好，但是在D时段，空中云液态水含量保持有一定的较高量值，但地面降水较小，所以降水的产生还可能与液态水在空中的垂直分布等因素有关。

3 云降水垂直结构演变特征及成因分析 3.1 云液水含量的垂直结构特征

通过前面第1.4.2节对TP/WVP-3000辐射计与飞机液态水垂直廓线进行的对比来看，可以利用该微波辐射计获得的液态水廓线，用于简单的估测空中液态水的垂直分布。

利用辐射计垂直廓线资料，来分析前面提到的降雨较强A、C时段及降雨较弱B、D时段内的相对湿度与云液态水的垂直分布情况。选取A、C时段中液态水含量最大的两时刻，11:35和18:47时，及B时段的15:06时, D时段的22:17时，四时刻的廓线来进行云降水垂直结构的分析，见图 6。

图 6是四时刻辐射计遥测的云湿度层结(a)和云液态水含量廓线(b)。从图 6中可以看出，地面降雨较大的11:35和18:47两时刻，云液态水垂直廓线变化趋势较为一致。图中显示，这两时刻，在高层都存在着较大的液态水含量，由于在这两时刻，地面降水量比较大，所以辐射计探测的液态水廓线可能存在着一定的误差。为了验证这两时刻较高层是否存在着较大的液态水含量，利用卫星资料反演的有效粒子半径随时间的变化(图 7)来看，在11:35时，空中确实还是存在着一定的液态水分布的，所以可以认为11:35和18:47两时刻的高层是存在着一定量的液态水含量。15:06时和22:17时降雨量较小，这两时刻的云液态水廓线显示，在2500~6500 m的中空高度有一定量的液态水存在，不同的是在22:17时廓线中，低层2000~4000 m相对湿度较小(在80%以下)。

图 7是FY-2C卫星反演的辐射计区域有效粒子半径随时间的演变，从图中来看，液态水含量大的区域有效粒子半径也较大。

3.2 雷达降水回波垂直廓线与液态水含量垂直廓线

雷达观测的降水回波垂直结构与空中云液态水的垂直分布情况有什么关系吗？我们选取A、B、C时段内几个时刻的同一位置的雷达降水回波垂直廓线与辐射计液态水廓线来进行分析(见图 8，雷达降水回波垂直廓线为红色线，辐射计液态水廓线为黑色线)。

图 8中，在A、B、C三个时段中，A和C的回波垂直分布有个共同特点，回波顶高都超过9000 m，在6000 m高度处回波强度达到20 dBz，并且从6000 m高度处往下，回波逐渐增强，4000 m高度左右达到最强，约45 dBz, 低层2000 m以下，回波较强，并且两时段的强回波都基本上已经接近地面。B时段，垂直方向回波整体较弱，相对较强回波分布在4000 m至5000 m高度之间，低层回波值较小。

再看与雷达回波垂直廓线同时同位置的辐射计液态水廓线，可以看出，除了在个别时刻(图中11:41和18:47时)外，雷达回波廓线与辐射计液态水廓线存在着较好的垂直分布对应关系。而11:41和18:47两时刻，辐射计液态水廓线显示，液态水含量在8000 m高度左右特别大，11:41时达到7.76 g·m^-3，18:47时为3.53 g·m^-3。前面我们也曾提到，这两时刻的辐射计液态水廓线可能存在一定的误差。所以总的来说，同时同位置的雷达回波垂直分布与辐射计液态水的垂直分布有着较好的对应关系，所以从确定人工增雨作业条件的角度来看，可以加强对雷达降水回波垂直结构的关注来指导作业。

3.3 各高度层上雷达反射率因子和辐射计液水含量随时间的变化

为了进一步分析整个降水过程中辐射计探测区域上空各个不同高度层雷达反射率和辐射计液态水含量的特征，选取这次过程中辐射计位置上空2000 m、3000 m、4000 m和5000 m高度层中各个时刻的雷达反射率和辐射计液态水含量，来观察它们随时间的变化情况，如图 9和图 10所示。

图 9随着降水回波的移近，从09:53时开始，各高度层的降水回波逐渐增强，其中4000 m高度层回波增强最快；10:30—12:10和18:30—20:00两时段，四个高度层回波都较强，有利于降水的产生；12:10—18:30，相对四个高度层而言，4000 m高度回波最强，其他高度层回波较弱，特别是2000 m高度层回波最弱，不利于降水的形成。图 10，4000 m和5000 m高度层液态水含量较丰富且随时间分布均匀，2000 m和3000 m高度层，在10:30—14:00和18:30—20:00两时段存在着非常丰沛的液态水分布，所以由图 10可以明显地看出，低层液态水含量丰富，与地面降雨的产生有着直接的关系。

4 小结和讨论

通过对2007年6月30日降水过程的卫星、雷达、微波辐射计等观测资料的综合分析表明：

(1) 降水开始前，辐射计探测空中云液态水含量明显增加，地面降水的产生滞后于空中液态水含量的增加，利用这种现象，可提前预知，在此时段云系正处于降水产生的发展阶段，由此可应用于人工增雨作业条件识别。

(2) 在相同时间对同一位置进行探测的雷达和辐射计资料显示，雷达回波垂直分布趋势与辐射计液态水的垂直分布趋势有着较好的对应关系。

(3) 空中液态水的分布，特别是低层液态水的分布，与地面降雨的产生有着直接的关系。

致谢：感谢北京市人工影响天气办公室提供的微波辐射计等资料。