青藏高原是世界上海拔最高、地形最复杂的高原，占中国陆地面积的四分之一，平均高度可达对流层中层，被称为“世界屋脊”。它通过地形动力和热力作用深刻地影响着青藏高原和附近地区以及中国东部地区的大气环流、能量和水分循环以及气候。青藏高原的云和降水对青藏高原水汽输送、青藏高原加热有重要作用，青藏高原天气系统常常在有利的天气环境下移出高原，造成下游的暴雨等灾害。青藏高原上空云和降水微物理过程不同于低海拔地区的情况，青藏高原上地面加热强烈，因此对流抑制因素在中午以后会迅速减小，积云对流更容易触发，出现频率比平原地区更高；而由于青藏高原水汽含量较低，因此对流有效位能(CAPE)通常较小，导致青藏高原上的对流云顶和强回波顶离地面都较低，对流系统的水平尺度也较小。

由于相对缺乏的针对青藏高原云和降水物理特征的野外观测试验，对青藏高原云和降水的微物理结构的了解很少：由于目前中外数值模式对青藏高原区域描述云物理过程的不确定性，采用的云和降水物理过程重要参数可能不适合于青藏高原的特点，因而现有数值模式不能合理模拟出青藏高原上空的云微物理特征，造成模拟的云辐射强迫和降水过程偏差较大，影响了数值模式对云物理过程和降水的模拟与预报效果。另外，对于气象观测站稀疏的青藏高原腹地和中西部无人区，卫星观测成为一种获取高密度空间资料的必要手段，但是卫星观测需要地面资料校正，缺乏青藏高原地面观测资料的校正仍然是制约卫星观测资料质量的主要瓶颈。因此，开展青藏高原云和降水的综合观测非常必要。

在第1次青藏高原大气科学试验时，科学家就已经注意到了降水系统观测的重要性，在青藏高原中部的那曲及南部拉萨各设置了一部常规数字化X波段711雷达观测站，对青藏高原对流降水进行了观测，秦宏德(1983)利用1979年青藏高原地区气象科学考察获取的大量资料，分析了那曲地区对流云的统计特征和1979年夏季大气静力能量的垂直分布及与对流发展的关系。1998年中国气象局与中国科学院共同主持实施了第2次青藏高原大气科学试验(TIPEX)，中日双方合作在青藏高原的那曲地区进行了青藏高原能量和水分循环观测实验研究(GAME-TIBET)，利用日本的X波段多普勒雷达、雨量计网和探空系统对该地区降水过程进行了综合观测，并利用这些数据分析了青藏高原对流云降水的雷达回波特征，季风爆发前后青藏高原对流过程的变化、对流过程的日变化等特征，开展了地基雷达和TRMM 测雨雷达(PR)观测的对比(刘黎平等，1999；Liu et al，2002；Liu，2003；Shimizu et al，2001; Uyeda et al，2001；庄薇等，2013)。

对于广袤的青藏高原，卫星观测始终是非常重要的方面，很多科学家利用气象卫星、TRMM卫星测雨雷达、Cloudsat云雷达和激光雷达，分析了青藏高原典型深对流云降水云结构和对流降水的统计特征，讨论了与东亚及其他地区对流云的差别，在相对干燥和对流有效位能比较低的环境下发展的青藏高原深对流尺度小，相对比较弱(傅云飞等，2007；戴进等，2011；汪会等，2011；李典等，2012；蔡雯悦等，2012；李生辰等，2009)。科学家也利用飞机直接观测数据和新一代天气雷达探测数据，分析了青海和青藏高原东部层云云系的微物理结构(李仑格等，2001；赵仕雄等，2002；刘治国等，2008)。

中国气象局在西藏建设了新一代天气雷达系统，对青藏高原降水系统进行业务探测，由于受到地形遮挡的影响，对降水系统观测的效果不佳。天气雷达(S、C和X波段气象雷达)主要观测降水回波的三维结构，而对云的探测能力有限，而波长比较短的毫米波雷达和激光雷达是探测云的主要手段。

从以上研究现状可以看出，利用天气雷达进行了高原降水系统探测，利用卫星等被动遥感进行了高原云的观测，而利用多种主动遥感手段对青藏高原云的微物理参数进行连续的综合观测和研究还基本上为空白。因限于云探测数据的缺乏，针对高原对流云内部的微物理和动力参数等精细结构的研究还非常匮乏，对其认识非常有限，远远无法满足科学和实际应用的需要。而毫米波雷达等新型的云探测技术已经在中国广东、云南等外场试验中得到应用，并发展了云雷达的数据分析方法(刘黎平等，2014)。为此，利用地基多波段的雷达进行高原云的综合观测，形成数据集，发展针对青藏高原对流云特点的云物理参数反演方法，对了解青藏高原云、降水空间结构及时空变化特征，进一步认识青藏高原云和降水过程，研究适合于青藏高原云和降水过程参数化方案等方面有重要意义。

在2014年开展的第3次青藏高原大气科学试验中，项目组于2014年7月1日至8月31日，在西藏那曲利用多种垂直指向的雷达探测系统、激光雷达和双线偏振雷达，并结合被动遥感技术，开展了水汽、云和降水的加密观测。这次试验采用了中国自主研发的毫米波雷达、C波段连续波雷达和C波段双线偏振雷达等最先进的探测手段，获取了非常有价值的外场试验第一手数据，为今后青藏高原云和降水研究提供了数据基础。

云和降水观测拟解决的科学问题是：通过外场试验观测，提出利用多种雷达进行云和降水综合观测的方法、数据质量控制方法，发展基于多波长雷达数据的云降水微物理和动力参数反演方法，进一步认识青藏高原云和降水的微物理结构及时空变化特征。云和降水外场试验的目的是采用多波长主动遥感和被动遥感相结合的方式，获取青藏高原水汽、云和降水宏微观结构数据，发展云和降水微物理反演方法，揭示青藏高原地区云和降水的微物理特征，为卫星遥感反演云和降水参数的方法订正、建立云和降水物理过程模型及相关数值预报模式参数化方案提供数据。

以前外场试验只采用了多普勒天气雷达进行降水系统的探测，对降水系统的相态无法进行观测，更无法实施云的观测。本次外场试验采用了不同波长的多种先进的雷达等观测设备，不但观测降水系统的回波宏观特征，还能观测降水系统的三维风场、降水粒子相态和雨滴谱；采用了更短波长的雷达，进行云的垂直结构的连续观测，从而反演得到云的微物理和动力参数的垂直廓线分布。这对进一步研究高原云的特征有重要意义。

2014年外场试验的观测设备、观测地点和观测时间见表 1，设备的外观见图 1，主要技术指标见表 2。

图 1 青藏高原云降水外场试验主要设备 (a.Ka波段毫米波云雷达，b.C波段连续波体制垂直观测雷达，c.可移式C波段双线偏振多普勒雷达，d.水汽和云探测激光雷达，e.Ku波段微降水雷达)Fig. 1 Main equipment (a. Ka band cloud radar, b. C band frequency modulation and persistent wave (FMCW) radar, c. C band mobile polarization radar, d. vapor and cloud observation lidar, e. Ku band micro-rain radar)

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Ka波段固态发射机体制毫米波云雷达以垂直方式进行连续不间断的云探测，获取雷达上空的回波强度、径向速度、速度谱宽和线性退极化比数据，同时，可选择输出功率谱数据，用于进一步研究。C波段调频连续波垂直观测雷达是中国第一部采用调频连续波全相态体制的云和降水雷达观测系统，主要测量降水云或降水15—30 m 垂直分辨率的各高度层回波强度、径向速度和谱宽信息。Ku波段微降水雷达是德国生产的，采用Ku波段固态发射机体制，可探测云和降水的回波强度、功率谱密度数据，从而反演得到6 km(距地面高度，下同)以下降水雨滴谱(0.109—6 mm直径)、雨量等垂直廓线。水汽和云探测激光雷达采用的波长为1064、532和355 nm，可探测和反演水汽密度、云退偏振比、云底高度、大气消光系数、大气后向散射系数廓线，系统最大探测距离20 km，水汽混合比探测距离为 0.2—5 km，云底和云退偏振比探测范围为 0.2—15 km。这3种波长的垂直观测雷达和激光雷达构成了不同强度、不同发展阶段的云和降水垂直结构的综合观测系统。

可移式C波段双线偏振雷达采用同时发射和接收水平、垂直偏振的工作方式，获取降水系统的回波强度、径向速度、速度谱宽、差分发射率因子、差分传播相移和水平垂直信号相关系数等参量，在外场试验期间，采用6 min为周期的9层扫描模式，与那曲气象局的C波段新一代天气雷达构成双多普勒雷达观测系统。

为了探测雨滴谱特征，并验证雷达反演的雨滴谱的准确性，本次试验进行了地面雨滴谱观测，使用的HSC-PS32型雨滴谱仪可以探测液态粒子和固体粒子，对于液体粒子直径的探测范围为0.2—5 mm，对于固体粒子直径的探测范围是0.2—25 mm。为了配合垂直探测雷达反演云液态水含量，本试验进行了微波辐射计观测，使用了美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型地基微波辐射计，它可以连续获取0—10 km范围的高分辨率温度廓线、相对湿度廓线、水汽廓线以及较低分辨率的液态水含量廓线和较为准确的柱液态水总含量。

云和降水试验观测地点选择在西藏那曲地区，主要考虑那曲为高原低涡的主要发展区域，对流过程比较频繁，代表性好。云的垂直观测地点选在那曲气象局(31.48°N，92.01°E，海拔 4507 m)(NQMET)，C波段双线偏振雷达的观测地点选择在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所那曲高寒气候环境观测研究站(31.37°N，91.90°E，海拔4509 m)(NQBJ)。但在实际观测时C波段连续波雷达与那曲气象局的C波段新一代天气雷达产生干扰，C波段连续波雷达和1部雨滴谱仪在那曲中信大酒店进行观测(31.29°N，92.03°E，海拔4507m)(NQZX)，与那曲气象局距离约2 km。加密观测时段为2014年7月1日至8月31日。

自从7月1日正式观测以来，大部分设备工作正常，获取到了连续的云演变数据，特别是云雷达和C波段连续波雷达，因采用了固态发射机，可进行连续观测，稳定性和可靠性也较好。但部分设备因受到高海拔影响，性能不稳定，如微波辐射计在青藏高原上观测效果不理想。表 3给出了各个观测设备观测的物理量，时空分辨率、数据量和主要过程。

2014年7月5日—8月4日云雷达获取到了连续变化的云垂直结构数据，本研究首先利用这一时段的云雷达探测数据，分析统计云底、云厚、云层数和云垂直分布的日变化。首先对云雷达探测数据进行质量控制，剔除干扰回波和噪声，然后利用云分块方法对云进行分块，把云雷达测量的上下边界分别作为云顶和云底，分别计算平均的云顶、云底高度、云厚和云层数等参量，对7月5日—8月4日云顶和云底高度进行了统计分析给出日变化结果(图 2)，图中给出的高度以及后面提到的高度均为距地面的高度。从图中可以看出：高原的云顶大致分为6 km以上的云(高云)和4 km以下的云(中低云)，5 km左右的云的数量比较少；6 km高度以上的云顶高有明显的日变化，在16 —20时(北京时，下同)到达最高，08—12时达到最低，而中低云的云顶高度则没有明显的变化。通过进一步分析发现，高云中，深对流云及其消散后产生的高层云和高积云占了一定的比例，中低云中有部分正在发展的积云和层积云。

图 2 2014年7月5日—8月4日云底和云顶高度的日变化Fig. 2 Averaged daily variations of the cloud base and top between July 5 to August 4, 2014

图选项

为了进一步分析不同高度上云的情况，用云雷达数据分析不同高度上云发生的频次，某一高度上的云发生频次定义为该时段该高度层内有云的廓线数与总的雷达廓线数之比。值得注意的是：这种云发生频次的定义与雷达探测的最小回波强度有关，同等情况下，高度越高，观测的云发生频次就越低，因为雷达探测的最小回波强度随高度增大。图 3给出了时间间隔60 min，高度间隔为1 km的不同高度云发生频次的日变化。青藏高原云主要分布在10 km高度以下，10 km以上云频率小于10%；云的分布有明显的分层现象，5 km高度层的云比较少，2—4和6—9 km高度为主要的云分布高度。午后5 km高度以上的云迅速发展，特别是18时—次日04时，6—9 km高度层的云发生的频率非常高，超过50%。在6—9 km高度上，部分是深对流云，部分是深对流云消散后产生的高层云和高积云。

图 3 2014年7月5日—8月4日不同高度上云发生频次的日变化Fig. 3 Daily variation of the cloud frequency for the different altitudes between 5 July and 4 August 2014

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云雷达探测的云厚定义为云顶和云底高度的差，把同一时段的云厚按照1 km间隔进行分类统计，并考虑多层云的情况，给出了不同云厚所占比例的日变化(图 4)。从图中可以看出，超过5 km厚度的云的发生频率小于15%，最大的频次集中在2 km以下，这种浅薄的云的日变化不明显。超过5 km厚度的云的日变化非常明显，12时后云层急剧增厚，14时前后达到最大，以后持续，到上午云厚开始减小，10时前后超过5 km 厚度的云最少。

图 4 2014年7月5日—8月4日云厚度的日变化Fig. 4 Averaged daily variations of the cloud thickness between 5 July and 4 August 2014

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云雷达探测的云量定义为有云的廓线数与总的雷达观测的廓线数的比值，某一时刻观测的云可能是一层云，也可能是多层云，某层云数发生频次定义为发生该层云的廓线数与有云的总廓线数的比值，按照60 min的时间间隔进行统计，得到云总量、单层云、二层云、三层云和多于四层云(含四层)相对发生的频次的日变化(图 5)，夏季高原云总量总大于60%，而且有明显的日变化，12时(当地时间约10时30分)云总量最小，随着地表辐射加热的增强，云量迅速增大，到23时云量达到最高值0.9，在总云量中，单层云基本占了总量的50%，而且有明显的日变化，两层及以上云的发生频次占的比例越来越小。汪会等(2011)利用Cloudsat数据分析的青藏高原整体的7月的总云量为80%，单层云发生频次为55%，这个结果与本研究结果基本一致。4 不同类型云的特征初步分析

图 5 总云量和不同云层(单层云、两层云、三层云和四层及以上云)发生频次的日变化Fig. 5 Daily variations of the occurrence frequencies of the total cloud and single-layer, double-layer, triple-layer and four and more layer clouds, respectively

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在国际卫星云气候项目中，利用云顶气压和云光学厚度等数据将云分为积云(Cu)、 层积云(Sc)、 层云(St)、高积云(Ac)、高层云(As)、雨层云(Ns)、卷云(Ci)、卷层云(Cs)和深对流云(Dc)(Rossow et al，1999)。为了更好地理解青藏高原云的宏观特征及其与其他地区云的差异，在初步分析了云的统计特征的基础上，根据云统计分析的结果，选择不同时段和不同类型云，进一步分析那曲地区几种典型云的回波强度、空气上升速度和粒子相态等垂直结构特征。

图 6为7月15日13时15分—14时28分初生的积云(Cu)的回波强度、径向速度(向上为正值)、速度谱宽和退偏振因子L_DR的时间-高度剖面。从图中可以看出，积云高度约为3 km，厚度2 km，为图 2中所示的中低云。云团经过雷达站的时间很短，说明其水平尺度非常小；从径向速度(图 6b)看，回波强度为-30 dBz左右的两个云团没有形成降水，雷达探测的径向速度基本为上升，上升速度超过5 m/s，说明在云的发展阶段。从上面云的统计结果可以看出，14时正好是对流发展迅速的时段，云高、云厚等增长非常快。而另外两块回波强度在-15 dBz左右的云团径向速度为负值，说明已经形成了降水粒子。

图 6 2014年7月15日13时15分—14时28分云雷达观测的Cu云回波特征 (a.反射率因子，b.径向速度，c.径向速度谱宽，d.为退偏振比)Fig. 6 Time-height cross sections of the (a) reflectivity, (b) velocity, (c) spectrum width and (d) linear deplolarization ratio (LDR) for Cu case observed during 13:15-14:28 BT 15 July 2014

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图 7为发生在凌晨的高积云(Ac)、积云(Cu)和发展比较旺盛的深对流云共存的个例。深对流云顶发展到12 km，最大回波强度达到15 dBz(因衰减，实际的云的回波强度要高于该值)，云的中上部存在明显的上升气流，在1.5 km高度处，存在明显的0℃层亮带(L_DR突增，回波强度和径向速度也突然变化)。高积云的云底高度达到了6 km，云顶超过10 km，同时，在2.5 km高度上还有一层正在发展的积云，云厚小于1 km，积云的高度高于0℃层，说明是以冰云为主。这两种云分属图 2中的高云和中低云。3和8 km高度处深对流云主体较大的L_DR可能预示有混合相态存在。

图 7 同图6，但为2014年7月18日02时22分—04时49分云雷达观测的Ac、Cu和深对流云回波特征Fig. 7 As in Fig.6 but for Ac, Cu and deep convective case during 02:22-04:49 BT 18 July 2014

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高原的对流发展得很高，但强度不大，高积云与深对流云共存的个例很多，高积云的高度与深对流云的云顶比较一致，有可能是深对流云发展后期消散后产生的。另外，从后面的个例也可以看到，即使在很明显的对流过程中，0℃层亮带现象也非常明显，这与其他低海拔地区的现象有很大差别。原因可能是由于0℃层离地面近，在这一层的上升气流不强。

图 8为上午对流发展比较弱的时段的高层云(As)和层云(St)同时存在的个例。高层云的云底和云顶的高度分别为6和11 km，回波强度为-15 dBz左右，层云的云底在2.5 km左右，水平均匀且非常薄，回波强度在-35 dBz，同时存在一定的上升速度。这一时段为对流最弱的时段，大气层结比较稳定，但层云还是有一定的上升速度。

图 8 同图6，但为2014年7月12日05时46分—07时云雷达观测的As和Sc云回波特征Fig. 8 As in Fig.6 but for As and Sc case during 05:46-07:00 BT 12 July 2014

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图 9给出了上午雨层云(Ns)的时间-高度剖面。云顶在水平上比较均匀，高度达到8 km，回波强度达到10 dBz，回波强度有一定的水平和时间上的起伏变化，在73 min时间内有两个比较强的云团经过云雷达。0℃层亮带非常明显，冰相粒子融合后回波强度增加了15 dBz，径向速度变化了6 m/s，如果忽略上升速度在0℃层附近的变化，液态降水粒子和固态降水粒子的下落速度达6 m/s。从径向速度图上看，在3 km高度上有正的径向速度(3 m/s)存在，说明这一层有明显的上升气流。这一上升气流区与图 6、7中的积云，图 8中初生层云的高度比较一致。

图 9 同图6，但为2014年7月6日08时06分—09时19分云雷达观测的Ns云回波特征Fig. 9 As in Fig.6 but for Ns case during 08:06-09:19 BT 6 July 2014

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与雨层云对比，图 10给出了深对流云的个例，该对流云的强回波区经过那曲本站的时间约为30 min，回波高度达到了16.5 km，从径向速度看，上升气流主要存在于3 km高度以上，径向速度最大值达到6 m/s，如果扣除降水粒子本身的下落速度，空气上升速度更大。18时05分，2—4 km高度范围内的弱回波区有一径向速度的负值区，径向速度达-8 m/s，从回波的弯曲形状看，这里是入流区，空气从高空进入云中下沉。这一现象说明在强对流区同时存在上升气流和下沉气流。从L_DR看，在对流上升区存在L_DR＞-24 dB的大值区和L_DR＜-28 dB的低值区，这样可以推测深对流云中存在混合相态和过冷水。与图 7中的对流云一样，即使在这样强的对流条件下，0℃层亮带现象也非常清晰，从径向速度和0℃层亮带现象综合判断，这一层的上升气流不明显。

图 10 同图6，但为2014年7月5日17时26分—18时39分深对流云个例Fig. 10 As in Fig.6 but for deep convective case during 17:26-18:39 BT 5 July 2014

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2014年7月1日—8月31日，第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测，使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达多种波长雷达观测设备，并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备，获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据；利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对，进行双多普勒雷达观测，获取高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据特征。文中利用云雷达探测数据分析了西藏那曲地区夏季云的统计特征，并分析了不同类型云的一些宏观特征，结论如下：

(1) 2014年夏季的外场试验成功获取到了青藏高原地基多种雷达的云探测数据，特别是云垂直结构观测数据，为今后云和降水的研究提供了基础。

(2) 那曲地区夏季云主要集中在6 km以上和4 km以下，5 km高度上云发生频次最低；总云量，云垂直分布，高云的云顶、云量和云厚等云参数有明显的日变化，10时为云发展最弱的时段，午后强烈的加热促进了对流的发展；而中低云的云顶没有明显的日变化。18时—次日04时云在6—9 km高度上发生频次最高。

(3) 初生的积云和层云常常出现在3 km高度上，这样的高度上常常存在明显的上升气流。多种类型云、不同高度云常常共存，高积云和高层云可能与深对流云的消亡过程有关。

(4) 深对流云个例分析表明：对流系统中同时存在上升气流和下沉气流，对流云中可能存在过冷水和混合相态水成物。

本次外场试验数据为今后深入开展多种遥感数据反演云和降水微物理特征参数方法研究，青藏高原云和降水机理研究，青藏高原云和降水过程参数化方案研究及其卫星反演结果的订正等提供了基础数据。

致谢：感谢西藏自治区气象局、西藏那曲气象局、航天科工集团第23所、安徽四创电子股份有限公司等单位为本次外场试验做出的贡献；感谢赵平研究员和高文华博士对本文提出的宝贵意见。