1、文章编号：1674 2184(2023)01 0008 09基于 GPM 卫星探测的夏季高原涡降水结构特征马冰霞1,冯鑫媛1*,李媛1,余莲2（1.成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室,成都610200；2.中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,成都610072）摘要：利用 GPM 卫星的双频反演产品 DPR_MS 和 ERA5 再分析数据，对 20162020 年夏季青藏高原上空能被 GPM 卫星探测到的 32 例高原涡降水特征进行研究。结果表明：（1）高原涡在高原上降水强度偏小，绝大部分低于 2 mm/h，雨顶高度主要在 69 km。
2、降水类型以深厚弱对流为主（占 59.64%），其次是浅薄降水（占 40.35%），深厚强对流极少。（2）高原西部降水涡绝大多数为深厚弱对流、平均雨顶高度明显高于东部涡，但东、西部涡的平均降水强度没有明显差异。浅薄降水频次呈“东高西低、北高南低”的空间分布特征，深厚弱对流降水则相反。（3）深厚弱对流降水受高原涡强上升运动影响显著，在6.57.5 km 高度有大量有效半径为 1.1 mm 的雨滴粒子堆积，近地面较强降水（7 mm/h）的雨滴破碎过程明显。浅薄降水的反射率因子在各个高度持续增大，其地面降水主要由雨滴粒子碰并形成，地表雨强受雨滴浓度影响明显。关键词：高原涡；GPM 卫星；双频星载雷达
3、DPR；降水垂直结构；粒子谱分布中图分类号：P426.62文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-2184.2023.01.002 引引 言言青藏高原海拔高，面积广阔，下垫面和地形复杂，被称为世界第三极。高原的热力作用、动力作用对高原以及附近地区的气候和天气变化、能量和水分循环以及大气环流和降水有着重要的影响1。其中高原涡是在高原背景下产生的高原地区低层（500 hPa）天气系统2。根据拉萨会战组定义，在 500 hPa 等压面上，青藏高原上生成的有闭合等高线的低压或三站风向呈气旋性环流的均称为高原涡3，其平均水平尺度为 400500 km，垂直厚度约 23 km4，是夏
4、季影响高原的主要降水系统之一。高原内天气系统的发生、发展和东移都能为下游地区强降水提供一个强烈的信号57。高原涡主要出现在夏季8，主要生成源地分布在西藏双湖、那曲和青海扎仁吾克这一区域，其中中部涡占高原涡总数的 1/2，西和东部涡各约占 1/42。多年以来，对高原涡的结构特征、生成发展原因、东移触发机制以及时空变化的规律都有着大量的研究，并取得了不少成果914。降水在全球水循环和能量交换中起重要作用，对降水的宏微观结构特征、时空演变规律等的研究，有利于更进一步解析降水的形成机制。青藏高原地广人稀，地面站点不足，难以提供空间分布连续的数据，对云降水的观测有限。现有的青藏高原的再分析资料也具有较高
5、的的不确定性15 16。尽管自 2013 年以来，第三次青藏高原大气科学实验应用地面雷达、激光雷达、微波辐射计设备等取得了重大的进展1719，但由于地形复杂，地面观测依旧存在地形遮挡和站点位置稀疏等问题20。相较之下，卫星观测可提供高时空分辨率的降水数据，有着覆盖面积广、各类参数完备等优势，各种资料已应用于青藏高原地区天气、气候及气候变化等多方面研究21。目前，热带降雨测量任务卫星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）以及接任它的全球降水观测卫星（Globe PrecipitationMeasurement，GPM），是在降水结构研究领域运用较广的
6、卫星。TRMM 卫星从 1997 年发射至 2015 年停止运行，其提供的大量数据被广泛应用在暴雨研究、热带气旋观测及区域气候分析等方面。刘鹏等22利用 TRMM卫星数据对我国南方夏季的对流和层云降水气候特征进行分析，发现不同降水类型有明显的地域特征和日变化。仲凌志等23用 TRMM 数据分析十年来川渝地区的降水垂直结构，发现不同类型降水的垂直结构差异明显且有一定区域性和季节特征。而在青藏高原地区，傅云飞等24的研究表明，TRMM 其自带的降水类型方法不适合青藏高原地区，并且将高原降水重 收稿日期：2022 01 11资助项目：国家自然科学基金项目（U2242202，41775147）；国家重
7、点研发计划专项（2018YFC1505702）作者简介：马冰霞，硕士研究生，主要从事中尺度气象学研究。E-mail:通讯作者：冯鑫媛，副教授，主要从事中尺度气象学和大气环境研究。E-mail: 第 43 卷 第 1 期高原山地气象研究Vol.43 No.12023 年 3 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchMar.2023新分为了深厚强对流降水、深厚弱对流降水和浅薄降水共三类。此外，李典等25通过对单次强对流系统研究，发现高原强对流天气与其他地方表现不同，降水强度较小，比平原地区偏弱。此后，GPM 卫星作为 TRMM 卫星的升级，于 2014
8、年 2 月成功发射，并且已有大量研究对其精度进行评估，其搭载的双频降雨雷达（Dual-frequency Precipitation Radar，DPR）的准确性也已得到初步证实2629。利用 GPM 数据对降水结构特征的研究仍在不断开展，也已取得不少有意义的研究成果3032，但是多在中低纬度平原地区，而对高原特殊地形下的降水分析较少，尤其缺乏对于高原涡这一高影响天气系统降水结构的深入认识。针对这一不足，本文基于 GPM 卫星的 5 年夏季观测资料，结合 ERA5 再分析资料，对 20162020 年夏季青藏高原上空被 GPM 观测到的高原涡进行统计，在分析其降水特点的基础上，对高原涡降水分类
9、型进行讨论，进一步研究高原涡降水的宏微观特征，以期为深入认识高原涡及其降水形成和发展机制提供科技支撑。11资料和方法资料和方法研究选用了 20162020 年 68 月 GPM 数据集的二级双频反演产品 DPR_MS。GPM 卫星是一颗非太阳同步卫星，其轨道倾角为 65，轨道周期约为 93 min，每日在 65S65N 约有 16 条轨道。GPM 卫星搭载的DPR 是第一个包含工作频率 13.6 GHz 的 Ku 波段雷达和 35.5 GHz 的 Ka 波段雷达的星载双频雷达。相比TRMM 卫星的单频 PR 雷达，DPR 覆盖面更广，灵敏度更高，可以提供更精确的降水微观结构信息。DPR_MS数
10、据的水平分辨率为 5 km，垂直间隔为 125 m，包括三维的降水强度、降水反射率因子、雨滴粒子谱以及二维的降水回波顶高等多个变量，其回波强度数据均已经过衰减校正。GPM_MS 数据将降水类型分为“对流性降水、层云降水、其它降水”这三种类型。但高国路等33使用GPM 数据分析得出层云降水占比高达 82.11%，与叶笃正34和徐祥德等35的研究结果相悖。虽然 GPM_MS数据有新的方案进行降水类型划分，但是对降水类型依旧根据检测融化层和层云回波亮带的出现与否进行分类，Fu 等36研究发现误判融化层正是 TRMM 卫星误判青藏高原降水类型的根本原因，这也导致了GPM 数据对青藏高原降水类型的区分存
11、在误差33。因此，本文参考傅云飞等37给出的分类标准，将青藏高原降水分为深厚强对流降水、深厚弱对流降水及浅薄降水。其中，雨顶高度7.5 km，且 DPR 测得回波强度中至少有一层超过 39 dBZ 为深厚强对流；雨顶高度7.5 km，但 DPR 测得回波强度均低于 39 dBZ 为深厚弱对流；雨顶高度7.5 km 则为浅薄降水。在统计高原涡时，本文采用的是欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）提供的空间分辨率为 0.250.25的 ERA5 再分析数据，参考 Feng 等38给出的高原涡判定标准，将在高原上初生，500 hPa 位势高度场上有闭合等高线，流场上有气旋性环流，相对涡度场为闭合正涡度
12、系统，水平尺度不小于两个经纬度且持续时间不小于 12 h 的一个气旋性低压环流认定为高原涡。夏季高原涡生成频率高且降水多。因此，本文选取了 GPM 卫星稳定运行后 20162020 年 68 月资料，以此来分析 GPM 卫星观测反映出的高原涡降水特征。20162020 年夏季，GPM 每日扫过青藏高原约 24 次，扫过青藏高原共 1278 次。由于 DPR_MS 数据的轨道宽度仅 120 km，不到青藏高原东西宽度的 1/200，扫描面积有限，加上高原涡是中尺度系统，其水平尺度相对较小，导致地理位置与卫星轨道能够匹配的高原涡个例较为有限，统计显示仅有 32 轨扫过高原涡。这32 轨的高原涡中心
13、位置如图 1 所示：经向上，高原涡主要分布在 3035N，与其活动高频区分布一致2；纬向上，则主要集中在 8690E，即高原涡高频源地双湖那曲一带，此外在 98 E 附近也分布较多。为有效揭示高原涡降水的降水率及雨顶高度的水平结构特征，将轨道数据进行了分辨率为 0.250.25的网格化处理以方便统计，并采用归一化等频率高度图（简称 NCFAD）39 40和降水廓线（简称 VPR）这两种统计方法来分析高原涡的垂直分布，以便更好地揭示高原涡降水反射率因子、降水粒子浓度及半径的垂直结构特征。同时，由于青藏高原地面平均海拔高度在 4 km以上，在统计垂直结构特征时，4 km 以下的数据不纳入统计。40
14、N38363432302826758085909510001125 2250 3375 4500 5625 6750 7875m105E 图 1 20162020 年夏季 GPM 轨道扫过时刻高原涡中心位置空间分布22高原涡降水分布特征高原涡降水分布特征GPM_MS 数据的水平分辨率为 5 km，20162020年夏季青藏高原上空 GPM 探测到的高原涡降水按像素点进行统计，其样本数共 12794 个。所有样本近地表降水强度的概率密度分布如图 2a 所示，高原涡在高原上的整体降水率偏小；样本中包含很多弱降水，第 1 期马冰霞，等：基于 GPM 卫星探测的夏季高原涡降水结构特征90.5 mm/h
15、 的比例为 24.7%，10 mm/h 的比例仅为 0.1%。雨顶高度与云中上升气流和稳定度有关41。高原涡平均雨顶高度为 7.9 km，中位数为 7.8 km。所有样本雨顶高度的概率密度分布如图2b 所示，雨顶高度大多介于69 km，约占 75%，其中雨顶高度7.5 km 的占 43%，12 km 的仅占 0.9%，与不同强度降水所占比例相对应。0.50.40.3概率密度0.20.1002468降水强度(mm/h)101214160.140.120.100.08概率密度0.060.040.02002468云顶高度(km)101214(a)(b)图 2 近地表降水强度（a）和雨顶高度（b）的概
16、率密度分布 为了分析夏季高原涡不同降水类型各自特点以及差异，表 1 将所有样本按类型进行统计，结果表明：深厚强对流样本数很少，仅占 0.01%；深厚弱对流最多，约有 60%；浅薄降水约占 40%。表 1 还展示了高原涡各类型的降水占比与平均地表雨强。深厚弱对流降水在总降水量中占比最高，约为 69%，其平均地表雨强约为 1.2 mm/h；浅薄降水次之，约占 31%，平均地表雨强约为 0.8 mm/h；深厚强对流降水占比最低，但平均地表雨强最高，达到 18.72 mm/h。由于深厚强对流样本极少，后文将只对深厚弱对流和浅薄降水进行分析。图 3 将近地表降水强度做概率密度分布统计，结果显示：这两种类型降水的近地表降水强度的概率密度分布均为单峰不对称结构，且强度分布较窄；深厚弱对流的概率密度在 0.5 mm/h 达到最大，浅薄降水在 0.4 mm/h 附近达到最大；相对而言，深厚弱对流的概率密度分布更分散且降水强度更大；强度集中在 02 mm/h 的降水分别在深厚弱对流和浅薄降水中占 89%和 96%。表 1 20162020 年 68 月 GPM DPR 探测到高原涡三种降水类型的样本数、样
