东北冷涡是我国东北地区夏季主要天气系统之一，常伴有强对流事件发生，并能带来大范围的持续性降水。陶诗言^[1]指出东北低压或冷涡型是我国主要暴雨的大形势特点之一，它常给东北地区、华北北部造成暴雨或雷阵雨。赵思雄等^[2]研究了影响我国的不同低涡过程，指出当东北冷涡与北上的热带系统 (如北移台风倒槽、台风外围东风带) 相结合时，就会激发出极强的暴雨过程。王东海等^[3]系统概括并回顾了几类影响东北暴雨的天气系统，归纳出东北暴雨一些亟待解决的问题，包括东北暴雨的水汽源地、造成暴雨的气候因子与东北冷涡内部结构特征及发生、发展、演变的机理等问题。

近年来，一些学者对冷涡系统的环流特征及动力热力学结构进行了分析，包括冷涡个例的数值模拟与诊断分析等^[4-9]。Kei^[10]指出，在冷涡近地层的锋前有上升运动，对流云的潜热释放对冷中心的减弱起重要作用。齐彦斌等^[11]利用飞机穿云观测资料对一次东北冷涡对流云带的宏、微观物理结构进行了探测，结果表明：该次冷涡云带具有带状水平回波结构，垂直尺度小，云过冷液态水含量丰富，最大可达3.3 g·m^-3，对流云带的上部存在冰粒子高浓度区，出现在5 km高度左右。然而，类似研究仅限于一次过程的特定时刻观测，不仅飞行成本高，且可用观测资料有限，不能系统地对整个冷涡过程对流云带结构进行分析。

综上所述，前人多在借助常规资料对冷涡系统的环流特征、成因进行分析，而借助卫星、雷达等非常规资料来分析冷涡系统和冷涡背景下中小尺度对流系统的研究较少，限制了对冷涡系统结构特征尤其是冷涡背景下中小尺度对流云的三维结构特征的认识。刘健等^[12]、方宗义等^[13]研究表明，利用卫星可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料，从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析，可以很好地体现降雨云团的垂直结构，说明卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征，具有很好的指示作用。本文利用美国NASA 2006年4月发射的CloudSat卫星资料，结合NCEP再分析资料、可见光云图等资料对2006年20—24日发生在我国东北上空的一次冷涡不同阶段的中小尺度对流系统结构，包括冷涡对流云带的演变特征等进行了分析，从而提高对冷涡系统，特别是冷涡不同阶段云带的垂直结构以及云内分层结构, 包括不同相态的垂直分布结构特征的认识。

CloudSat卫星由美国NASA研制，于2006年4月18日发射，承担地球科学系统探路者 (ESSP) 任务，作为A-train卫星的一部分，其轨迹近似遵循于Aqua，PAROSOL和Aura卫星^[14]，沿着轨道和穿过轨道的分辨率分别为2.5 km和1.4 km，垂直分辨率为240 m，垂直探测高度大约为30 km，CloudSat卫星搭载的遥感探测器是近似3 mm波段的云剖面雷达CPR (Cloud Profile Radar)，频率为94 GHz，该雷达波长较短 (相对于地基多普勒天气雷达10 cm波段)，探测灵敏度较强 (-30~50 dBZ)，使得该云剖面雷达能观测到大范围云厚及云类型等。资料为沿轨道0.16 s平均，并且通过质量控制。

CloudSat卫星主要提供两类数据，标准数据和辅助数据 (如表 1所示)。标准数据按反演程度分为两个等级，初级产品是通过卫星搭载的云雷达直接得到的数据产品，二级产品结合初级产品其他卫星产品反演得到的云参数资料，包括雷达后向散射剖面、云的几何剖面、云分类、云水含量、云光学路径、云光学厚度、长短波辐射通量及本文用到的云液态水含量及冰水含量资料。

表 1

表 1 CloudSat卫星数据产品代码及相应产品名称 Table 1 CloudSat data code and its relevant product 产品编码 产品名称 1B-CPR, 1B-CPR-FL 雷达散射剖面 2B-GEOPROF 云的几何剖面 2B-CLDCLASS 云的分类 2B-CWC-RO 组合 (液态、固态) 水含量 (单雷达) 2B-CWC-RVOD 组合水含量和可见光光学厚度 2B-TAU 云光学厚度 2B-FLXHR 通量和加热率 2B-CLDCLASS-LIDAR 激光雷达云几何剖面

表 1 CloudSat卫星数据产品代码及相应产品名称 Table 1 CloudSat data code and its relevant product

冰水含量采用校正尺度分布进行反演^[15]，液态水含量采用对数正态云滴谱分布进行反演：

(1)

式 (1) 中，N_C为云微滴数密度，r为云微滴粒子半径，r_g，σ，σ_g分别定义为

(2)

式 (2) 中，r_g为云微滴粒子几何平均半径，σ_g为几何标准偏差，横线代表算术平均。液态水含量 (C_LW) 和粒子有效半径定义为

(3)

(4)

其中，ρ_ω为水的密度。

冰水含量采用校正γ尺度分布进行反演：

(5)

式 (5) 中，N_I为冰粒子数浓度，D为粒子直径，D_n为特征直径，υ是宽度参数。冰水含量 (C_IW) 和粒子有效半径 (r_ie) 定义为

(6)

(7)

式 (6) 中，ρ_i为冰密度；对含有毛毛雨和降水或薄冰的云体，因云粒子微滴太小，不能以瑞利散射形式被CloudSat雷达所模拟出来，类似云体CloudSat有不同的反演方法，在此本文不作说明。

本文还利用到FY-2C卫星可见光云图资料、NCEP每6 h再分析资料、欧洲中期预报中心 (ECMWF) 全球分析资料，分辨率为0.5°，包括温度、水汽、位势高度等数据，该数据为时间与空间插值匹配到CloudSat每条轨道上。更多CloudSat数据产品的算法、资料说明及下载请登录网站CloudSat.cira.colostate.edu查询。

2006年7月20—24日，受冷涡天气系统影响，我国东北地区普降大到暴雨，过程降水分布表现为经向带状分布^[16]。根据冷涡的定义^[17]，将500 hPa位势高度场的演变趋势作为划分冷涡不同阶段的依据，即500 hPa低位势高度中心有减弱趋势，定义为冷涡发展增强阶段；反之为冷涡消亡减弱阶段；若500 hPa低位势高度中心较前后时刻增强、减弱趋势不明显，则认为是冷涡成熟维持阶段。在此，将冷涡发展阶段划分为两阶段，一个是冷涡发展阶段初期，另一个是冷涡发展至成熟阶段，即由发展到成熟的过渡阶段。

冷涡发展前期为局地性的降水；冷涡发展阶段的初期 (2006年7月20日00：00—21日00：00，世界时，下同)，在内蒙古东北部阿尔山附近500 hPa为一低压中心 (图 1a)，低压西南区存在冷区；950 hPa分析场上为一地面气旋发展 (图 1b)。CloudSat扫过低压中心偏东部暖区，在FY-2C可见光云图上 (图 2)，对流云主要分布在气旋前部的暖区内，气旋后部有强冷空气南下，结合地面资料分析发现，气旋东南部有一冷锋发展东移，CloudSat扫过气旋前部暖锋区对流云区。

图 1

图 1. 2006年7月20日06:00位势高度场 (实线，单位：gpm)、位温场 (灰色) 及水平风场 (矢量) (长虚线为CloudSat轨道1206 03：50扫过的轨迹) (a) 500 hPa，(b) 950 hPa Fig 1. 500 hPa (a) and 950 hPa (b) geopotential height (solid line, unit: gpm), potential temperature (grey) and wind (vector) fields at 06:00 20 July 2006 (the long dashed line represents CloudSat section of granule 1206 at 03:50 20 July 2006)

图 2

图 2. 2006年7月20日04:00 FY-2C可见光云图 (实线为CloudSat扫过的轨道) Fig 2. FY-2C visible light cloud image at 04:00 20 July 2006 (the solid line represents CloudSat granule)

图 3a为2006年7月20日04：53 CloudSat扫过东北地区的雷达反射率因子与假相当位温剖面，可以看到，对流云结构表现为暖锋特征^[18-23]，但不同于传统的暖锋对流云的结构特征：首先不同于传统暖锋单一强盛的对流系统，冷涡发展初期暖锋对流结构体现为孤立的回波系统多，且对流系统更深厚、更强盛，而此类结构的对流系统往往能造成短时强降水，观测资料分析表明：在该区域附近阿尔山站3 h降水达49 mm，而实际预报中往往对此类系统很难作出准确预报，其中一个关键问题是对冷涡背景场下对流系统的结构特征了解不够；其次强对流深厚，反射率因子大于10 dBZ的高度达10 km，为深厚、强的回波亮带，对流系统体现为孤立、深厚的特征。

图 3

图 3. 2006年7月20日04：53 CloudSat轨道1206扫过轨迹 (a) 雷达反射率因子 (灰色) 和假相当位温 (等值线，单位：K) 剖面，(b) 冰水含量 (灰色) 和液态水含量 (黑色区域，不低于100 mg·m-3) 与温度 (等值线，单位：℃) 剖面 Fig 3. CloudSat of granule 1206 cloud profiling at 04:53 20 July 2006 (a) radar reflectivity (grey) and equivalent potential temperature (contour, unit: K), (b) ice water content (grey), liquid water content (black area, no less than 100 mg·m-3) and temperature (contour, unit:℃)

除了以上特征，CloudSat还提供了云内的冰水含量和液态水含量等数据，这不仅有利于更加清晰地了解冷涡系统下云内结构特征，而且大大丰富了对传统锋面的认识。图 3b为同时刻扫过的冰水含量和液态水含量剖面图，可以看出，冷涡发展阶段初期冷涡东部暖锋内对流云主要为冰水含量，对应于强的回波带，其最大冰水含量超过800 mg·m^-3；液态水含量主要分布在冷涡的东南部。综上所述，冷涡发展阶段初期，暖区对流云结构为强盛孤立的系统，对流云主要是冰水含量，对应于强的地面降水，液态水含量主要分布在冷涡的东南部。

冷涡发展至成熟阶段，500 hPa上低槽被切断形成低涡，冷空气脱离低槽，主体位于低涡中心及偏西南地区，冷涡还有发展加强的趋势，此阶段为冷涡由发展到成熟阶段的过渡期。2006年7月22日06：00，冷涡主体位于在内蒙古东北部、黑龙江中西部地区 (图 4a)；950 hPa上，冷锋追上暖锋，冷暖空气势力相当，形成锢囚 (图 4b)，此时降水主要由锢囚锋造成，地面观测资料分析表明，黑龙江黑河站3 h降水量达44 mm；22日04:00 FY-2C可见光云图上 (图 5)，冷涡后部 (西南部) 存在冷空气侵入形成冷舌，冷涡前部 (偏东部) 为暖空气，锢囚云带明显。由图 4还可以看出，该日轨道沿着地面锢囚锋，穿过涡前暖空气与低涡南部冷空气交汇处。

图 4

图 4. 同图 1，但为2006年7月22日06:00 Fig 4. Same as in Fig. 1, but at 06:00 22 July 2006

图 5

图 5. 同图 2，但为2006年7月22日04:00 Fig 5. Same as in Fig. 2, but at 04:00 22 July 2006

从轨道扫过的雷达反射率因子与假相当位温剖面图可以看出 (图 6a)，回波强度比冷涡发展初期的对流系统有所减弱，且为浅薄的对流系统。沿着锢囚锋，其西北部呈现传统锢囚锋回波结构^[24-25]，整个对流系统回波区随高度向北倾斜，回波主体南部存在强冷空气作用使得对流系统锢囚。但冷涡系统下发展的锢囚锋不同于传统的锢囚锋结构，沿锢囚锋，其东南部存在一闭合的假相当位温低值区，距地面4 km最低值达312 K，说明锢囚锋尾部存在干冷空气的侵入；在闭合假相当位温低值区外沿存在弱的回波区，由2006年7月22日04:00 FY-2C可见光云图 (图 5) 可知，云图上锢囚锋表现为西北—东南方向的云带，而雷达回波观测分析表明，强的对流系统位于锢囚锋的前部暖区内。整个锢囚锋回波系统顶部呈现独特的结构特征：东南部为干冷空气侵入造成的回波区、中部为锢囚锋主体对流区、西北部为暖锋遇冷锋抬升作用形成的回波区。

图 6

图 6. 同图 3，但为2006年7月22日04：41 (CloudSat轨道1235) Fig 6. Same as in Fig. 3, but for the granule 1235 of CloudSat at 04:41 22 July 2006

结合冰水含量、液态水含量剖面图 (图 6b)，可以看到，冰水含量最大值区对应于强的雷达回波区，最大值在400 mg·m^-3左右，相比冷涡发展阶段初期有明显减弱。在锢囚锋尾部存在冰水含量与液态水含量分层现象，干冷空气侵入层在5 km高度左右，在干冷空气侵入层上部为冰水含量分布的弱回波区，下部为液态水分布的弱回波区。

在冷涡成熟阶段，2006年7月22日18：00低涡中心500 hPa位势高度最低为5490 gpm (图 7a)，低涡系统维持且东移；两个强风速中心分别位于低涡偏北部与偏南部，冷涡后部冷空气侵入不明显，冷中心脱离冷槽，与低涡中心重合。低层950 hPa地面气旋后部为强西北风带 (图 7b)，将后部冷空气卷入气旋，气旋前部暖气流减弱，系统逐渐被冷空气支配，此时对流也明显减弱。CloudSat轨道扫过冷涡中心偏西，由于扫过东北地区为当地凌晨，可见光云图无法对此时系统进行分析，但由红外云图分析可知 (图略)，此时冷涡涡旋云带明显，CloudSat扫过冷涡云带中心偏西地区。

图 7

图 7. 同图 1，但为2006年7月22日18:00 Fig 7. Same as in Fig. 1, but at 18:00 22 July 2006

从沿轨道雷达回波剖面图 (图 8a) 可以看出，冷涡成熟阶段对流系统分布在冷涡外沿，表现为孤立的对流系统多，但此时对流系统强度及厚度均减弱。冷涡中心为假相当位温低值中心，说明冷涡中心多为干冷空气。由冰水含量及液态水含量图 (图 8b) 可以看出，冰水含量多的对流系统主要在涡的北面，而液态水主要分布在冷涡中心零度层以下。温度资料表明，冷涡的冷中心主要出现在8 km以下，8 km高度以上为一暖中心，这与实际观测资料分析结果一致。

图 8

图 8. 同图 3，但为2006年7月22日18：14 (CloudSat轨道1243) Fig 8. Same as in Fig. 3, but for the granule 1243 of CloudSat at 18:14 22 July 2006

利用CloudSat卫星资料提供的雷达反射率因子、冰水含量、液态水含量等资料，分析了2006年7月20—24日我国东北一次冷涡过程的对流云带结构及演变特征，分析对比了冷涡系统不同时期对流云的水平分布、垂直结构、云内部中小尺度结构，得到如下结论：

1) 冷涡发展阶段的初期，CloudSat扫过地面气旋前部暖锋区对流云区。不同于传统暖锋模型的对流系统，暖锋对流结构体现为孤立的深对流回波亮带，对流系统表现为孤立、深厚的特征。冷涡发展阶段初期冷涡东部暖锋内对流云主要为冰水含量，对应于强的回波带，液态水含量主要分布在冷涡的东南部。

2) 冷涡发展至成熟阶段，回波强度比冷涡发展初期的对流系统有所减弱，且为较浅薄的对流系统，整个锢囚锋回波系统顶部呈现独特的结构特征：东南部为干，冷空气侵入造成的回波区，中部为锢囚锋主体对流区, 西北部为暖锋遇冷锋抬升作用形成的回波区。在锢囚锋尾部存在冰水含量与液态水含量分层现象，干冷空气侵入层在5 km左右。

3) 冷涡成熟阶段，CloudSat轨道扫过冷涡中心偏西，冷涡成熟阶段对流系统分布在冷涡外沿，表现为孤立的对流系统多。冷涡中心为假相当位温低值中心，冷涡中心多为干冷空气。冰水含量多的对流系统主要在涡的北面，而液态水主要分布在冷涡中心零度层以下。

总之，利用CloudSat提供的温度、水汽、云和降水等信息，结合实际客观分析资料，使得人们能对不同天气系统的中小尺度结构、特别是垂直结构有更进一步了解。本文利用CloudSat观测结果，不仅增加了以前对传统观测所不能得到锋面的一些特征，而且发现了冷涡背景下不同于传统挪威学派的锋面结构，充实了对冷涡背景下锢囚锋面垂直结构的认识。本文仅为利用CloudSat卫星资料对单一个例的分析结果，是否反映共性特征还需要今后在分析更多的个例基础上进行归纳。