零度层亮带中的两个融化层：成因及启示
（研究方向：云物理 雷达气象）
1. 层状云降水系统中的主要冰相微物理过程
产生冰晶：大气冰核（一般发生在云顶），冰晶的繁生（二次冰晶过程）
冰晶的增长：凝华（deposition），丛集（aggregation），和凇附（riming）等（详见上一篇文章：凇附增长对冰晶形状和双偏振雷达观测量的影响）
冰晶的融化：水凝物实现从固相到液相的转化
挑战:
目前，数值模式对上述过程的描述都存在较大不确定性。主要原因在对这些微物理过程的认识还非常不充分，缺乏有效的观测数据来增进对这些过程的理解。
2. 研究背景
1）零度层亮带是雷达气象学中最著名的现象之一。该亮带形成的主要原因是水膜包在大的冰晶粒子上，致其介电常数迅速增加，从而使雷达反射率因子升高。与雷达反射率因子升高相伴随的是偏振观测量的变化，例如LDR, Zdr会升高，而RHO_hv会减小。反射率因子和偏振观测量的变化基本上是同步的。融化层是层状云降水的典型标志，且一般情况下只有一层。当融化层之上出现逆温，可能在雷达图（QVP、RHI扫描或垂直观测）上呈现多个亮带及偏振量数据异常区。
2）2018年4月一次层状云降雨过程发生在芬兰Hyytiala野外观测站。如图2所示，在垂直指向的C波段雷达反射率因子产品上，零度层亮带清晰可见。而C和W波段雷达的LDR数据却呈现了两个明显分离的融化层。这种“单亮带双融化层”的现象并不是逆温造成的，且从未被报道过。
3. 研究方法
利用W波段雷达多普勒速度功率谱和LDR谱数据分析了这种“单亮带双融化层”现象的成因。
4. 结果与讨论
1）图2中线A对应的就是“单亮带双融化层”的区域。对应的雷达产品、W波段速度功率谱和LDR谱在图3 (a1 a2和a3)中。从图3（a3）中融化层之上可以看到，0.5 m/s左右的LDR非常高（约-15 dB），这与针状冰晶的散射特性相吻合。类似的观测数据之前被Oue等人报道过。
2）从图3（a3）中可以看到，缓慢下落的针状冰晶在进入融化层后LDR迅速增加。而速度更快的粒子的LDR信号稍微滞后一些。这种LDR信号的不同步形成了“单亮带双融化层”现象。
3）从图3（a2）中可以看出，新产生的针状冰晶大概在-5度左右开始出现。而“老”的冰晶粒子的下落速度在-2 ~ -1.5 m/s，很有可能是经历了一定程度的凇附。这些条件与Hallet和Mossop等提出的冰晶繁生机制“凇附-破碎”（rime-splintering）相吻合。该机制早在上个世纪70年代就在实验室中被证实，也曾被北美、欧洲以及中国地区的飞机实验观测到过，但是对天气和气候的影响仍然存在很多未知。本文报道的这种“单亮带双融化层”现象可被后续研究用来判定“凇附-破碎”机制是否被激发。
4）本工作的第二个应用是判定融化层顶部。虽然之前有大量研究采用探空数据判定融化层顶部，但雷达和探空数据之间时空不匹配的问题难以无法解决。从图3中可以看出，针状冰晶的LDR信号对融化的响应非常快（图3 a1, b1紫色）。这个特性可以被用做判定融化层顶部的“黄金标准”。利用这个黄金标准，我们发现传统的利用雷达反射率因子(C波段)斜率变化判定融化层顶的结果与针状冰晶LDR突变的位置吻合非常好。
5）对比C波段和W波段雷达的LDR数据（图3 b1, c1），W波段LDR的突变位置与利用“黄金标准”判定出来的融化层顶一致性非常好。有趣的是，相比于W波段LDR，C波段LDR似乎被“向下扯”了。这种“错位”跟C和W两个波段的散射特性相关。W波段信号对小粒子更敏感，但是C波段信号对大粒子更敏感。
6）最后一个比较令人意外的发现与融化层底部的位置相关。经典的被广泛应用的融化层判定方法认为当雷达反射率因子减小到和雨一样的位置，融化过程就结束了。但是，对比C波段的LDR信号和反射率因子信号，我们发现用反射率因子判定的融化层底部比用LDR判定的结果高2 ~ 300 m（图3 b1, c1）。即传统的反射率因子方法高估了融化层底部的高度。我们认为，这种对雷达波长和偏振观测量的依赖性可能会在解译真实物理过程时产生biased结果，需要被后续的研究重视。
Tips: 这篇文章从多波段雷达遥感的角度窥见了融化层的复杂性。与融化层的各种复杂有趣的特征相伴随的还有强烈的信号衰减。在毫米波段，这种信号衰减变得非常显著并严重影响地基W/Ka波段雷达对融化层以上的探测。对星载W波段雷达（CloudSat，EarthCARE）和Ka波段雷达（GPM）来说，这种难以估计的融化层衰减也影响了对雨的探测。下一篇文章介绍的工作是：世界上首次用实测数据反演毫米波段的融化层衰减。
本文相关文章“Two Layers of Melting Ice Particles Within a Single Radar Bright Band: Interpretation and Implications”发表于GRL。第一作者李浩然博士（haoran.li@helsinki.fi）毕业于赫尔辛基大学，合作作者为赫尔辛基大学Dmitri Moisseev教授。
原文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL087499
https://www.researchgate.net/publication/344200832_Two_Layers_of_Melting_Ice_Particles_Within_a_Single_Radar_Bright_Band_Interpretation_and_Implications
