青藏高原是世界上面积最大、地形最复杂、海拔最高的高原，其总面积近300万km²，平均海拔在4000 m以上，其独特的大地形特征使得对其上空的大气产生显著的动力和热力作用，造成夏季青藏高原地区对流活动频繁(江吉喜等，1996；陈隆勋等，1999)，降水多为对流性降水(Flohn，1968)。青藏高原对流云系统的发生、发展和东移对当地及下游的灾害天气有重要的影响(Yasunari，et al，2006)。此外，青藏高原对流云也是对流层和平流层的水汽、热量和化学物质交换的重要途径(Fu R，et al，2006)。因此，青藏高原对流云一直是中外学者关注的热点。

对流云通过大气辐射传输和水凝物相变过程对大气环流、能量收支和水循环起十分重要的作用，而对流云的辐射效应和微物理特性与其内部结构密切相关，特别是云内垂直结构(Randall，et al，1989；Wang，et al，1998)。云内垂直结构反映了云体内部热力和动力以及云降水微物理过程，对降水的发生和强度有很大影响(Jakob，et al，1999)。然而，目前缺乏对云垂直结构深入的认识是云的模拟存在较大不确定性的原因之一，因此，要改进云的数值模拟和降水预报，则需要更多的云内垂直结构观测。在青藏高原地区，由于地势原因，地面对云的观测基础比较薄弱，而卫星观测是一种能获取高密度空间资料的有效途径。目前卫星获取云内垂直结构的方式有两种：一种是极轨卫星搭载的观测仪器通过主动遥感方式探测云内垂直结构，如CloudSat(Stephens，et al，2002)、TRMM(Kummerow，et al，1998)，这些卫星观测能给出云的雷达反射率因子和微物理参量的垂直结构信息；另一种方式是极轨卫星上搭载的观测仪器通过被动遥感的方式探测云顶信息。由于极轨卫星高度低，探测资料的空间分辨率较静止卫星高，如搭载在Aqua卫星上的中分辨率成像光谱辐射仪(MODIS；Savtchenko，et al，2004)、NOAA卫星上的高分辨率辐射计的数据产品可以提供高水平分辨率的黑体辐射亮温、云光学厚度和云顶粒子有效半径等云微物理参数信息，对这些观测资料采用一些特定的卫星反演技术和云微物理分析方法，可以得到云内的垂直微物理结构(Yuan，et al, 2010a, 2010b；Rosenfeld，et al, 1998, 2000；戴进等，2011)。

基于CloudSat和TRMM卫星观测资料，很多研究对青藏高原地区云的垂直结构特征进行了统计分析(Luo，et al，2011；王帅辉等，2011；汪会等，2011；Xu，2013；Qie，et al，2014；赵艳风等，2014；傅云飞等，2016；刘建军等，2017)。其中一些研究结果表明青藏高原对流云内垂直结构有其明显的特殊性：对比低地势地区，青藏高原上对流垂直厚度较薄，混合相层也较薄。利用CloudSat/CALIPSO资料，Luo等(2011)研究表明，相比青藏高原南坡和南亚季风区，夏季青藏高原上的深对流更浅薄，镶嵌于更小尺度对流系统中，但是云顶更加密实。基于TRMM观测资料，Xu(2013)指出青藏高原地区深对流降水显著依赖于混合相过程，而其混合相层的垂直厚度相比同纬度的盆地、平原和海洋要薄一些。同样基于TRMM观测资料，Qie等(2014)对比了位于青藏高原、青藏高原南坡、南亚次大陆以及洋面上的强对流系统的结构和强度，发现青藏高原上深对流的对流强度相对较弱，发展高度较低，尺度较小。此外，一些研究利用TRMM观测资料对青藏高原典型对流云内垂直结构进行了个例分析(傅云飞等，2007；李典等，2012)：李典等(2012)利用TRMM观测资料分析了发生在青藏高原地区的一次强对流天气特征，指出青藏高原上的对流云团在垂直方向上受地形和对流层顶影响，呈现被挤压的状态，云水粒子和可降液态水、可降冰均集中在8 km (文中高度均指海拔高度，下同)以下，降水云团的雨顶高度远低于平原地区。不过由于极轨卫星的时间分辨率较低，很难找到同时能被多种极轨卫星观测到的深对流云个例，因此，目前用极轨卫星观测资料对青藏高原对流云内垂直结构的个例研究还仅限于使用一种类型的卫星资料。

基于极轨卫星的被动遥感观测资料，Rosenfeld等(1998)提出可以利用黑体辐射亮温、云顶粒子有效半径等参数来揭示云内垂直微物理结构特征。基于此分析方法，中外开展了云内垂直结构的一些研究：如戴进等(2011)利用NOAA卫星观测资料探讨了青藏高原雷暴弱降水云的微物理特征，指出该类云的主体高度在0℃层以上，以冷云降水为主，云雨粒子增长过程主要是以冰相参与的增长过程；Yuan等(2010b)利用Aqua/MODIS观测资料提出深对流云中混合相过程转化到冰化过程的拐点即为冻结温度的方法。

由于青藏高原对流云垂直结构的地面观测资料缺少，卫星产品的可靠性则有待于地面观测资料的检验。2014年7—8月，第三次青藏高原大气科学试验在那曲地区开展了多种雷达的云和降水结构综合观测，其中垂直指向观测雷达设备，如KA波段毫米波云雷达和C波段调频连续波雷达可以从地面直接探测整个对流云内的垂直结构，这两部雷达的时间和垂直分辨率很高，为青藏高原对流云的垂直结构研究提供了高时、空分辨率的观测数据，目前已经有一些研究利用这些观测资料进行云和降水的分析，揭示了青藏高原夏季云和降水的垂直微物理结构和日变化特征(刘黎平等，2015；常祎等，2016；赵平等，2017)。

为了利用多源卫星观测资料和地面观测资料深入研究青藏高原对流云垂直结构特征，文中选择第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13—16时(北京时，下同)发生在那曲地区的一次深对流云过程，TRMM、CloudSat和Aqua卫星均在13—16时观测到了这次深对流云过程，地面垂直指向雷达(KA波段毫米波云雷达和C波段调频连续波雷达)位于那曲气象站附近地区，也可以完整地观测到这次深对流云过程，因此，这些空基和地基观测设备联合提供了这次深对流云过程完整的云垂直结构观测资料。文中将对这次青藏高原深对流云内垂直结构进行深入分析，并将卫星观测结果与地基雷达观测结果进行对比，从而验证卫星资料的可靠性，进一步揭示青藏高原深对流云内的垂直结构特征，为今后青藏高原深对流云内垂直结构的模式检验提供观测对比依据。

主要使用2014年7月9日的卫星观测资料和地面观测资料，下面将介绍这两种观测资料的详细情况。

卫星观测资料有TRMM、CloudSat、Aqua和MTSAT-1R 4种。TRMM、CloudSat和Aqua均为极轨卫星，在2014年7月9日都只有一次观测轨迹经过那曲附近地区；MTSAT-1R为静止卫星，时间分辨率为30 min。使用的卫星观测资料产品包括：(1)搭载在TRMM上的测雨雷达(PR)和微波成像仪(TMI)探测反演得到的2A25和1B11产品，2A25提供雷达反射率因子的三维分布，PR的工作频率为13.8 GHz，水平分辨率为5 km，垂直分辨率为250 m，探测层数为80层，垂直探测范围0—20 km，1B11是TMI探测结果经过标定后的微波亮温资料，研究中主要使用1B11提供的85 GHz极化订正亮温；(2)搭载在CloudSat卫星上的云廓线雷达(CPR)探测反演得到的2B-GEOPROF、2B-CWC-RO和2B-CLDCLASS产品，CPR的观测频率是94 GHz，垂直分辨率为240 m，探测层数为125层，可探测范围是0—30 km，其中2B-GEOPROF产品给出了CloudSat轨迹剖面的雷达反射率因子垂直分布信息，2B-CWC-RO产品包括液态(冰)水含量、液态(冰)水数浓度和液态(冰)水粒子的有效半径，2B-CLDCLASS产品将云分为8类：卷云(Ci)、高层云(As)、高积云(Ac)、层云(St)、层积云(Sc)、积云(Cu)、雨层云(Ns)和深对流云(DC)；(3)搭载在Aqua卫星上的MODIS传感器探测反演的MYD06_L2产品(Platnick，et al，2015)，本研究中主要使用了11 μm波长的黑体辐射亮温、3.7 μm波长的云光学厚度和云顶粒子有效半径等云微物理参数信息，黑体辐射亮温的水平分辨率为5 km，云光学厚度和云顶粒子有效半径的水平分辨率为1 km；(4)MTSAT-1R主要提供了黑体辐射亮温的观测信息，水平分辨率为4 km。

地面观测资料主要包括以下几种：(1)青藏高原中部地区(30°—34°N，88°—94°E)内的34个地面自动气象站在2014年7月9日的逐时地面降水资料和那曲地面自动气象站逐10 min地面降水资料；(2)那曲探空站2014年7月9日08和20时的探测资料；(3)那曲站C波段多普勒天气雷达探测资料；(4)第三次青藏高原大气科学试验期间放置于那曲地区的KA波段毫米波云雷达、C波段调频连续波雷达和雨滴谱仪观测资料。表 1给出了这些观测设备的位置、观测参数和精度，地面观测设备的位置如图 1所示。

图 1 青藏高原那曲附近地区地面观测设备的地理位置分布 (●：自动气象站，★：KA波段毫米波云雷达，■：C波段多普勒天气雷达，▲：C波段调频连续波雷达，○：探空站，□：雨滴谱仪，灰色阴影是地形高度) Figure 1 Geographical distribution of locations of surface observing facilities nearby Naqu in Tibetan Plateau (●: automatic weather stations, ★: KA band millimeter cloud radar, ■: C-band Doppler weather radar, ▲: C-band frequency-modulated continuous-wave radar, ○: sounding, □: disdrometer; grey shadings represent the topography)

图选项

那曲站C波段多普勒天气雷达的雷达回波资料被插值成水平分辨率为1 km，垂直分辨率为0.5 km的格点资料，覆盖范围为400 km×400 km，垂直方向0.5—20 km。雷达资料的插值是利用美国大气研究中心的REORDER软件(Oye，et al，1995)进行的，采取最近距离权重插值法，插值半径是1°的方位角、2°的仰角和1 km的雷达径向距离。主要利用C波段多普勒天气雷达的格点资料计算组合雷达反射率的水平分布来展示这次深对流云过程的回波演变过程。

基于C波段调频连续波雷达的雷达回波的垂直分布来判定0℃层亮带的存在，分析方法为：对于每一条观测廓线，计算C波段调频连续波雷达上空0.2—2 km高度区间内雷达反射率垂直梯度最大值与最小值，找出其所在高度(H₁，H₂；H₁＜H₂)，然后从H₁(H₂)高度向下(向上)300 m范围内找到最大的曲率所在高度，即为0℃层亮带底高(顶高)高度。为了保证0℃层亮带内有一定强度的回波强度，要求0℃层亮带内回波强度满足均大于-10 dBz，且最大值不低于5 dBz。

参照Rosenfeld等(1998)中的卫星资料分析云微物理垂直结构的方法：在各态历经的假定下，用不同云顶高度的云微物理量(黑体辐射亮温、云顶粒子有效半径)来分析云顶粒子有效半径随高度(以黑体辐射亮温表示)变化的关系曲线，即温度-粒子有效半径图，它将云中微物理过程简化为5个主要过程：凝结增长、碰并增长、雨胚形成、混合相增长和冰化过程，利用Aqua/MODIS反演的云微物理参数(黑体辐射亮温、云光学厚度和云顶粒子有效半径)来得到温度-粒子有效半径图，从而分析青藏高原深对流云微物理垂直结构特征。类似Yuan等(2010b)中的定义方法，深对流像素点定义为MODIS观测到的像素点同时满足黑体辐射亮温＜260 K和云光学厚度＞30。

基于TRMM观测资料，定义深厚强对流和深厚弱对流的方法是参照潘晓等(2015)、傅云飞等(2016)的研究方法，即深厚强对流降水定义为雨顶高度(TRMM/PR探测的第1个超过17 dBz回波值的高度且要求连续3层的回波强度均超过17 dBz)高于7.5 km，且TRMM/PR测得回波信号中至少有一层的强度超过39 dBz，而深厚弱对流降水定义为雨顶高度高于7.5 km，但TRMM/PR测得回波信号中的强度均低于39 dBz。

由于3种卫星是在深对流云发展期间(13—16时)的不同时刻观测到深对流云，因此，很有必要先了解这次深对流云的发展演变过程，从而来判断极轨卫星观测时刻所对应的对流发展阶段。下面将分别从卫星观测的黑体辐射亮温、台站降水和地面雷达回波3个方面来分析那曲附近地区深对流云的演变情况。

图 2给出了MTSAT-1R卫星观测的黑体辐射亮温演变。这次深对流云系统包括两个都是东北—西南向的深对流云，一个位于那曲气象站附近，云体水平结构比较紧密，另一个位于那曲气象站以西100 km左右，云体水平结构比较分散。那曲气象站附近的深对流云13—16时经历了完整的生消演变过程：13时01分为初生的对流单体，然后14时32分发展强盛，15时01分以后云体水平范围继续发展扩大，16时01分深对流云减弱并移出那曲气象站，17时01分云体开始消散；那曲气象站以西的深对流云发展过程要比那曲气象站附近的深对流云晚1—2 h，14时32分—17时01分深对流云均处于发展过程中。

图 2 2014年7月9日13时01分—17时01分MTSAT-1R卫星观测的黑体辐射亮温分布 (a—f中黑色圆点代表那曲气象站的位置，b中长虚线表示14时18分TRMM/PR的观测轨迹，c中实线表示14时52分CloudSat/CPR的观测轨迹) Figure 2 Brightness temperature distributions observed by MTSAT-1R satellite during 13:01-17:01 BT 9 July 2014 (the black dot denotes the location of the automatic weather station at Naqu, the long dashed line in (b) represents the observing trajectory of the TRMM/PR at 14:18 BT, and the solid line in (c) represents the observing trajectory of CloudSat/CPR at 14:52 BT)

图选项

从那曲附近地区地面自动气象站的逐时降水量分布(图 3a—c)可以看出，这次深对流云过程造成的地面降水情况。那曲气象站附近的深对流云13—14时降水量比较小(不足1 mm)，14—15时降水量最大，超过5 mm，15—16时降水量则开始减弱(不超过2 mm)。那曲气象站以西的深对流云则是从15时以后才开始产生降水，15—16时降水量不超过1 mm。因此，那曲气象站附近的深对流云造成的降水量较大，这也与MTSAT-1R卫星观测到的那曲气象站附近的深对流云比较深厚是一致的(图 2)。13—16时，降水中心位于那曲气象站，累积降水量为6 mm。那曲气象站14时00—30分累积降水量最大，而14时30分降水开始减弱，15时30分降水过程结束(图 3d)。

图 3 2014年7月9日13—16时(a—c)那曲附近地区地面自动气象站逐时降水量的分布，(d)那曲地面自动气象站逐10 min降水量变化 Figure 3 (a-c) Distributions of hourly rainfall collected by automatic meteorological stations nearby Naqu, (d) variation of 10 min accumulated rainfall observed at the automatic meteorological station at Naqu during 13:00-16:00 BT 9 July 2014

图选项

由于受那曲C波段天气雷达的观测范围限制，只能观测到那曲气象站附近深对流云的发展演变过程。13时前后，那曲雷达以西30 km处有一条东北—西南向的雨带(图 4a)，包含有3—4个对流单体并在对流单体西侧和西北侧有一个宽阔的层状云降水区，对流单体在雨带自西向东移动过程中增强，13时30分许，则组织成一条长约50 km的东北—西南向对流雨带，中心最强回波超过40 dBz(图 4b)。14时许，对流雨带经过那曲雷达站，对流强度开始减弱，15时以后那曲雷达站附近对流雨带的主体明显减弱，那曲雷达站附近东北部的层状云降水区范围扩大，16时后雨带完全向东移出那曲雷达站。

图 4 2014年7月9日13时02分—16时01分那曲C波段天气雷达的组合反射率分布 (黑色星号为那曲C波段天气雷达的位置，(d)中黑色虚线为TRMM/PR在14时18分的观测轨迹，(e)中黑色实线为CloudSat/CPR在14时52分的观测轨迹) Figure 4 Distributions of radar composite reflectivity detected by the C-band weather radar at Naqu during 13:02-16:01 BT 9 July 2014 (the black asterisk denotes the location of the C-band weather radar; the black dashed line in (d) and the solid line in (e) represent the observing trajectories of TRMM/PR at 14:18 BT and CloudSat/CPR at 14:52 BT, respectively)

图选项

极轨卫星TRMM、CloudSat和Aqua分别在14时18分、14时52分和15时20分观测到那曲周边地区深对流云(图 5)。从MTSAT-1R给出的黑体辐射亮温分布(图 2b)来看，TRMM/PR(图 5a、b)和Aqua/MODIS(图 5e)可以同时观测到那曲气象站和那曲气象站以西的深对流云，CloudSat/CPR只能观测到那曲气象站以西的深对流云(图 2c、5c)。通过前面的黑体辐射亮温、地面降水量和地面雷达回波演变分析可知，TRMM/PR观测到的那曲气象站深对流云处于对流发展成熟阶段(图 2b、3b和4d)，那曲气象站以西的深对流云处于对流发展早期(图 2b)，而Aqua/MODIS观测到的是那曲气象站深对流云处于对流减弱阶段(图 2d、3c和4e、f)，那曲气象站以西的深对流云处于对流发展成熟阶段(图 2d)。通过极轨卫星的观测情况，可以总结出那曲气象站和那曲气象站以西的深对流云有以下总体特征：

图 5 2014年7月9日TRMM/PR、CloudSat/CPR和Aqua/MODIS观测到的深对流云 (a、b.14时18分TRMM/PR观测到近地面降水强度、TRMM/TMI观测到的85 GHz的极化订正温度的水平分布，长虚线为TRMM/PR的观测轨迹，黑点为那曲气象站的位置；c、d.CloudSat/CPR在14时52分观测到的雷达反射率因子、云分类的垂直分布；e、f.Aqua/MODIS 15时20分观测到的黑体辐射亮温、云光学厚度水平分布，长虚线是91.6°E的分界线，黑点为那曲气象站的位置) Figure 5 Observations of deep convective clouds detected by the TRMM/PR, CloudSat/CPR and Aqua/MODIS on 9 July 2014 (a, b. near surface rain rate and 85 GHz polarization corrected temperature detected by the TPMM/PR and TPMM/TMI at 14:18 BT, respectively; the dashed lines represent the observing trajectory of the TRMM/PR; the black dots denote the location of meteorological station at Naqu. c, d. vertical distributions of radar reflectivity and cloud type detected by the CloudSat/CPR at 14:52 BT, respectively; e, f. horizontal distributions of brightness temperature and cloud optical depth detected by the Aqua/MODIS at 15:20 BT, the dashed lines represent the dividing line of 91.6°E, the black dots denote the location of meteorological station at Naqu)

图选项

对于那曲气象站附近的深对流云，在对流发展盛期TRMM观测到一条有组织的长约100 km的东北—西南向雨带，有4个降水中心镶嵌其中，降水中心最大近地面降水强度超过20 mm/h(图 5a)，85 GHz极化订正亮温最低为180—200 K，说明降水云系内大的冰晶粒子多(图 5b)。在对流发展减弱阶段，Aqua/MODIS观测到该深对流云对应着较低的黑体辐射亮温和较大的云光学厚度(黑体辐射亮温＜220 K、云光学厚度＞30，图 5e、f)，表明深对流云云顶温度低、云层较厚，具有深厚的冷云特征。

对于那曲气象站以西100 km的深对流云，在对流发展早期TRMM观测到一条降水强度较弱、组织性较差、长约200 km的东北—西南向的雨带，强降水中心最大近地面降水强度不超过20 mm/h，85 GHz极化订正亮温最低为200—220 K。在深对流云发展阶段，CloudSat/CPR观测到深对流云的回波发展较高(图 5c)，有4个深对流核，均呈直立分布，深对流核高层伴随着卷云、中低层伴随着高积云(图 5d)。在对流发展成熟阶段，Aqua/MODIS也观测到该深对流云具有深厚的冷云特征(图 5e、f)。

TRMM、CloudSat以及地面垂直指向雷达均可清晰探测出这次青藏高原对流云回波垂直结构。图 6给出了TRMM/PR探测到的那曲气象站附近及以西对流雨带的强回波中心垂直剖面，可以看到这两个雨带中对流单体的水平尺度为10—20 km，垂直发展尺度均在15 km以上，说明青藏高原对流云水平尺度较小，垂直发展尺度较高。那曲气象站附近的强对流回波带中的对流单体发展高度为10—15 km，35 dBz回波发展高度为8—11 km，垂直厚度为3—6 km(图 6c、e)，可见由于青藏高原地势较高，对流的垂直厚度比较薄。那曲雷达站以西的对流系统为3—4个比较分散的强对流中心，但对流强度弱于那曲气象站的对流系统，最大回波强度不超过40 dBz，但回波顶高也能超过10 km(图 6b、d)。因此，根据潘晓等(2015)给出的深厚强对流和弱对流的定义，可以确定那曲气象站的对流系统属于深厚强对流，而那曲气象站以西的对流系统属于深厚弱对流。

图 6 2014年7月9日14时18分TRMM/PR观测到的那曲附近地区近地面雷达反射率因子的水平分布(a)和垂直剖面(b—e) Figure 6 Horizontal distribution (a) and vertical cross sections (b-e) of radar reflectivity nearby Naqu detected by the TRMM/PR at 14:18 BT 9 July 2014

图选项

图 7a—c和8a—c分别给出了C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达在2014年7月9日13时30分—16时观测到的那曲气象站附近深对流云的雷达回波、径向速度和速度谱宽垂直时间演变，可见这两种地基垂直雷达设备都完整一致地观测到了这次深对流云过程，只是C波段调频连续波雷达观测到对流云的时间约比云雷达晚10 min，这主要有两方面的原因：一是C波段调频连续波雷达位于云雷达以东5 km左右，深对流云是自西向东先经过云雷达再经过C波段调频连续波雷达，二是C波段调频连续波雷达在识别发展早期云方面的能力不如云雷达。从它们的观测结果可以总结那曲气象站附近深对流云的垂直结构有以下特征：

图 7 C波段调频连续波雷达观测到的2014年7月9日13时30分—16时那曲地区对流云的雷达回波(a，红色条形表示0℃层亮带的时间，黑点表示0℃层亮带的顶高和底高)、径向速度(b)和速度谱宽(c)的时间-高度演变(黑色实线和虚线分别表示那曲探空观测到的0℃和-15℃所在高度)及雨滴谱仪观测到的降水强度(黑线)、最大粒子直径(蓝线)和数浓度(红线)的时间演变(d) Figure 7 Time-height distributions of reflectivity (a, the red bars on the top of the figure illustrate the 0℃ bright bands, and the black dots denote the top and bottom of 0℃ bright bands), radial velocity (b), and velocity spectral width (c) by the C-band frequency modulation continuous wave radar (the black solid and dashed lines respectively represent the levels of the 0℃ and -15℃ isotherm obtained from the in situ sounding data), and time series of precipitation intensity (black line), maximal hydrometer size (blue line), and hydrometer number concentration (red line) by the disdrometer (d) during 13:30-16:00 BT 9 July 2014

图选项

图 8 毫米波云雷达观测到的2014年7月9日13时30分—16时那曲地区对流云的雷达回波(a)、径向速度(b)、速度谱宽(c)和线性退极化比(d)的时间-高度演变 (黑色实线和虚线同图 7) Figure 8 Time-height distributions of reflectivity (a), radial velocity (b), velocity spectral width (c) and linear depolarization ratio (d) by the millimeter band cloud radar during 13:30-16:00 BT 9 July 2014 (the black solid and dashed lines are the same as those in Fig. 7)

图选项

(1) 那曲气象站附近深对流云是一个深厚的对流云系统，云顶和雨顶都在16 km以上：C波段调频连续波雷达观测到15 dBz回波顶高可达16 km左右，这与TRMM观测结果是一致的(图 6c)；云雷达观测到-35 dBz回波顶高可达17 km，与CloudSat观测到那曲气象站以西深对流云的云顶高度基本一致(图 5c)。在13时42分—14时05分，毫米波云雷达观测到云底距地2 km或接地，-30、0和10 dBz的回波顶高分别在16、13和12 km以上，根据Luo等(2011)中用CloudSat资料定义深对流核的方法：云底距离地面不超过3 km且-30、0和10 dBz的回波顶高分别超过12、11和9 km，可以判定该对流云属于深厚对流云。

(2) 该深厚对流云在0℃层以上雷达反射率因子向下是递增的，说明冰相粒子在下落过程中通过凝华和聚合过程增长，而且在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快，从0℃层以上的35—40 dBz增至0℃层以下的45 dBz以上(图 7a)，表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后有强融化过程。14时03—13分C波段调频连续波雷达观测到近地面(距地面1 km)雷达回波超过45 dBz，说明近地面有大的降水粒子，可以用来解释青藏高原试验地面观测记录中在14时许观测到直径为4 mm的霰粒子降落的现象。而且，地面观测资料也是支持这些观测结果的：位于C波段连续波雷达附近的雨滴谱也观测到该时段最大降水粒子直径为5 mm，降水强度最强为25 mm/h(图 7d)，地面雨量站观测到的10 min降水量也是最大(1.4 mm，图 3d)。

(3) 在对流减弱阶段(14时30分之后)有明显的0℃层亮带出现(图 7a、8a)，位于5.5 km左右(距地1 km)，在0℃层以下紧挨着0℃层，亮带厚度为200—400 m(图 7a)。从毫米波云雷达观测到的线性退极化比可知，0℃层亮带内线性退极化比＞-22，说明主要以湿雪和霰粒子为主(图 8d)，0℃层亮带以下线性退极化比＜-26，说明以雨滴为主，下落速度增快(图 8b和8d)。

图 9给出了TRMM/PR和C波段调频连续波雷达在2014年7月9日14时18分19秒所观测到的雷达反射率因子垂直分布的对比，首先，可以看到它们在高层(11—13 km)比较一致，TRMM/PR是从上向下观测，因此TRMM/PR高层的观测比较准确，这也说明C波段调频连续波雷达的高层观测比较可信；其次，在11 km以下C波段调频连续波雷达观测到的回波值要明显低于TRMM/PR，且随高度递减差值递增，最大差值在6 km左右可达7 dBz。TRMM/PR在低层由于衰减或受地面杂波的影响容易有系统偏差，而C波段调频连续波雷达是从下往上观测，在对流层低层观测值相对于TRMM/PR而言是比较准确的，说明TRMM/PR在11 km以下有一定高估。冯锦明等(2001)对比青藏高原地面X波段多普勒雷达与TRMM/PR的回波值的垂直分布，发现TRMM/PR所测强度比X波段多普勒雷达大23 dB左右。这些差别说明TRMM/PR雷达反射率因子在低层的系统偏差需要进一步订正和检验。

图 9 2014年7月9日14时18分19秒在C波段调频连续波雷达所在位置TRMM/PR观测到的雷达反射率因子垂直廓线(虚线)和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子垂直廓线(实线)的对比 Figure 9 Comparison of vertical profiles of radar reflectivity detected by the TRMM/PR at the location of C-band frequency modulation continuous wave radar (dashed line) and that detected by the C-band frequency modulation continuous wave radar (solid line) at 14:18:19 BT 9 July 2014

图选项

图 10给出了CloudSat 2B-CWC-RO产品提供的云微物理参数的垂直分布，可知此次青藏高原深对流云只有很少的液态水存在，主要表现为冰相云，这主要与青藏高原地势较高有关，赵艳风等(2014)也指出青藏高原中部是冰水路径大值区，以冰相云为主。总体来看，这次CloudSat在30°—34°N范围内观测到的4个深对流云核，这些深对流云核在8—16 km高度层内的冰水含量超过210 mg/m³，冰粒子数浓度超过120 L^-1，冰粒子有效半径超过60 μm，说明青藏高原深对流云核内冰水含量很丰富。从垂直分布来看，尽管在8—16 km高度范围内深对流云核内冰水含量都一致地大于210 mg/m³，但是冰粒子数浓度和冰粒子有效半径在10 km上下是有较大差别的：10 km以上(下)冰粒子数浓度基本都超过(低于)280(200) L^-1，冰粒子有效半径小于(大于)120 μm，这说明这些深对流云内10 km以上主要是丰富小冰粒子，而10 km以下是浓度偏低的大冰晶粒子，这与李典等(2012)利用TRMM资料指出青藏高原强对流云可降冰粒子在低层含量较高是一致的。

图 10 2014年7月9日14时52分CloudSat卫星观测到的云微物理参数的垂直分布 (a.液水含量，b.冰水含量，c.液态数浓度，d.冰晶数浓度，e.液态有效半径，f.冰晶有效半径) Figure 10 Vertical distributions of cloud microphysical parameters detected by CloudSat at 14:52 BT 9 July 2014 (a. liquid water content, b. ice water content, c. liquid number concentration, d. ice number concentration, e. liquid effective radius, f. ice effective radius)

图选项

基于Aqua/MODIS观测资料，参照Rosenfeld等(1998)提出的云微物理参数反演方法来对青藏高原深对流云内微物理过程的垂直结构进行分析。选取那曲气象站以西的对流区(30°—34°N，88°—91.6°E)和那曲气象站附近的对流云(30°—34°N，91.6°—94°E)的深对流像素点为研究对象，前者代表青藏高原处于成熟期的深厚弱对流云，后者代表青藏高原处于减弱期的深厚强对流云，分别有15049和10928个样本来进行温度-粒子有效半径曲线分析，得到的温度-粒子有效半径曲线和深对流像素有效样本数的垂直分布如图 11所示。成熟期的深厚弱对流云和减弱期的深厚强对流云的温度-粒子有效半径曲线具有以下共同特征：(1)深对流云中的微物理过程均主要包括混合相增长过程和冰化过程，混合相过程和冰化过程的冻结温度约为-41℃ (那曲气象站以西的深对流云)和-45℃(那曲气象站附近对流云)，这比Rosenfeld等(2000)提出的冻结温度为-37.5℃要低一些，Yuan等(2010b)指出，冻结温度受地理位置和环境条件的影响，因此，青藏高原深对流云冻结温度低可能与其地理位置较高有关；(2)混合相过程中粒子有效半径随高度增长很快，可以分为两种增长过程：一种是在-29℃(那曲气象站以西的深对流云)和-25℃(那曲气象站附近对流云)高度以下，由于过冷水含量较高，主要以凇附增长为主，另一种是该高度以上到冻结温度，由于过冷水含量较低，主要以冰晶聚合、凝华增长为主，该过程粒子有效半径增长较快。

图 11 2014年7月9日15时20分Aqua/MODIS卫星观测到的(a)那曲气象站以西的对流区(30°—34°N，88°—91.6°E)和(c)那曲气象站附近的对流区(30°—34°N，91.6°—94°E)的深对流像素点的温度-粒子有效半径分布(从左往右点线、短虚线、实线、点画线和长虚线分别表示10%、25%、50%、75%和90%的有效样本数下粒子有效半径随温度的变化曲线)，(b)、(d)分别对应(a)、(c)深对流像素点有效样本数随温度的分布 Figure 11 Temperature- Particle effective radius distributions of deep convection pixels (a) to the west of Naqu meteorological station (30°-34°N, 88°-91.6°E) and (c) nearby Naqu meteorological station (30°-34°N, 91.6°-94°E) based on Aqua/MODIS satellite observations at 15:20 BT 9 July 2014 (the dotted line, short dashed line, solid line, dotted dashed line and long dashed line from left to right represent particle effective radius changes with temperature based on 10%, 25%, 50%, 75% and 90% of effective samples, respectively); (b) and (d) correspond to the numbers of samples of effective deep convection pixels in (a) and (c)

图选项

基于TRMM、CloudSat和Aqua/MODIS等多种卫星观测资料和地基垂直指向雷达(C波段调频连续波雷达和KA毫米波云雷达)对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13—16时发生在那曲地区的一次深对流云内垂直结构进行了分析，得到以下结论：

(1) 此次那曲地区的深对流云系统包括两个东北—西南向的深对流云系统，即那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云。

(2) 从TRMM/PR(测雨雷达)和CloudSat观测的雷达回波垂直分布来看，深厚强对流云和深厚弱对流云都是由多个孤立的对流单体组成，对流单体水平尺度为10—20 km，垂直方向发展高度在15 km (高度均指海拔高度)以上，对流单体的垂直厚度约为10 km，说明青藏高原深对流云水平发展尺度较小，垂直发展高度较高。深厚强对流40 dBz回波顶高发展高度可超过8 km，垂直厚度为3 km左右。

(3) 地基垂直指向雷达完整地观测到了深厚强对流云垂直结构的发展演变过程。在对流成熟阶段，深厚强对流云在0℃层以上雷达反射率因子向下是递增的，说明冰相粒子在下落过程中通过凝华和聚合过程增长，而且在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快，表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后有强融化过程。在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现，亮带位于5.5 km左右(距地1 km)，在0℃层以下紧挨着0℃层，亮带厚度为200—400 m。这是通过C波段调频连续波雷达资料首次看到青藏高原云的0℃层亮带结构，而该亮带结构是以往青藏高原观测试验中多普勒天气雷达(Uyeda, et al，2001)、以及TRMM/PR(Fu Y F，et al，2006)无法给出的。

(4) 对比TRMM/PR和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子，发现它们在11—13 km非常一致，而在11 km以下C波段调频连续波雷达观测到的回波值要小于PR雷达，特别是近地层差值可达7 dBz，说明TRMM/PR在低层存在高估现象。这也是TRMM/PR在青藏高原上的观测结构与地面高精度垂直雷达的首次对比，对今后TRMM/PR资料在青藏高原上应用的质量评估有一定参考价值。

(5) CloudSat观测到那曲气象站以西的深对流云主要为冰相云，在云内10 km以上主要是丰富小冰粒子，而10 km以下是较少的大冰晶粒子。

(6) 从Aqua/MODIS反演的温度-粒子有效半径曲线来看，青藏高原深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括：粒子有效半径随高度增长的混合相过程和粒子有效半径随高度减小的冰化过程，其中混合相过程分为两种：一种是-25℃(深厚强对流云)和-29℃(深厚弱对流云)高度以下的以凇附增长为主，另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主，该过程粒子有效半径增长较快。