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，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，變為冰水混合相態，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域，會發現這里的回波比其他地方都亮，科學家給這種現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）上表現為一明顯的中強度色標圓環或圓弧，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常快，上升氣流會將許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和降水區的大氣狀態等因素決定，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，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為粒子的數密度。

根據雷達氣象方程，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（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為球形雨滴，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，當它們破碎或蒸發變為為小雨滴時，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（固態粒子）為主，亮帶以下以雨滴（液態粒子）為主。通過探測亮帶的有無可以幫助我們更好的區分對流與層狀降水，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定，無明顯的對流運動。最后，根據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勢。

雙頻測雨雷達，顧名思義，就是可以發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、不同季節零度層高度不同，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在0℃以下區域

審核編輯 ：李倩