雷达回波上的圆环--零度层亮带

图一。层状云降水中主要冰粒的生长过程

我们都知道，在对流层中，海拔每下降100米，温度上升约0.6摄氏度仰望天空，远处的云层里有许多冰粒它们从云层上脱落并下落一段时间后，环境空气温度逐渐上升到0℃此时冰雪颗粒开始融化，变成冰水混合相，直至完全融化成雨滴在冰水转换的过程中，如果用雷达照射这个区域，会发现这里的回波比其他地方要亮科学家给这种现象起了个名字，叫做零度层亮带那么零度层亮带是如何形成的呢

01.零度层亮带是什么。

零度层亮区是大范围层状降水的雷达回波特征之一在PPI上表现为明显的中等强度色码环或弧，其强度往往达到30—40dBZ，比附近回声强10—20dBZ在RHI上，有一条窄条状明亮回波带，其回波强度明显高于上下部分因为早期的天气雷达是在荧光屏上显示的，所以零度层的回波会显得比它上面和下面都亮，所以叫做零度层亮带

图二。零度层亮带的基本反射率图像

但是，并不是所有的降水都能形成亮带，通常我们只能在分层降水中看到这种现象气象学上，我们通常把降水分为对流降水和分层降水对流的垂直空气移动速度很快，上升气流会把很多冰水颗粒带入中高层大气当这些大颗粒下落时，雷达回波会在剖面上显示出一个反射率因子较高的垂直柱相比之下，层状降水粒子的下落速度要比上升气流快得多当冰粒落在零度层附近时，会融化，在雷达剖面图中形成零度层的亮带因此，零度层亮区是层状云降水回波的主要特征

3.对流降水和层状降水的雷达回波廓线。亮带的成因及意义

那么，亮带形成的主要原因是什么呢或者说，为什么雷达回波在零层附近突然增强为了回答这个问题，我们不得不搬出雷达天气方程

雷达回波强度由雷达参数和降水区的大气条件等决定。我们通常用雷达气象方程来表达它:

①

其中Pr为雷达的峰值脉冲功率，R为雷达与被探测目标的距离，M为负折射率，Z为雷达反射率因子。在瑞利散射条件下:

②

其中d是粒子的直径，n是粒子的数密度。

根据雷达气象方程，亮带的形成主要有以下五个因素:

融化效应:冰晶和雪花从高空落到0度层附近，冰融化成水后，即公式①中的介电常数增大。

伴随着项数的增加，粒子的散射能力增强。5倍的冰粒)

碰撞效应:伴随着颗粒的融化，包裹在水中的雪花变得更粘，更容易粘在一起，钩在一起，即颗粒之间的碰撞和聚合作用增强，颗粒直径变大由公式②可知，粒径D的增大会导致反射率因子Z的增大，即雷达回波的增强

速度效应:当冰晶完全融化后，在表面张力的作用下，转变成球形雨滴阻力减小，降落速度比冰晶和雪花快得多，大大减少了单位体积的降水粒子数N从公式②可以看出，反射率因子Z相应减小，亮带以下的回波减弱，从而突出亮带

形状效应:冰雪粒子在下降过程中并不总是球形的，非球形粒子的散射大于球形粒子，因此散射能力增强。

粒子破碎效应:大雨滴受到的阻力更大，通常不会持续很久当它们被压碎或蒸发成小雨滴时，粒径减小，亮带以下的反射率降低，亮带突出

一般来说，在亮带上部，由于熔化引起的介电常数变化和粒子生长效应，雷达回波强度急剧增加，在亮带下部，冰晶架坍塌，速度效应降低雷达回波强度，使0℃附近的融化层形成水平延伸的强回波带:零层亮带。

图4双频测雨雷达探测到的一次降水雨团廓线

零度层亮在实际气象应用中有什么意义首先，零度层反映了层状云降水中明显的冰水转化过程亮区以上的降水以冰晶和雪花为主，亮区以下的降水以雨滴(液态粒子)为主探测亮带的存在与否可以帮助我们更好地区分对流降水和分层降水，并进一步讨论它们在降水机制上的差异其次，亮带的存在表明层状云降水中的气流是稳定的，没有明显的对流运动最后，根据0℃层中亮带的高度，我们还可以推断出大气中0℃等温线的高度

03.不同仪器照射的零度层亮带。

最近几年来，伴随着气象仪器的不断发展，双频雷达和双极化雷达可以为我们提供更多的降水粒子信息，在亮波段探测方面也各有优势。

双频测雨雷达，顾名思义，是一种可以发射两种不同波段电磁波的雷达不同波段的雷达在遇到同一目标时，探测到的信号是不同的例如，图5中的蓝色实线和红色实线分别代表Ku和Ka波段雷达探测到的降水回波信号由于Ku波段的波长比Ka波段长，所以Ku波段遇到气象目标时信号衰减较弱，探测到的雷达回波较强利用双波段探测信号的差异，即双波段比值DFRm，可以识别亮波段我们可以看到，DFRm廓线(黑色虚线)对于分层降水(图5，左)有清晰的峰值和上下边界，说明存在亮带，但是对于对流降水(图5，右)，DFRm廓线没有这样的特征，说明对流降水没有亮带

图5双频降雨雷达探测的分层和对流(右)降水反射系数廓线

与双频雷达不同，双极化雷达是指可以同时发射水平和垂直(V)极化模式电磁波的雷达这两种不同偏振态的电磁波照射各种降水粒子，它们的后向散射回波可以告诉我们粒子的形状，大小和方向双极化雷达还可以提高零度层亮带的识别能力它的三个偏振参数:相关系数ρHV，微分反射率ZDR和微分相移率KDP都对亮带敏感有时，雷达回波强度场中亮带的特征并不明显(图6a)，但ρHV，ZDR和KDP能很好地指示零度层的位置(图6b，c，d中黑色箭头的位置)

图6。C波段双极化雷达参数分布图

以上是对零层亮带的简单介绍。最后，有几点需要注意:

不同地区，不同季节零层高度不同，所以零层亮区高度也会发生变化(对流层高度相同)。

下雪时，由于近地面温度往往低于0℃，颗粒没有冰水转化过程，所以不会出现零层亮区。

因为温度高于0℃时冰晶和雪花开始融化，零度层的亮带通常出现在0℃以下的区域

参考

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法布里，f，安迪扎瓦日基，1995:降水融化层的长期雷达观测及其解释Sci

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陈军，王金虎，万法宇，樊攀，韩松宇基于CST软件的零度层亮带成因分析兰州大学学报(自然科学版)2017

姚，魏明，杜，卢美琪极化雷达参数对融化层回波的敏感性分析科学技术与工程，2016

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