學(xué)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(yuǎn)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(zhuǎn)換過程中，如果你拿雷達(dá)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(xué)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！
01、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(dá)回波特征之一，它在 PPI（高仰角）上表現(xiàn)為一明顯的中強(qiáng)度色標(biāo)圓環(huán)或圓弧，其強(qiáng)度常達(dá) 30-40dBZ，較附近的回波要強(qiáng) 10-20dBZ（如圖 2a、b、c 所示）。在 RHI（或剖面）上表現(xiàn)為一回波強(qiáng)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(dá)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。
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(yùn)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(dāng)這些大粒子下落時，雷達(dá)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(cè)回波柱)；相比之下，層狀降水粒子下落速度遠(yuǎn)大于上升氣流的速度，當(dāng)冰粒子下落到零度層附近時，便會發(fā)生融化，并在雷達(dá)剖面圖中形成零度層亮帶（5km 高度附近，如圖 3 右側(cè)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。
02、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(dá)回波會突然增強(qiáng)？為了回答這一問題，就不得不搬出雷達(dá)氣象方程了。
雷達(dá)回波強(qiáng)度由雷達(dá)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(dá)氣象方程表示它：
，其中 Pr 為雷達(dá)的脈沖峰值功率，R 為雷達(dá)與探測目標(biāo)物（云雨雪等）的距離，m 為負(fù)折射指數(shù)，Z 為雷達(dá)反射率因子，在瑞利散射條件下：
，其中 D 為粒子直徑，n 為粒子的數(shù)密度。
根據(jù)雷達(dá)氣象方程，亮帶形成主要有以下 5 個因素：
（1）融化效應(yīng)：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(xiàng)增大，粒子散射能力增強(qiáng)。（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(yīng)：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(qiáng)，粒子直徑變大，由②式可知粒子直徑 D 增加會導(dǎo)致反射率因子 Z 增加，即雷達(dá)回波增強(qiáng)。
（3）速度效應(yīng)：當(dāng)冰晶完全融化后，在表面張力的作用下轉(zhuǎn)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(yīng)減小，亮帶以下回波減弱，從而突出了亮帶。
（4）粒子形狀效應(yīng)：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(qiáng)。
（5）粒子破碎效應(yīng)：大的雨滴受到的阻力較大，通常不會維持很久，當(dāng)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(yīng)導(dǎo)致雷達(dá)回波強(qiáng)度急劇增大；在亮帶下半部分，冰晶框架瓦解，速度效應(yīng)使雷達(dá)回波強(qiáng)度減小，使得在 0℃附近的融化層形成了一條水平延伸的強(qiáng)回波帶：零度層亮帶。
在實(shí)際氣象應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)一步討論它們的降水機(jī)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(yùn)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。
03、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(dá)和雙偏振雷達(dá)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(dá)也有著各自的優(yōu)勢。
雙頻測雨雷達(dá)，顧名思義，就是可以發(fā)射兩個不同波段電磁波的雷達(dá)，不同波段雷達(dá)在遇到同一目標(biāo)物時探測到的信號不同，舉個例子，圖 5 中藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別代表 Ku 和 Ka 波段雷達(dá)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(qiáng)），故它在遇到氣象目標(biāo)物時信號衰減較弱，探測到的雷達(dá)回波就更強(qiáng)。利用這種雙波段探測信號差異，即雙頻比 DFRm，可以進(jìn)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。
與雙頻雷達(dá)不同，雙偏振雷達(dá)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(dá)，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(dá)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(guān)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(dá)回波強(qiáng)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)。
以上就是對零度層亮帶的簡單介紹啦，最后還有幾點(diǎn)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(zhuǎn)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
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本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：楊柳
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