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Parsivel雨滴譜儀及其在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用 |
| 來源：科技論文 發(fā)布日期：2009-03-17 16:55:07 |
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濮江平 趙國強(qiáng) 蔡定軍 姚展予 袁冬梅 呂 梅 |
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(解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院,南京211101;河南省氣象局,鄭州450003;
江西省氣象局,南昌330046;中國氣象科學(xué)研究院,北京100081) |
摘 要
降水粒子特性是大氣運動和云內(nèi)微物理過程的綜合結(jié)果,在云降水物理及人工影響天氣領(lǐng)域有著重要的意義。傳統(tǒng)的測量方法不適合對大量數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律,德國OTT公司的Parsivel“激光降水粒子譜測量系統(tǒng)可以較好解決自動測量難題。該儀器是以激光測量為基礎(chǔ)的粒子測量傳感器,采用平行激光束和光電管陣列結(jié)合,當(dāng)有降水粒子穿越采樣空間時,自動記錄遮擋物的寬度,通過穿越時間計算降水粒子的尺度和速度,根據(jù)各種參數(shù)的綜合信息對降水粒子進(jìn)行分類,并能夠以數(shù)字形式顯示瞬時降水強(qiáng)度、降水粒子總數(shù)、累積降水量、降水時的能見度和雷達(dá)反射因子,以圖形方式顯示降水粒子尺度譜、速度譜、降水粒子分類且自動生成天氣現(xiàn)象代碼,實現(xiàn)天氣現(xiàn)象的自動識別。
激光降水粒子譜儀主要用于氣象水文觀測。在雷達(dá)氣象學(xué)領(lǐng)域可用于Z /R關(guān)系的擬合修正,比傳統(tǒng)的用雨量筒觀測數(shù)據(jù)擬合效果好得多;由降水粒子譜儀測量雨滴的降落速度,可以對天氣雷達(dá)垂直向上測量的粒子徑向速度譜進(jìn)行校正。
人工影響天氣的效果檢驗一直是一個難題,自然降水粒子譜分布形式與人工催化以后的降水粒子譜型理論上應(yīng)當(dāng)具有較大的差別,人工增雨作業(yè)降水滴譜變化物理響應(yīng)和降水強(qiáng)度時間變化響應(yīng)都有明顯的區(qū)別。如果能夠?qū)崟r檢測到這些差別,就能夠充分說明人工催化的有效性。未來如果能夠進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)觀測記錄區(qū)域性降水、降雹,就有充分證據(jù)表明人影作業(yè)的有效性,在定量化作業(yè)效果評估以及災(zāi)害損失評估等方面應(yīng)用潛力巨大。
利用該儀器已經(jīng)對一年的自然降水過程進(jìn)行了連續(xù)觀測,并將所獲得的降水粒子譜、雨滴濃度值隨時間變化狀況與衛(wèi)星反演的云頂有效粒子半徑時間變化趨勢進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)有較好的一致性。
關(guān)鍵詞: 降水強(qiáng)度;降水量;雷達(dá)反射率;降水粒子測量
中圖分類號: TH765. 6 + 6
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 1673 - 7148 (2007) 02 - 0003 - 06
引 言
降水粒子特性是云內(nèi)動力過程和微物理過程的綜合結(jié)果,在云降水物理研究,特別是人工影響天氣領(lǐng)域有著重要的意義。降水量測量歷史悠久,雨滴譜研究也由來已久。反映降水粒子譜的特性參數(shù), 主要有雨滴的直徑大小、組成分布、降落速度和動能。Marshall and Palmer ( 1948)[ 1 ]提出了降水粒子譜分布, Gunn and Kinzer (1949)[ 2 ]得到了降水粒子速度譜分布。雨滴直徑的大小,決定了降落雨滴的質(zhì)量和速度的大小,從而決定了雨滴所具有動能的大小,所以測量雨滴直徑是首要的。目前常見的測定方法有方格法、快速攝影法、浸入法、面粉球法、濾紙色斑法等。傳統(tǒng)的測量方法工作量大,勞動強(qiáng)度高,無法自動完成測量分類工作,不適合對大量數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律。Knollenberg(1970)[ 3 ]研制了光學(xué)陣列探頭(OAP) ,用于測量單個雨滴粒子尺度,但I(xiàn)ll2 ingsworth and Stevens (1987)[ 4 ]認(rèn)為,用OAP測量速度不夠理想, Baumgardner ( 1993)[ 5 ]和Jameson and Kostinski的一系列文章研究了降水粒子的特性 ( 2000, 2001, 2002)[ 6-8 ]。本文介紹一個測量降水粒子尺度和粒子下落速度的觀測系統(tǒng)???德國OTT 公司的Parsivel激光降水粒子譜測量系統(tǒng)(Laser2 based op tical Disdrometer for simultaneous measure2 ment of Particle Size and Velocity of all liquid and sol2 id p recip itation) ,可以較好解決自動測量難題。
Parsivel降水粒子譜儀是以激光為基礎(chǔ)的新一代光學(xué)粒子測量器及氣象傳感器,可同時測量降水中所有液體和固體粒子的尺度和速度,采用的是直接測量體制,并對降水粒子進(jìn)行分類。它可滿足氣象、水文的傳感探測器需求,并達(dá)到了世界氣象組織和美國國家氣象局相關(guān)技術(shù)規(guī)定的要求。在所有天氣狀況下的降水過程, Parsivel都提供了完整的圖像記錄,并有準(zhǔn)確的降水類型和強(qiáng)度報告,而且在惡劣戶外天氣中仍有很好的表現(xiàn)。它的一體化加熱裝置可以把冰凍天氣對儀器表面的負(fù)面影響降到最低,并可在任何天氣狀況下進(jìn)行作業(yè)。
1 Parsivel激光降水粒子譜儀介紹
1. 1 主要技術(shù)指標(biāo)
Parsivel降水粒子譜儀采用平行激光束為采樣空間,光電管陣列為接受傳感器,當(dāng)有降水粒子(無論固態(tài)還是液態(tài)甚至沙塵)穿越采樣空間時,自動記錄遮擋物的寬度和穿越時間,從而計算降水粒子的尺度和速度。儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1,室外傳感器部分見圖1。
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表1 Parsivel主要技術(shù)指標(biāo) |
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圖1 Parsivel室外傳感器外形 |
1. 2 儀器功能
Parsivel降水粒子譜儀是用以激光測量為基礎(chǔ)的光學(xué)傳感器,通過測量遮擋物的寬度和通過時間來計算降水粒子的尺度和速度。傳感器的發(fā)射部分產(chǎn)生一水平平直的激光束帶,接收傳感器把它轉(zhuǎn)化成電子信號。當(dāng)降水粒子通過光束帶下落時信號將改變,儀器自動記錄被遮擋的觀點傳感器個數(shù)和時間。由Parsivel快速運算記錄每一個降水粒子的尺度和速度,并通過一臺裝有其配套軟件ASDO的電腦對降水粒子譜進(jìn)行分析統(tǒng)計,將結(jié)果以圖表數(shù)據(jù)形式進(jìn)行顯示,進(jìn)而得出累積參數(shù)。同時ASDO還能夠?qū)κ彝鈧鞲衅鬟M(jìn)行實時監(jiān)控,包括激光光束信號強(qiáng)度、環(huán)境溫度、電源狀況、加熱電流甚至鏡頭污染需要維護(hù)等信息。ASDO有兩種顯示模式:在線模式用于采集室外傳感器數(shù)據(jù),離線模式用于歷史數(shù)據(jù)回放。兩者都能夠用二維或三維圖形表示粒子尺度譜與速度譜分布。在在線模式下能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)記錄并傳到電腦上,數(shù)據(jù)采集時間間隔可以人為設(shè)定,最短采樣周期為10 s,最長為2 h,然后保存在數(shù)據(jù)庫中。在離線模式下可以回放歷史數(shù)據(jù)。
ASDO計算統(tǒng)計顯示軟件的界面可同時顯示降水粒子尺度譜、速度譜;同時可顯示降水粒子分類, 可分為無降水、毛毛雨、雨(小雨、雨、大雨) 、冰粒子、冰雹(小冰雹、冰雹、大冰雹) 、雪(小雪、雪、大雪) 、混合型降水等類型,并且自動生成天氣現(xiàn)象代碼、氣候代碼和航空氣象代碼,實現(xiàn)自動識別天氣現(xiàn)象;另外還能夠以數(shù)字形式顯示瞬時降水強(qiáng)度、粒子總數(shù)以及累積降水量,可代替雨量筒和翻斗式雨量計;通過粒子譜可以計算降水時的能見度和雷達(dá)反射因子。
Parsivel降水粒子譜儀主要用于氣象水文觀測。其瞬時降雨強(qiáng)度測量能力有助于早期洪水預(yù)測預(yù)警;其粒子譜測量能力在人工影響天氣效果檢驗方面有著重要的應(yīng)用潛力;其粒子濃度測量能力及計算雷達(dá)反射因子能力在氣象雷達(dá)定標(biāo)和雷達(dá)Z /R 關(guān)系計算方面有著諸多應(yīng)用。這些應(yīng)用還有待于進(jìn)一步開發(fā)。可以預(yù)計,降水粒子譜儀在常規(guī)氣象觀測、航空氣象保障、公路氣象保障、洪水預(yù)測預(yù)警、天氣雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。
1. 3 工作原理
Parsivel降水粒子譜儀的傳感器由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和控制、運算、存儲等電路部分組成。所產(chǎn)生的高穩(wěn)定度水平平行激光束帶和穩(wěn)定的接受光電陣列是傳感器的核心部件。高速運算和數(shù)據(jù)存儲是測量的基礎(chǔ)。高速響應(yīng)光學(xué)接收光電陣列傳感器把遮蔽物圖像轉(zhuǎn)化成電子信號,通過即時測量每一個遮擋物的寬度和通過時間來計算降水粒子的尺度和速度。當(dāng)降水粒子通過光束帶下落時信號將改變,儀器自動記錄被遮擋的觀點傳感器個數(shù)和時間。由Parsivel快速運算記錄每一個降水粒子的尺度和速度 (見圖2) 。
粒子尺度的測量:降水粒子下降過程中經(jīng)過探測儀器的采樣空間時,粒子的直徑a由被遮擋的接收二極管d個數(shù)確定。
粒子速度的測量:粒子的下降速度V 由接收二極管d被遮擋的時間t和粒子直徑a計算確定,即V = f ( d, t) 。假設(shè)粒子尺度均勻非變形, 則有Vt = f ( a) 。
由于計算速度足夠快,系統(tǒng)能夠響應(yīng)所有經(jīng)過的遮蔽物,從而可以統(tǒng)計所有降水粒子顆粒的尺度與速度。但是如果有兩個甚至多個降水粒子同時到達(dá)采樣面時,就會產(chǎn)生重疊誤差,無論是對尺度測量還是對速度的計算,都會產(chǎn)生很大的影響。
2 降水粒子譜分析
2. 1 譜的定義
在云降水物理學(xué)和大氣氣溶膠研究領(lǐng)域,研究對象具有明顯的多分散性。為了全面描述分散系的物理特性,應(yīng)對質(zhì)粒尺度的分布特征進(jìn)行定量描述。通常采用質(zhì)粒濃度隨尺度的分布來定量描述顆粒物的物理特性,這種尺度分布常稱為譜或譜分布。譜分布有兩種形式,即離散分布和連續(xù)分布。實際測量數(shù)據(jù)總是離散的,為了數(shù)學(xué)處理和表述的方便,常轉(zhuǎn)化成連續(xù)性函數(shù)形式。
2. 2 數(shù)據(jù)分析
Parsivel降水粒子譜儀測量的數(shù)據(jù)共有32個尺度測量通道和32個速度測量通道。其中粒子尺度測量32個通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為0. 2～25 mm,粒子速度測量通道數(shù)據(jù)范圍對應(yīng)著0. 2～20 m / s (見表2) 。每一次采樣間隔內(nèi)的粒子譜測量數(shù)據(jù)都有 32 ×32 = 1 024個。以2006年3月份以來的幾次降水資料為例進(jìn)行觀測分析,發(fā)現(xiàn)實際的數(shù)據(jù)中并不能涵蓋所有的1024個通道,常見的只有0. 2～8 mm、 0. 2～14. 4 m / s。
2. 3 Parsivel的觀測個例分析
2006年3月11日降雨過程是一次典型的鋒面過境持續(xù)的降水過程,整個降水過程從3 月11 日 12: 30 一直持續(xù)到3 月12 日01: 30,總降水量為 7. 67 mm,在10 s間隔的采樣時間段內(nèi),最大降水強(qiáng)度為7. 498 mm /h,雨滴濃度最大值0. 1630個?cm- 2?s- 1 (見圖3) 。
從圖3a中分析可見,整個降水過程分為5個峰值過程。其中,中間過程降水強(qiáng)度和雨滴濃度都比較大,而起始和結(jié)束的降水都是強(qiáng)度小濃度較大,后面幾個過程也有類似的現(xiàn)象,尤其是降水結(jié)束前雨滴濃度都比較大,但降水量卻比較小。圖3a中的幾個瞬時降水強(qiáng)度高值區(qū)對應(yīng)著圖3b中累積降水量躍升臺階。這種時間高分辨觀測數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)的雨量筒是無法獲得的。圖中的彩色塊狀圖就是降水粒子譜的分布,其中的擬合彎曲線為Hobbs在美國Cascade計劃中從大量觀測數(shù)據(jù)中分析獲得的降水?dāng)M合曲線。圖3c是整個降水過程雨滴譜隨時間的變化狀況。
2. 4 Parsivel的觀測數(shù)據(jù)的變換
ASDO保存數(shù)據(jù)格式以32 ×32順序排列1024 個數(shù)據(jù)形式,如果需要按照常規(guī)的尺度與濃度柱狀圖關(guān)系排列,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式變換。
先從Parsivel獲得的二維數(shù)據(jù),每個時間對應(yīng)的都有1024個數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)是尺度(mm) ,縱坐標(biāo)是速度(m / s) ,然后把各個尺度分檔對應(yīng)的一列速度數(shù)據(jù)進(jìn)行累加,這樣縱坐標(biāo)就成了質(zhì)粒數(shù)濃度,與橫坐標(biāo)尺度配合就可以初步畫出對應(yīng)的譜分布,利用Excel可做出柱狀譜分布圖(圖4) 。
3 Parsivel的應(yīng)用及其優(yōu)缺點
Parsivel降水粒子譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守,自動記錄,維護(hù)保養(yǎng)方便,并可在任何天氣條件下作業(yè); 降水粒子的尺度和速度二維、三維分布的全面分析, 顯示界面直觀易懂;實現(xiàn)非接觸式測量,對原始場無干擾;工藝上實現(xiàn)防雨滴飛濺干擾測量精度;可靠地識別WMO天氣現(xiàn)象,自動生成電碼;自控電加熱系統(tǒng)能夠適應(yīng)凍雨環(huán)境工作。因此,它在常規(guī)氣象觀測和水文觀測洪水預(yù)警方面被廣泛應(yīng)用,在天氣雷達(dá)探測和人工影響天氣領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。
3. 1 在天氣雷達(dá)探測和雷達(dá)氣象學(xué)領(lǐng)域潛在的應(yīng)用
目前氣象雷達(dá)學(xué)領(lǐng)域常用的Z /R關(guān)系都是用雨量筒觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正(數(shù)據(jù)是每小時的降水量),雷達(dá)反射因子Z定義為單位體積內(nèi)所有粒子直徑D的6次方之和,即
雨強(qiáng)R 定義為單位時間內(nèi)落到單位面積上的降水質(zhì)量,所以雨強(qiáng)與落到單位面積上總的雨滴質(zhì)量 (與雨滴直徑D 的3次方成正比)和雨滴下落速度有關(guān)。可見,反射因子Z和雨強(qiáng)R 都和雨滴直徑有關(guān),則Z /R 關(guān)系可用
表示。雷達(dá)探測時間上的高分辨率與雨量筒的低反應(yīng)效率之間很難比較,而利用Parsivel測得的高時間分辨率降水粒子譜數(shù)據(jù)和瞬時降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以擬合較為準(zhǔn)確的雷達(dá)Z /R 關(guān)系。
Parsivel降水粒子譜儀能夠?qū)嶋H測量雨滴的降落速度,可以對天氣雷達(dá)垂直向上測量的徑向速度譜進(jìn)行校正。雷達(dá)的后向散射功率與降水粒子譜直接相關(guān),而與降水量的相關(guān)性不是唯一的,同樣波長的雷達(dá)探測小球形粒子時,粒子的半徑愈大,后向散射截面愈大。降水量不變而降水粒子譜變化時,雷達(dá)回波功率肯定發(fā)生變化。因此雷達(dá)探測降水量和降水強(qiáng)度急需降水譜資料,這在雷達(dá)校驗定標(biāo)方面作用潛力巨大。
3. 2 人工影響天氣領(lǐng)域潛在的應(yīng)用
人工影響天氣的效果檢驗一直是一個難題,目前主要是統(tǒng)計檢驗和物理檢驗。統(tǒng)計檢驗需要大量試驗樣本,而且隨機(jī)化試驗在我國難以實現(xiàn);物理檢驗?zāi)壳爸饕抢走_(dá)觀測演變狀況和飛機(jī)直接觀測云內(nèi)微物理參數(shù),這些方法不是直接測量定量化困難, 就是成本昂貴。自然降水粒子譜分布形式與人工催化以后的降水粒子譜形式理論上應(yīng)當(dāng)具有較大的差別,人工增雨作業(yè)降水滴譜變化物理響應(yīng)和降水強(qiáng)度時間變化響應(yīng)都有明顯的區(qū)別。如果能夠?qū)崟r檢測到這些差別,就能夠充分說明人工催化的有效性。同時無論是自然降水還是人工催化降水的強(qiáng)度、時間變化能夠被精確記錄,也有益于分析作業(yè)效果。
在人工防雹作業(yè)效果檢驗方面, Parsivel降水粒子譜儀能夠記錄降雹的最大尺度、持續(xù)時間、雹譜形式的變化及降雹能量計算,在人工抑制冰雹作業(yè)中對降雹譜變化、降水與降雹的區(qū)分和時間分布及能量計算,無論是效果檢驗還是雹災(zāi)損失估算都具有很高的利用價值。未來如果能夠進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)觀測記錄區(qū)域性降水、降雹,就有充分證據(jù)表明人影作業(yè)的有效性及其效果評估定量化,應(yīng)用潛力巨大。
3. 3 Parsivel降水粒子譜儀的缺點
任何觀測儀器都有其弱點, Parsivel降水粒子譜儀也同樣有其弱點,主要是采樣空間的確定和采樣周期的選擇。采樣空間受到工藝技術(shù)的限制。采樣寬度受到接受光電陣列的限制(目前是30 mm寬) , 采樣長度受到激光強(qiáng)度(目前是180 mm長)和光電陣列的靈敏度限制。采樣面積太小時,由于小雨雨滴密度很低,采樣缺乏代表性;采樣面積大時,對于儀器的穩(wěn)定性有影響。此外,在大雨時候,雨滴重疊時的測量難題無法解決,樣本數(shù)太大超過計數(shù)器上限將飽和溢出。
采樣周期的選擇應(yīng)當(dāng)與降水類型相匹配,小雨采樣周期應(yīng)當(dāng)長一些,以保證有足夠的樣本數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計;暴雨時應(yīng)當(dāng)選擇較短的采樣周期,以免計數(shù)器飽和產(chǎn)生溢出計算錯誤。根據(jù)已經(jīng)探測到的數(shù)個降水過程分析,強(qiáng)暴雨時選擇10 ～15 s;毛毛雨時選 120～180 s;正常待機(jī)時綜合選擇60 s為宜。
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