圖1. 層狀云降水中主要冰粒子增長過程

學過高中地理的我們都知道，在對流層內(nèi)，高度每下降100米，氣溫升高約0.6攝氏度。我們抬頭望向天空，遙遠的云端有很多冰粒子，它們從云中脫落并下降一段時間后，周邊大氣溫度逐漸升高至0℃。這時冰雪粒子開始融化，變?yōu)楸旌舷鄳B(tài)，直至完全融化為雨滴。在冰水轉換過程中，如果你拿雷達照射這一區(qū)域，會發(fā)現(xiàn)這里的回波比其他地方都亮，科學家給這種現(xiàn)象起了一個名字叫作零度層亮帶，那么零度層亮帶是怎么形成的呢？我們先來了解一下它吧！

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什么是零度層亮帶

零度層亮帶（Bright Band,BB）是大范圍層狀降水的雷達回波特征之一，它在PPI（高仰角）上表現(xiàn)為一明顯的中強度色標圓環(huán)或圓弧，其強度常達30-40dBZ，較附近的回波要強10-20dBZ（如圖2a、b、c所示）。在RHI（或剖面）上表現(xiàn)為一回波強度明顯大于上下部分的窄條狀回波亮帶（如圖2d所示）。由于天氣雷達早期用熒光屏幕顯示，在零度層的回波會顯得比其上下更加明亮，故稱其為零度層亮帶。

（a）

（c）

（b）

（d）

圖2. 零度層亮帶基本反射率圖像

不過，并非所有降水都能形成亮帶，通常我們只能在層狀降水中看到這種現(xiàn)象。在氣象上，我們通常將降水分為對流降水和層狀降水。對流降水垂直空氣運動速度非?？欤仙龤饬鲿⒃S多冰水粒子帶入到大氣中高層，當這些大粒子下落時，雷達回波會在剖面圖上呈現(xiàn)出高反射率因子垂直柱(如圖3左側回波柱)；相比之下，層狀降水粒子下落速度遠大于上升氣流的速度，當冰粒子下落到零度層附近時，便會發(fā)生融化，并在雷達剖面圖中形成零度層亮帶（5km高度附近，如圖3右側均勻分布回波）。因此，零度層亮帶是層狀云降水回波的主要特征。

圖3. 對流降水與層狀降水雷達回波剖面

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亮帶成因及意義

那么，亮帶形成的主要原因有哪些呢，或者說，為什么在零度層附近，雷達回波會突然增強？為了回答這一問題，就不得不搬出雷達氣象方程了。

雷達回波強度由雷達自身參數(shù)和降水區(qū)的大氣狀態(tài)等因素決定，我們通常用雷達氣象方程表示它：

①

，其中Pr為雷達的脈沖峰值功率，R為雷達與探測目標物（云雨雪等）的距離，m為負折射指數(shù)，Z為雷達反射率因子，在瑞利散射條件下：

②

，其中D為粒子直徑，n為粒子的數(shù)密度。

根據(jù)雷達氣象方程，亮帶形成主要有以下5個因素：

（1）融化效應：冰晶、雪花從高空下落到0度層附近，冰融化成水后介電常數(shù)增加，即①式中

項增大，粒子散射能力增強。（水粒子的介電常數(shù)（0.93）是冰粒子的（0.16）5倍）

（2）碰并效應：隨著粒子融化，被水包裹的雪花更黏，它們更容易黏連、勾連在一起，即粒子之間碰并聚合作用增強，粒子直徑變大，由②式可知粒子直徑D增加會導致反射率因子Z增加，即雷達回波增強。

（3）速度效應：當冰晶完全融化后，在表面張力的作用下轉變?yōu)榍蛐斡甑?，所受阻力減小，降落速度也比冰晶、雪花大很多，使得單位體積中降水粒子的數(shù)目n大大減少，由②式可知，反射率因子Z相應減小，亮帶以下回波減弱，從而突出了亮帶。

（4）粒子形狀效應：冰雪粒子在下降過程中并不總是球形，非球形粒子的散射大于球形粒子的散射，因而散射能力增強。

（5）粒子破碎效應：大的雨滴受到的阻力較大，通常不會維持很久，當它們破碎或蒸發(fā)變?yōu)闉樾∮甑螘r，粒子直徑減小，亮帶下方反射率隨之減小，突出了亮帶。

總的來說，在亮帶上半部分，由于融化引起的介電常數(shù)改變及粒子增長效應導致雷達回波強度急劇增大；在亮帶下半部分，冰晶框架瓦解，速度效應使雷達回波強度減小，使得在0℃附近的融化層形成了一條水平延伸的強回波帶：零度層亮帶。

圖4. 雙頻測雨雷達探測的一例降水雨團剖面

在實際氣象應用中，零度層亮帶有哪些意義呢？首先，零度層反映了在層狀云降水中存在明顯的冰水轉換過程，亮帶以上降水以冰晶、雪花（固態(tài)粒子）為主，亮帶以下以雨滴（液態(tài)粒子）為主。通過探測亮帶的有無可以幫助我們更好的區(qū)分對流與層狀降水，并利于進一步討論它們的降水機制差異。其次，亮帶的存在表明層狀云降水中氣流穩(wěn)定，無明顯的對流運動。最后，根據(jù)0℃層亮帶的高度，我們還可以推斷大氣中0℃等溫線的高度。

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不同儀器照射下的零度層亮帶

近年來，隨著氣象儀器的不斷發(fā)展，雙頻雷達和雙偏振雷達可以提供給我們更多的降水粒子信息，在亮帶探測方面這兩種雷達也有著各自的優(yōu)勢。

雙頻測雨雷達，顧名思義，就是可以發(fā)射兩個不同波段電磁波的雷達，不同波段雷達在遇到同一目標物時探測到的信號不同，舉個例子，圖5中藍色實線和紅色實線分別代表Ku和Ka波段雷達探測到的降水回波信號，由于Ku波段較Ka波段波長更長（穿透能力更強），故它在遇到氣象目標物時信號衰減較弱，探測到的雷達回波就更強。利用這種雙波段探測信號差異，即雙頻比DFRm，可以進行亮帶識別。我們可以看到對于層狀降水（圖5左），DFRm廓線（黑色虛線）有著清晰的峰值及上下邊界，指示了亮帶的存在，但對于對流降水（圖5右），DFRm廓線沒有這種特征，說明對流降水并不存在亮帶。

圖5. 雙頻測雨雷達探測的層狀（左）及對流（右）降水反射率因子廓線

與雙頻雷達不同，雙偏振雷達是指能夠同時發(fā)射水平（H）和垂直（V）兩種極化方式電磁波的雷達，這兩種不同極化狀態(tài)的電磁波照射到各種降水粒子上，其后向散射回波可以“告訴”我們粒子的形狀、大小、方向。雙偏振雷達也可以提高對零度層亮帶的識別能力，其三個偏振參量：相關系數(shù)ρHV，差分反射率ZDR以及差分相位移率KDP，都對亮帶敏感，有時雷達回波強度場中亮帶特征并不明顯（圖6a），但ρHV,ZDR及KDP卻能很好指示零度層位置(圖6b、c、d黑色箭頭位置)。

圖6. C波段雙偏振雷達各參量分布圖（a:反射率因子Z，b: 差分反射率ZDR，c: 相關系數(shù)ρHV，d: 差分相位移率KDP）

以上就是對零度層亮帶的簡單介紹啦，最后還有幾點需要注意：

（1）不同地區(qū)、不同季節(jié)零度層高度不同，因此零度層亮帶高度也會變化（對流層高度都是這樣）

（2）降雪時，由于近地面溫度常低于0℃，粒子不存在冰水轉換過程，故不會出現(xiàn)零度層亮帶。

（3）由于冰晶和雪花在大于0℃時才開始融化，所以零度層亮帶通常出現(xiàn)在0℃以下區(qū)域

審核編輯 ：李倩