1 引 言

云在全球辐射收支平衡、天气预报、人工影响天气及航空飞行安全中起着重要的作用，是卫星反演和气候模式研究中不确定性的主要来源之一(Liou，1986；Stephens，et al，1990)。目前对云探测的主要手段有机载仪器取样、微波辐射计反演、雷达测量反演、卫星观测反演、云幂测量及无线电探空等，虽然它们可以获得云信息，但是时间分辨率和空间分辨率都较低，不能穿透厚云探测其内部结构，并反映时刻变化的云参数信息(仲凌志等，2009；孙晓光，2011)。比起厘米波天气雷达，近年来发展起来的毫米波测云雷达能够穿透含水量较高的厚云层及含水量较低的卷云，对非降水云及弱降水云有很高的探测敏感性(Kropfli，et al，1995；Clothiaux，et al，1995)，具有探测小粒子、测速精度较高、空间分辨力高的特点(Stokes，et al，1994；Kropfli，et al，1996；Illingworth，et al，2007)，是其他探测手段的有效补充。常用的毫米波雷达波长为3 mm(频率约为94 GHz)及8 mm(频率约为35 GHz)，与35 GHz雷达相比，94 GHz雷达探测云滴/雨滴后向散射的能力较强、天线直径较小，在垂直扫描模式中对天线旁瓣探测到的地物杂波有着更高的抗干扰性(Lhermitte，2002)。用毫米波测云雷达可以连续观测云的水平、垂直结构变化，获得准确的云内宏、微观参数，以便人们更好地研究云的特性及其在气候变化中的重要作用，对降水的预测具有重要意义。

20世纪50年代，国际上开始发展毫米波雷达。美国空军在50年代开始研发、70年代初研制出的TPQ-11型号的Ka波段云雷达(波长为8.5 mm)，最初是作为监测云量的雷达云高计而业务运行的，80年代以后，这种雷达的多普勒和双极化功能由美国国家海洋大气局研究开发出来并应用于各项云物理研究中(Pasqualucci，et al，1983; Pasqualucci，1984；Hobbs，et al，1985；Sauvageot，et al，1987；Kropfli，et al，1995)。80年代早期开始引进94 GHz毫米波雷达(W波段，波长3.2 mm)(Lhermitte，2002)，后来主要应用于云和降水物理研究项目中(Lhermitte，et al，1987a，1987b，1988，1990)。美国Honeywell公司在1992年研制了8毫米波合成孔径雷达，并在1994年开发出35 GHz/94 GHz双频毫米波云雷达，用于探测和识别冰云、过冷水和云滴谱。1996 年第一部新型的无人操控式35 GHz毫米波测云雷达(MMCR)被安置在美国的俄克拉荷马南部的云辐射测试基地，并且随后在多个地点安装了不同型号的毫米波测云雷达(Clothiaux，et al，1999)，作为大气辐射测量(ARM)计划中的一部分，这种雷达可以很好地长期观测非降水以及弱降水云系统。Stephens等(2007)利用MMCR联合其他探测仪器分析了热带对流云的云结构，认为不管天气动力如何，不同对流体系云和降水的结构基本上是相同的，多数观测到的云结构是多层的。英国在20世纪90年代发展了地基94 GHz多普勒雷达Galileo和35 GHz的Copernicus雷达，两部雷达联合探测，提供了冰粒子的大小和密度等重要的信息，从而可进行冰水反演(Hogan，et al，2000)。德国基斯塔赫特GKSS研究中心1999年研制了一部3 mm波长的极化雷达用于观测层状云(Danne，et al，1999)。21世纪以来，国际上毫米波雷达得到更好的发展。日本在2000、2003年分别研制出95 GHz机载云廓线雷达系统和35 GHz的多普勒雷达系统，多普勒雷达可以用来反演云中气流垂直速度的分布及湍流情况等(Hamazu，et al，2003)；2006年发射的CloudSat 是第一个搭载94 GHz 云廓线雷达(CPR)的卫星，云廓线雷达可以为研究云辐射特性提供云内液态水和冰水的垂直廓线(仲凌志等，2009，2010)。

中国毫米波雷达的研制起步较晚。1979年，中国科学院大气物理研究所和安徽井冈山机械厂合作研发了X波段(3 cm)和Ka波段(8.2 mm)双波长雷达，并进行了天气雷达和毫米波雷达观测云、降水结构的理论和观测对比，2006年空军第7研究所与安徽四创联合研发了一部8.6 mm波长的测云雷达，主要用于监测云内积冰情况，便于飞机安全飞行。2007年中国气象科学研究院与中国航天研究二院第23研究所联合研发出具有多普勒和极化功能的8.6 mm波长测云雷达，是中国第一部用于气象探测的灵敏度较高的毫米波雷达。近年来，中国电子科技集团公司第14研究所也开发成功35 GHz毫米波云雷达。目前中国94 GHz毫米波云雷达和35 GHz/94 GHz双频毫米波云雷达尚在开发中，南京信息工程大学正在研制具有极化作用的94 GHz测云雷达，安徽四创也正在研制94 GHz机载多普勒测云雷达。

自从20世纪80年代94 GHz雷达应用到云物理的研究以来，一些学者对94 GHz雷达的探测能力及回波信号进行了分析。通过分析94 GHz毫米波雷达回波信号，可以测定云的宏观结构及云滴谱分布、云层湍流结构变化、有效粒子半径大小、冰云的冰水含量、冰云-水云识别等云的微物理特性(Clothiaux，et al，1999；Kropfli，et al，1996)。Lhermitte等(1987a)利用94 GHz云雷达和Pazmany等(1994)利用95 GHz极化雷达分别对小积云和地形云进行了观测研究；Kollias等(1999，2000，2003，2007)利用94 GHz云雷达研究了对流云中垂直空气运动和雨滴分布以及对流性降水的云微物理结构，并在佛罗里达州迈阿密利用垂直指向测高较低的94 GHz云雷达观测了Irene飓风中群雨滴的衰减值，研究大陆性层积云湍流结构。O′Connor等(2004)发展了联合94 GHz多普勒雷达和后向散射激光雷达研究层积云底部毛毛雨的微物理特征的方法；仲凌志等(2010)研究了星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力。Kollias等(2005)、Sassen等(2005，2007)应用94 GHz雷达对融化层进行了分析。Westbrook等(2011)利用毫米波雷达与激光雷达分析了过冷水云，Heymsfield等(2008)分析了CloudSat 搭载的94 GHz雷达回波暗带的成因。黄毅梅等(2012)利用W波段大气辐射测量计划的云雷达(WACR)在安徽寿县的探测资料，分析了一次冷锋云系的云结构。

可以看出，目前中国对94 GHz云雷达回波分析的文献尚少，而正在研制的94 GHz云雷达，需要弄清94 GHz雷达回波机制，确定雷达反射率因子，多普勒速度等信号与云的内部结构及降水的关系。因此，非常有必要了解94 GHz毫米波雷达区别于厘米波雷达的回波特征及这些特征所反映的云的属性。本研究重点介绍了英国的94 GHz Galileo测云雷达，利用雷达测得的反射率因子、多普勒速度、速度谱宽等参数，结合其他探测仪器及探测手段分析不同云系的94 GHz雷达回波信号和云特性之间的关系，初步探讨了暗带的成因，比较了94 GHz雷达和35 GHz雷达在探测非降水云时回波信号的差异；分析了雾的速度场；探讨了94 GHz毫米波雷达的测云能力。

2 资料简介

使用的94 GHz和35 GHz云雷达数据来自安装在英国Chilbolton(51.1445° N，1.4370°W)的Galileo雷达和Copernicus 35 GHz雷达(http://www.met.rdg.ac.uk/radar/)，探空资料来自美国怀俄明州立大学提供的03354号观测站(53.00°N，1.25°W)的温度廓线数据，此数据与雷达资料在空间上虽然不完全一致，但对结构较稳定的云层来说这两点距离已很接近。本文所使用的地面雨强及滴谱资料来自安装在Chilbolton的地面雨量计及雨滴谱仪。Galileo雷达由伽利略公司、卢瑟福阿普尔顿实验室和雷丁大学联合设计，1996年开始运作，2001年增加了测量多普勒速度及多普勒谱宽的功能，在1 km可探测的最小信号为-38 dBz，在10 km可探测的最小信号为-18 dBz，采样时间30 s，距离库244个。94 GHz Galileo云雷达部分参数如表 1所示。

94 GHz Galileo雷达以同样安装在Chilbolton的 3 GHz雷达为参考进行校准，具体订正见Goddard等(1994)文章，校准94 GHz Galileo雷达使浓度为10⁶ m^-3，直径为100 μm的水滴具有雷达反射率因子Z=0 dBz。

同厘米波雷达相比，毫米波雷达信号在晴空大气、云及降水中的衰减是较严重的。对于94 GHz雷达，干燥大气(水汽含量为0.25 g/m³)中的单程衰减小于0.05 dB/km；在10°C、1013 hPa、湿度为100%时，大气单程衰减为0.636 dB/km(Hogan，et al，2002)；在湿润热带大气中(水汽含量为20 g/m³)，单程衰减则约1.5 dB/km，在相同条件下35 GHz雷达的衰减则为0.3 dB/km；夏天典型大气单程衰减为2 dB/km(Lhermitte，2002)。在瑞利散射条件下，云的衰减和液态水含量成正比，1 g/m³液态水的单程衰减是4.34 dB/km。雨的衰减更大，有时在中雨及大雨中雷达信号将被完全衰减掉，当有强降雨时(50 mm/h)，35 GHz雷达衰减量为2 dB/km，而94 GHz雷达衰减量则为8 dB/km，在某些强降水的极端个例中雷达对风暴的穿透观测仅局限于几千米范围内，从地面上是无法观测到风暴顶的(Lhermitte，2002)。

3 94 GHz云雷达回波及测云能力3.1 降水云94 GHz雷达回波

从2008年1月14、15日94 GHz雷达探测的雷达反射率因子(图 1)可以看出降水时的云系演变过程，同时根据地面雨量计5 min平均降水量得到1月14、15日的雨强(图 2)可知，14日00—12时(世界时，下同)，对流云降水转为对流较强的混合云降水；14日16时30分—23时，两层云发展为层积云降水；15日00时—10时30分，主要为层状云连续性降水；15日10时30分—21时，层积云发展为混合云降水。下面分别分析这几个时段的回波，以此来探讨94 GHz雷达的测云能力。

图 1 2008年1月14日(a)、15日(b)降水过程的雷达反射率因子Fig. 1 Temporal changes in the radar reflectivity factor at the various heights during the precipitation process on 14(a) and 15(b)January 2008

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图 2 2008年1月14日(a)、15日(b)降水过程5 min平均的雨强Fig. 2 Average rainfall rate per 5 minutes during the precipitation process on 14(a) and 15(b)January 2008

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3.1.1 对流云发展为混合云降水时段

图 3为1月14日00—12时的雷达反射率因子及平均多普勒速度。由于雷达波束垂直指向，多普勒速度反映粒子在垂直方向上的下落末速度。根据13日的雷达回波(图略)可知，此云系是前一时期层状云降水后发展起来的。由图 3a可以看出，00—06时主要是对流云发展成熟阶段，云顶高度由00时的2 km发展到了03时以后的近8 km，云系由层积云发展为中低云，回波不连续，有强回波柱，无亮带，伴随阵性降水，每段阵雨回波持续时间都小于1 h，对应一个或多个对流单体。根据图 3b，03—05时，垂直回波带上部的多普勒速度向上，速度最大可达4 m/s左右，说明此时存在较强上升气流分量；回波柱下部为负径向速度，速度最大值超过5 m/s，出现了速度模糊，说明有较大雨滴存在，由图 2a可知，存在雨强超过18 mm/h的降水。06—09时，主要是对流性降水转换为积层云混合云降水阶段，雷达反射率因子最大达15 dBz，云体回波水平结构非常不均匀，柱状回波高低起伏，回波特征同厘米波雷达相似。回波亮带出现但很不均匀，向上的多普勒速度也逐渐减小，说明对流逐渐减弱，降水向层状云降水转化，由图 2a可知，存在雨强超过20 mm/h的降水，说明混合云降水强度较大。14日09—12时，低空积云慢慢消散。因此，回波清晰反映了云的内部结构及参数变化。

图 3 2008年1月14日00—12时的雷达反射率因子(a)及多普勒速度(b)Fig. 3 Radar reflectivity factor(a) and Doppler velocity(b)at the various heights from 00:00-12:00 UTC 14 January 2008

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图 4分别给出2008年1月14日03时20—30分、08时20—30分10 min平均的雷达反射率因子、多普勒速度及多普勒谱宽的垂直廓线。多普勒速度谱宽表征着有效照射体积内不同大小的多普勒速度偏离其(这一群粒子速度的)平均值的程度，4个因素决定了多普勒谱的宽度：粒子下落速度的不均匀分布、大气湍流运动、风垂直切变和因雷达波束宽度存在的横向风效应。由于毫米波雷达垂直指向，所以横向风效应及风垂直切变造成的谱宽可以忽略不计，因此毫米波雷达的谱宽主要由粒子下落速度的不均匀分布及大气湍流运动造成，如果有效照射体积内存在落速差别较大的粒子，速度谱宽就大(张培昌等，2002)。

图 4 2008年1月14日03时20—30分、08时20—30分10 min平均的雷达反射率因子(a)、多普勒速度(b)及谱宽(c)的垂直廓线(图a中两条点划线之间为回波暗带，下面一条点划线为0℃等温线)Fig. 4 Vertical profile of average radar reflectivity factor(a)，Doppler velocity(b) and spectral width(c)per 10 minutes from 03:20 to 03:30(dashed line) and 08:20 to 08:30(solid line)UTC 14 January 2008(dim b and lies between the two dashed-dot lines and the bottom dashed-dot line is 0℃ isotherm in Figure(a)

图选项

图 5为1月14日降水时段地面雨滴谱仪测量的雨滴大小和数量，反映了滴谱的分布情况。

图 5 2008年1月14日降水时段雨滴的大小和数量(色阶)Fig. 5 Size and amount of the raindrops during the period of precipitation on 14 January 2008

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由图 4a可以看出，14日03时20—30分云顶高度约为2 km，根据14日00时探空，0℃等温线约在1.2 km。0℃等温线以上，多普勒谱宽(图 4c)较大，为0.9 m/s以上，说明存在扰动或(和)两种粒子分布：过冷水滴和冰晶或者毛毛雨滴。根据多普勒速度(图 4b)为2 m/s左右，雷达反射率因子(图 4a)在0℃等温线时显著增大，说明两种粒子分别是较多过冷水滴及少量冰晶，因此融化层特征不明显(图 4a)。0℃等温线以下，雷达反射率因子(图 4a)及谱宽(图 4c)有较大增大，说明冰晶开始融化。雨滴在下落过程中碰并增长，使雷达反射率因子(图 4a)及谱宽(图 4c)继续增大，雷达反射率因子最大达到约10 dBz(图 4a)。由图 2a可知地面雨强约为18 mm/h。0℃等温线以下多普勒速度(图 4b)随高度下降是因为粒子速度超过了最大不模糊速度5 m/s，出现了速度模糊。200 m以下雷达反射率因子(图 4a)减小是因为许多雨滴直径超过了1 mm，出现了非瑞利散射造成的(其他时段近地面雷达反射率因子减小也是由于非瑞利散射形成的)。雨滴直径超过1 mm时，其在94 GHz的后向散射截面随直径增大振荡变化，随直径增大而减小的第一和第二区间约为1.0—1.8和2.2—2.8 mm，这与图 5显示的03时20—30分雨滴直径主要在0.5—2.5 mm 是吻合的。

由14日08时20—30分的雷达反射率因子廓线(图 4a)可以看出，在2.8 km以上云发展非常不均匀，存在多层云，在1.8 km(对应雷达反射率因子约7 dBz)以下，0℃等温线以上，雷达反射率因子随高度降低，最大约降低了5 dBz，形成回波暗带，宽度约600 m。在暗带区域平均多普勒速度(图 4b)及谱宽(图 4c)有所增大，表明在这个高度，冰晶粒子边生长边下落。暗带的存在是由于大冰晶的衰减较强及非瑞利散射造成的(Kollias，et al，2005; Heymsfield，et al，2008)。根据米散射原理，当冰球直径超过1 mm时，其在94 GHz的后向散射截面随直径增大出现振荡，冰球粒子的后向散射能量随粒子直径减少的第一个区间是1.0—1.6 mm，根据观测，0℃层上部是低密度冰晶聚合物，这也是众多过冷水滴可能存在的区域，过冷水滴在这些冰晶表面凝结使其凇化增长为大的低密度冰晶聚合物，其凝结过程带来局部升温，产生上升气流从下方携带大量液态水滴进入暗带(Lhermitte，2002)。暗带对应的多普勒谱宽基本不变，说明各粒子增长速率差别较小。Lhermitte(1990)认为厘米波雷达和35 GHz雷达从未探测到暗带，本研究发现在这次降水过程中同时探测的35 GHz雷达回波也有暗带(图 12)，而且出现高度略低于94 GHz雷达。根据Brown等(1995)确定的冰晶聚合物质量密度关系，当等效实冰球(密度为0.917 g/cm³)直径为1.0、1.6 mm 时(94 GHz后向散射截面的极小值点)，聚合物最大尺度为1.4、 3.0 mm；当等效实冰球直径为2.67、4.3 mm 时(35 GHz后向散射截面的极小值点)，聚合物最大尺度为6.8、14.4 mm。因此可以推测聚合物下落凝华增长，两部雷达同时探测到了暗带，说明0℃等温线以上聚合物最大尺度应超过6.8 mm，这个推测较符合Heymsfield等(2008)观察CloundSat云雷达的回波暗带而计算的结果。

在0℃等温线以下有0℃层亮带(反射率因子突然增大)(图 4a)，这是因为冷区冰雪晶下落进入0℃等温线以下融化，水的后向散射能力比冰大造成的，它的存在表明云中存在明显的冰水转换区域，因此在0℃层亮带对应的多普勒速度(图 4b)以及多普勒速度谱宽(图 4c)都显著增大，约在800 m时，达到最大，说明此处为融化层底部，融化层厚度约为400 m，与Mason(1971)实际观测的融化层厚度250—300 m相近。冰晶在融化过程中的散射特性相当于等效水滴直径从小变大然后又变小时的散射特性，由于瑞利散射，厘米波雷达的0℃层亮带中间通常有雷达反射率因子的极大值，再加上水滴下落速度加快使单位体积内降水粒子数目减少，使底部雷达反射率因子降低很大。但是图 4a中显示94 GHz雷达的融化层底部反射率降低不是很明显，这主要也是由于粒子在94 GHz时的非瑞利散射造成(Kollias，et al，2005； Heymsfield，et al，2008)。可以推测在融化层底部，一方面水滴下落速度加快导致总的散射能力减小；另一方面由于融化过程中等效水滴直径的先增大后减小(Sassen，et al，2007)，在1.8—1.0 mm内减小，将使后向散射截面增加，所以总体上使融化层底部反射率降低不如厘米波雷达明显或者不降低。在融化层以下，谱宽增大(图 4c)，表明雨滴在下落过程中增长，雷达反射率因子随高度降低基本保持在12 dBz不变(图 4a)，说明许多粒子处于米散射区，地面雨滴谱测量显示08时20—30分(图 5)，雨滴直径主要为0.5—2.5 mm，最大达到4.0 mm，这也和上面的推测是一致的。雨滴较大也从一定程度上说明0℃等温线以上冰晶聚合物尺寸是较大的，图 2a显示此时地面有雨强约为5 mm/h的降水。

3.1.2 层积云降水阶段

从1月14日16时30分—23时的雷达反射率因子(图 6a)及多普勒速度(图 6b)可以看出，大约在16时30分，高空出现碎云，18时发展为中云(高积云)，高积云继续发展，与20时30分出现的低空层积云在22时逐渐合并，层积云降水强度在3 mm/h之下(图 2)，对应最大雷达反射率因子约为10 dBz；多普勒速度突然增大的地方(约1.4 km)为0℃等温线。

图 6 2008年1月14日16时30分—23时的雷达反射率因子(a)及多普勒速度(b)Fig. 6 Radar reflectivity factor(a) and Doppler velocity at the various heights(b)from 16:30-23:00 UTC 14 January 2008

图选项

图 7为2008年1月14日21时50分—22时10 min平均的雷达反射率因子、多普勒速度和多普勒谱宽的垂直廓线。

图 7 2008年1月14日21时50分—22时10 min平均的雷达反射率因子(a)、多普勒速度(b)及谱宽(c)的垂直廓线(图a中虚线为0℃等温线)Fig. 7 Vertical profile of average radar reflectivity factor(a)，Doppler velocity(b) and spectral width(c)per 10 minutes from 21:50-22:00 UTC 14 January 2008(the dashed line is 0℃ isotherm in Figure(a))

图选项

图 7

Fig. 7

图 7 Fig. 7

14日 21时50分—22时雷达反射率因子廓线(图 7a)显示，高空存在两层云，无0℃层暗带，主要是层积云降水，层积云云顶高度约为2 km，而且0℃层以上云的雷达反射率因子在0 dBz以下，说明冰晶粒子较小，在下落过程较多粒子没有长到足够大。约在1.4 km高度，多普勒速度(图 7b)、多普勒谱宽(图 7c)突然增大，表明此处为融化层顶。约1 km时多普勒速度(图 7b)、多普勒谱宽(图 7c)分别增大到3 m/s、1 m/s多，并随高度下降保持基本不变，而且此时的雷达反射率因子(图 7a)有轻微的减小，表明1 km高度处为融化层底。1000—400 m雷达反射率因子随高度下降增大(图 7a)，说明雨滴在下落中碰并增长，并且此高度雨滴直径多数应在1 mm以下，400 m以下雷达反射率因子降低，说明有些雨滴直径超过1 mm，这与地面雨滴谱仪测量的雨滴直径主要在0.3—1.3 mm(图 5)是吻合的。 3.1.3 层状云连续性降水阶段

根据1月15日00时的探空资料，0℃等温线约在1.5 km。由图 8a可以看出，1月15日00时—08时30分，在0℃等温线以上，回波暗带较明显，0℃等温线以下存在连续的0℃层亮带，因此主要是层状云连续性降水。回波顶高度较连续，为6—7 km，0℃等温线以上一些较强的回波柱对应多普勒速度是向下的，较弱的回波对应有较弱的上升气流(图 8b)。08时30分前后，0℃层亮带开始出现不连续，说明云内上升气流有所增强。图 8b底部强回波区对应的正速度是因为粒子速度超过5 m/s，出现了速度模糊。

图 8 2008年1月15日00时—10时30分的雷达反射率因子(a)及多普勒速度(b)Fig. 8 Radar reflectivity factor(a) and Doppler velocity(b)at the various heights from 00:00－11:00 UTC 15 January 2008

图选项

图 9为2008年1月15日03时00—10分、09时35—45分10 min平均的雷达反射率因子(a)、多普勒速度(b)及多普勒谱宽(c)的垂直廓线。图 10为15日降水时段地面雨滴谱仪测量的雨滴的大小和数量。

图 9 2008年1月15日03时00—10分、09时35—45分平均的雷达反射率因子(a)、多普勒速度(b)及谱宽(c)的垂直廓线(图a中两条点划线之间为回波暗带，下面一条点划线为此时0℃等温线)Fig. 9 Vertical profile of average radar reflectivity factor(a)，Doppler velocity(b) and spectral width(c)per 10 minutes from 03:00 to 03:10(solid line) and 09:35 to 09:45 UTC(dashed line)15 January 2008(dim b and lies between the two dashed-dot lines and the bottom dashed-dot line is 0℃ isotherm at 03:00－03:10 in Figure(a))

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图 10 2008年1月15日降水时段雨滴的大小和数量(色阶)Fig. 10 As in Fig. 8 Size and amount of the raindrops during the period of precipitation on 15 January 2008

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由图 9a可以看出，15日03时00—10分，在2 km 以下雷达反射率因子约2 dBz时开始出现暗带，宽度约500 m，雷达反射率因子最大降低了约4 dBz， 能看出0℃层亮带，亮带宽度约300 m。在0℃层亮带以下，雨滴在下落中碰并增长，雷达反射率因子随高度降低而增大，相应的多普勒速度、多普勒谱宽也增大。由图 8b可知多普勒速度很少出现模糊，在0℃层亮带以下多普勒速度出现震荡(图 9b)的原因，主要是由于照射体积内有的粒子较大，速度超过5 m/s，使平均的速度减小。由图 10可知，雨滴谱分布为0.3—1.8 mm，根据Mason(1971)及Lhermitte(2002)确定的水滴大小与下落末速度的关系，当降水粒子直径在1.0—1.8 mm时，多普勒速度为4—6 m/s(忽略空气的垂直速度)，这与上面的推测是吻合的，此时地面有雨强约为3 mm/h的降水(图 2b)。

15日09时35—45分，平均雷达反射率因子垂直廓线(图 9a)显示，0℃层以上基本无暗带，0℃层以上雷达反射率因子都在0 dBz以下，说明冰晶粒子平均直径较小。根据雷达反射率因子、平均多普勒速度及谱宽确定，融化层顶应该在1.8 km上下，比前一时段上升了约为300 m，根据平均多普勒速度及谱宽确定，融化层厚度约300 m，与其他时段差不多。3.1.4 层积云发展为对流较弱的混合云降水阶段

1月15日10时30分—21时为层积云发展为混合云降水阶段，其回波特征同14日混合云降水相似。图 11为2008年1月15日15时50分—16时、17时50分—18时10 min平均的雷达反射率因子、多普勒速度及多普勒速度谱宽的垂直廓线。由图 11a可以看出，15日15时50分—16时在3.5 km以上雷达反射率因子较大，并随高度降低而增大，甚至超过了0℃层亮带的雷达反射率因子，这是由于云中有上升气流，冰晶粒子浓度很大，直径也较大，而且可能存在较大过冷水滴。在3.5 km以下雷达反射率因子约13 dBz时开始出现暗带，雷达反射率因子最大降低了约10 dBz，暗带很宽(约2 km)。这是因为在高湿条件下，冰晶下落过程中增长较快，甚至冰晶聚合物的尺寸会超过2 cm，所以当到达3.5 km以下时，出现了非瑞利散射；另一个原因可能是中云和低云合并处的冰晶粒子较少，因而形成很宽的暗带。由于云中有上升气流，所以3.5 km以上多普勒速度较小(图 11b)。0℃层亮带较明显，雷达反射率因子在亮带底部(约1 km处)达到最大值(约10 dBz)，对应的平均多普勒速度由向下的3 m/s突然变成了向上约1 m/s(图 11b)，这是因为出现了速度模糊，实际向下的速度应为5.5 m/s，说明雨滴此时平均直径主要为1.5 mm。也是因为部分粒子出现了速度模糊，使1 km以下的平均多普勒速度较小(图 11b)。图 10显示雨滴直径在0.3—2.5 mm。

图 11 2008年1月15日15时50分—16时、17时50分—18时10 min平均的雷达反射率因子(a)、多普勒速度(b)及谱宽(c)的垂直廓线(图a中每条垂直廓线上的两条点划线之间是回波暗带)Fig. 11 Vertical profile of radar reflectivity factor(a)，Doppler velocity(b) and spectral width(c)per 10 minutes from 15:50 to 16:00(solid line) and 17:50 to 18:00(dashed line)UTC 15 January 2008(dim b and s lie between the two dashed-dot lines on every vertical profile in Figure(a))

图选项

与15日15时50分—16时相比，图 11a显示17时50分—18时云顶高度降低较大，0℃层暗带的雷达反射率因子也降低的较少，1 km以下平均多普勒速度(图 11b)及谱宽(图 11c)都变大，说明此时雨滴直径较大。图 10显示地面许多雨滴直径超过了1.5 mm，最大约为4 mm，雨强为8—9 mm/h(图 2b)，其对应的最大雷达反射率因子比15时50分—16时1.5 mm/h雨强(图 2b)对应的最大雷达反射率因子只增大了约2 dBz，这也是由于衰减及非瑞利散射所造成的。

3.1.5 与35 GHz云雷达回波的比较

图 12给出了15日03时00—10分、17时30—40分 94 GHz和35 GHz云雷达同时探测到的雷达反射率因子垂直廓线。可以看出，0℃等温线以上都存在暗带，以下存在亮带。在融化层底部，35 GHz云雷达的雷达反射率因子明显减小，具有和厘米波雷达相似的特征，94 GHz则没有。在暗带以上，两者的雷达反射率因子差别约为10 dBz(03时00—10分)及2—5 dBz(15时30—40分)，这主要是由于94 GHz雷达信号衰减较大造成的；在暗带至近地面区域，两者的雷达反射率因子差别约为15 dBz(03时00—10分)及8—10 dBz(15时30—40分)，这主要是由于94 GHz雷达信号衰减较大及非瑞利散射造成的。近地面的衰减主要是变湿的天线罩造成的，变湿的天线罩使94 GHz雷达双程衰减达9—14 dB(Hogan，et al，2002)。由于降雨时衰减较大，94 GHz雷达探测的云顶高度比实际要低。

图 12 2008年1月15日03时00—10分、15时30—40分，94、35 GHz云雷达同时探测到的10 min平均雷达反射率因子垂直廓线的比较(每条垂直廓线上的两条点划线之间是回波暗带)Fig. 12 As in Fig. 11 Comparision of the vertical profiles of the average radar reflectivity factor per 10 minutes from 03:00 to 03:10 and 15:30 to 15:40 UTC 15 January 2008 between 94 GHz and 35 GHz(dim b and s lie between the two dashed-dot lines on every vertical profile)

图选项

对比以上几个时段可以看出，对流云降水及对流较强的积云混合云降水具有较大的雨强，但持续时间短，雷达反射率因子并不很高，最大约为12 dBz；在对流较强时，0℃层以上冷层的谱宽较大；混合云降水出现不均匀回波暗带和亮带特征；层状云降水出现较连续的亮带特征及暗带特征，雨强较小，但持续时间较长，雷达反射率因子最大约为15 dBz。

3.2 晴天非降水云回波

图 13给出2008年12月19日 94及35 GHz雷达同时探测的非降水云的雷达反射率因子、多普勒速度和多普勒速度谱宽。根据探空资料，0℃层在1 km以上。由图 13可以看出，16时以前在3—10 km 高度存在主要由冰晶组成的中高云，在大气及云衰减的情况下，35及94 GHz雷达反射率因子分别为-30—15 dBz(图 13a₂)及-20—10 dBz(图 13a₁)。雷达反射率因子随高度降低而增大(图 13a₁、a₂)，多普勒速度(图 13b₁、b₂)与雷达反射率因子变化趋势一致，表明冰晶在下落过程中增长。在5 km上下，14—16时，雷达反射率因子较强(图 13a₁、a₂)，其对应的速度谱宽(图 13c₁、c₂)也较大。且大于0.4 m/s，说明可能含有较多的过冷水(Shupe，et al，2004)，但是94 GHz雷达所测的谱宽明显低于35 GHz雷达的谱宽，这和94 GHz雷达信号的散射能力、衰减能力等因素有关。35 GHz较好地探测到9 km以上较薄的高层卷云，由于中云和大气对94 GHz雷达信号衰减较大，94 GHz雷达没有探测到9 km以上较薄的高层卷云。

图 13 94和35 GHz雷达同时探测的2008年12月19日非降水云的雷达反射率因子(a1、a2)、多普勒速度(b1、b2)、谱宽(c1、c2)Fig. 13 Temporal changes in the radar reflectivity factor(a1，a2)，Doppler velocity(b1，b2) and spectral width(c1，c2)for non-precipitating clouds on 19 December 2008 from the 35 GHz and 94 GHz radar，respectively

图选项

在约19时，1 km以下存在晴空积云，因为小云滴直径约为10 μm及以下，35及94 GHz雷达反射率因子较小，分别约为-40—-20 dBz(图 13a₂)及-30—-20 dBz(图 13a₁)。35 GHz雷达回波信号在低空存在大量从天线旁瓣感应的地物杂波，使低云变得不易分辨，94 GHz雷达回波在低空不存在地物杂波，这是因为94 GHz雷达波长短，使液滴和地物目标的后向散射截面之差增大，因此从天线旁瓣感应到的地物杂波就减弱到不易被探测到。相比35 GHz雷达，94 GHz雷达在探测非降水性的低云时具有较大优势。图 14给出2008年12月19日19时94 GHz雷达探测的小积云的雷达反射率因子、平均速度。可见积云厚约500 m，积云上部回波较强(图 14a)的地方(18时48分—19时03分)对应多普勒速度大多约为0 m/s(图 14b)，说明粒子不大，粒子浓度较大。云内正负速度一般在1 m/s内(图 14b)，说明云内有扰动。积云液滴的运动可以作为空气运动的参考。因此，94 GHz雷达信号能清楚反映晴天淡积云的内部结构及非常小的尺度变化。

图 14 2008年12月19日19时存在的小积云在94 GHz的雷达反射率因子(a)和多普勒速度(b)Fig. 14 Radar reflectivity factor(a) and Doppler velocity(b)for small cumulus clouds at the various heights on 19 December 2008

图选项

3.3 雾的回波

2008年7月30日94 GHz雷达探测的雷达反射率因子(图 15a)及多普勒速度(图 15b)显示，在500 m以下，雷达反射率因子小于-30 dBz，速度场比较杂乱，正负多普勒速度错综交杂在一起，说明这是雾，而霾的速度主要是向下的，气溶胶的速度一般是向上的，而且回波边界清晰。雾的速度场杂乱主要是由大气边界层的湍流造成的(徐姝，2010)。图中显示在4 km以上存在卷云及高积云，雷达反射率因子一般为-10 dBz左右。

图 15 雾的雷达反射率因子(a)及多普勒速度(b)Fig. 15 Temporal changes in the radar reflectivity factor(a) and Doppler velocity(b)of fog at the various heights

图选项

4 结 语

根据英国94 GHz Galileo云雷达探测的雷达反射率因子、多普勒速度、谱宽等参数，结合地面雨量计、滴谱仪及探空资料，分析了94 GHz云雷达的回波和云系结构，比较了35 GHz和94 GHz雷达探测的云回波的差异，分析94 GHz云雷达的测云能力。

(1)94 GHz云雷达时空分辨率高，能穿透几层云获得清晰的云水平和垂直结构，探测到云的内部特征，能清楚反映出弱降水过程的云系结构变化。可以提供多层云的云底高、云顶高、云层厚度等云的宏观特性，也可以反映云内粒子的微物理变化过程。

(2)94 GHz云雷达与厘米波雷达的回波不同，能反映云的精细结构。主要特征是0℃层暗带的出现及0℃层亮带下雷达反射率因子降低不明显或不降低，分别是由冰晶和水滴的非瑞利散射引起的。暗带的出现和云顶高度、降水类型、雨强及上升气流强度等因素有关，在有0℃层亮带存在的冷性层状云或混合云降水，且雨强在8 mm/h以下时可能出现暗带。发展高的降水性层状云系，暗带明显，暗带宽度大。暗带区域一般在600 m以内，暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过3 mm，而且有些暗带区域的冰晶聚合物最大尺度可超过6.8 mm。亮带反映了云中存在明显的冰水转化区(融化层)，亮带底部反射率没有降低主要是由于在融化层中雨滴直径较大处于非瑞利散射区，在融化层底部雨滴直径变小产生的后向散射的增大抵消了粒子浓度降低带来的后向散射的减小，从而使0℃层亮带下面的雷达反射率因子降低不明显或不降低。

(3)94 GHz云雷达探测到的层状云降水的雷达反射率因子最大值约15 dBz，对流云、积层混合云降水强度较大，但雷达反射率因子并不高，最大约为12 dBz；对流较强的混合云回波水平结构非常不均匀，存在不连续回波暗带和亮带。雨强较大时，由于非瑞利散射，近地面的雷达反射率因子减小较多。多普勒速度及谱宽显著增大的地方是融化层顶。

(4)与35 GHz测云雷达相比，94 GHz云雷达具有更好的抑制地物杂波的能力，在晴空低云探测方面具有优势，可反映云的小尺度变化。由于衰减，晴空天气下，94 GHz云雷达探测不到较薄的高云顶。由于非瑞利散射和较大衰减，94 GHz探测雷达反射率因子要小于35 GHz的值，特别是降水时，相差较大，雨强为3 mm/h的层状云降水，两者相差高达15 dBz。

(5)94 GHz云雷达可探测雾，雾的雷达反射率因子较小，多普勒速度较杂乱。

分析表明，94 GHz云雷达具有探测非降水云和弱降水云的能力，而且通过雷达反映出的降水前云宏观及微观特征，可进一步提高对降水预测的能力。充分将毫米波雷达、厘米雷达、探空、地面资料等结合分析，有助于研究各种天气形成的微观物理机制，对天气预报、云物理的发展、人工影响天气、气候变化的研究均有重要意义。本研究主要探讨的是94 GHz云雷达实际探测到的回波及测云能力，简单说明回波和云特性的关系，没有进行云的微物理参数的具体反演，下一步将利用多普勒谱密度反演混合相云的一些特性及反演空气的上升速度，还将利用中国自己研制的94 GHz 云雷达所测回波进行云的一些重要微物理参数的反演。

致 谢:  感谢卢瑟福阿普尔顿(Rutherford Appleton)实验室提供了94 GHz Galileo、Copernicus 35 GHz雷达探测数据。