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Parsivel雨滴谱仪及其在气象领域的应用 |
| 来源：科技论文 发布日期：2009-03-17 16:55:07 |
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濮江平 赵国强 蔡定军 姚展予 袁冬梅 吕 梅 |
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(解放军理工大学气象学院,南京211101;河南省气象局,郑州450003;
江西省气象局,南昌330046;中国气象科学研究院,北京100081) |
摘 要
降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel“激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别。
激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z /R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。
人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。
利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性。
关键词: 降水强度;降水量;雷达反射率;降水粒子测量
中图分类号: TH765. 6 + 6
文献标识码: A
文章编号: 1673 - 7148 (2007) 02 - 0003 - 06
引 言
降水粒子特性是云内动力过程和微物理过程的综合结果,在云降水物理研究,特别是人工影响天气领域有着重要的意义。降水量测量历史悠久,雨滴谱研究也由来已久。反映降水粒子谱的特性参数, 主要有雨滴的直径大小、组成分布、降落速度和动能。Marshall and Palmer ( 1948)[ 1 ]提出了降水粒子谱分布, Gunn and Kinzer (1949)[ 2 ]得到了降水粒子速度谱分布。雨滴直径的大小,决定了降落雨滴的质量和速度的大小,从而决定了雨滴所具有动能的大小,所以测量雨滴直径是首要的。目前常见的测定方法有方格法、快速摄影法、浸入法、面粉球法、滤纸色斑法等。传统的测量方法工作量大,劳动强度高,无法自动完成测量分类工作,不适合对大量数据分析寻找规律。Knollenberg(1970)[ 3 ]研制了光学阵列探头(OAP) ,用于测量单个雨滴粒子尺度,但Ill2 ingsworth and Stevens (1987)[ 4 ]认为,用OAP测量速度不够理想, 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 ]。本文介绍一个测量降水粒子尺度和粒子下落速度的观测系统???德国OTT 公司的Parsivel激光降水粒子谱测量系统(Laser2 based op tical Disdrometer for simultaneous measure2 ment of Particle Size and Velocity of all liquid and sol2 id p recip itation) ,可以较好解决自动测量难题。
Parsivel降水粒子谱仪是以激光为基础的新一代光学粒子测量器及气象传感器,可同时测量降水中所有液体和固体粒子的尺度和速度,采用的是直接测量体制,并对降水粒子进行分类。它可满足气象、水文的传感探测器需求,并达到了世界气象组织和美国国家气象局相关技术规定的要求。在所有天气状况下的降水过程, Parsivel都提供了完整的图像记录,并有准确的降水类型和强度报告,而且在恶劣户外天气中仍有很好的表现。它的一体化加热装置可以把冰冻天气对仪器表面的负面影响降到最低,并可在任何天气状况下进行作业。
1 Parsivel激光降水粒子谱仪介绍
1. 1 主要技术指标
Parsivel降水粒子谱仪采用平行激光束为采样空间,光电管阵列为接受传感器,当有降水粒子(无论固态还是液态甚至沙尘)穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度和穿越时间,从而计算降水粒子的尺度和速度。仪器的主要技术指标见表1,室外传感器部分见图1。
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表1 Parsivel主要技术指标 |
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图1 Parsivel室外传感器外形 |
1. 2 仪器功能
Parsivel降水粒子谱仪是用以激光测量为基础的光学传感器,通过测量遮挡物的宽度和通过时间来计算降水粒子的尺度和速度。传感器的发射部分产生一水平平直的激光束带,接收传感器把它转化成电子信号。当降水粒子通过光束带下落时信号将改变,仪器自动记录被遮挡的观点传感器个数和时间。由Parsivel快速运算记录每一个降水粒子的尺度和速度,并通过一台装有其配套软件ASDO的电脑对降水粒子谱进行分析统计,将结果以图表数据形式进行显示,进而得出累积参数。同时ASDO还能够对室外传感器进行实时监控,包括激光光束信号强度、环境温度、电源状况、加热电流甚至镜头污染需要维护等信息。ASDO有两种显示模式:在线模式用于采集室外传感器数据,离线模式用于历史数据回放。两者都能够用二维或三维图形表示粒子尺度谱与速度谱分布。在在线模式下能够将传感器数据记录并传到电脑上,数据采集时间间隔可以人为设定,最短采样周期为10 s,最长为2 h,然后保存在数据库中。在离线模式下可以回放历史数据。
ASDO计算统计显示软件的界面可同时显示降水粒子尺度谱、速度谱;同时可显示降水粒子分类, 可分为无降水、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) 、混合型降水等类型,并且自动生成天气现象代码、气候代码和航空气象代码,实现自动识别天气现象;另外还能够以数字形式显示瞬时降水强度、粒子总数以及累积降水量,可代替雨量筒和翻斗式雨量计;通过粒子谱可以计算降水时的能见度和雷达反射因子。
Parsivel降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。其瞬时降雨强度测量能力有助于早期洪水预测预警;其粒子谱测量能力在人工影响天气效果检验方面有着重要的应用潜力;其粒子浓度测量能力及计算雷达反射因子能力在气象雷达定标和雷达Z /R 关系计算方面有着诸多应用。这些应用还有待于进一步开发。可以预计,降水粒子谱仪在常规气象观测、航空气象保障、公路气象保障、洪水预测预警、天气雷达等领域将得到广泛应用。
1. 3 工作原理
Parsivel降水粒子谱仪的传感器由发射机、接收机和控制、运算、存储等电路部分组成。所产生的高稳定度水平平行激光束带和稳定的接受光电阵列是传感器的核心部件。高速运算和数据存储是测量的基础。高速响应光学接收光电阵列传感器把遮蔽物图像转化成电子信号,通过即时测量每一个遮挡物的宽度和通过时间来计算降水粒子的尺度和速度。当降水粒子通过光束带下落时信号将改变,仪器自动记录被遮挡的观点传感器个数和时间。由Parsivel快速运算记录每一个降水粒子的尺度和速度 (见图2) 。
粒子尺度的测量:降水粒子下降过程中经过探测仪器的采样空间时,粒子的直径a由被遮挡的接收二极管d个数确定。
粒子速度的测量:粒子的下降速度V 由接收二极管d被遮挡的时间t和粒子直径a计算确定,即V = f ( d, t) 。假设粒子尺度均匀非变形, 则有Vt = f ( a) 。
由于计算速度足够快,系统能够响应所有经过的遮蔽物,从而可以统计所有降水粒子颗粒的尺度与速度。但是如果有两个甚至多个降水粒子同时到达采样面时,就会产生重叠误差,无论是对尺度测量还是对速度的计算,都会产生很大的影响。
2 降水粒子谱分析
2. 1 谱的定义
在云降水物理学和大气气溶胶研究领域,研究对象具有明显的多分散性。为了全面描述分散系的物理特性,应对质粒尺度的分布特征进行定量描述。通常采用质粒浓度随尺度的分布来定量描述颗粒物的物理特性,这种尺度分布常称为谱或谱分布。谱分布有两种形式,即离散分布和连续分布。实际测量数据总是离散的,为了数学处理和表述的方便,常转化成连续性函数形式。
2. 2 数据分析
Parsivel降水粒子谱仪测量的数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量通道。其中粒子尺度测量32个通道对应的数据范围为0. 2～25 mm,粒子速度测量通道数据范围对应着0. 2～20 m / s (见表2) 。每一次采样间隔内的粒子谱测量数据都有 32 ×32 = 1 024个。以2006年3月份以来的几次降水资料为例进行观测分析,发现实际的数据中并不能涵盖所有的1024个通道,常见的只有0. 2～8 mm、 0. 2～14. 4 m / s。
2. 3 Parsivel的观测个例分析
2006年3月11日降雨过程是一次典型的锋面过境持续的降水过程,整个降水过程从3 月11 日 12: 30 一直持续到3 月12 日01: 30,总降水量为 7. 67 mm,在10 s间隔的采样时间段内,最大降水强度为7. 498 mm /h,雨滴浓度最大值0. 1630个?cm- 2?s- 1 (见图3) 。
从图3a中分析可见,整个降水过程分为5个峰值过程。其中,中间过程降水强度和雨滴浓度都比较大,而起始和结束的降水都是强度小浓度较大,后面几个过程也有类似的现象,尤其是降水结束前雨滴浓度都比较大,但降水量却比较小。图3a中的几个瞬时降水强度高值区对应着图3b中累积降水量跃升台阶。这种时间高分辨观测数据用传统的雨量筒是无法获得的。图中的彩色块状图就是降水粒子谱的分布,其中的拟合弯曲线为Hobbs在美国Cascade计划中从大量观测数据中分析获得的降水拟合曲线。图3c是整个降水过程雨滴谱随时间的变化状况。
2. 4 Parsivel的观测数据的变换
ASDO保存数据格式以32 ×32顺序排列1024 个数据形式,如果需要按照常规的尺度与浓度柱状图关系排列,需要对原始数据进行格式变换。
先从Parsivel获得的二维数据,每个时间对应的都有1024个数据,横坐标是尺度(mm) ,纵坐标是速度(m / s) ,然后把各个尺度分档对应的一列速度数据进行累加,这样纵坐标就成了质粒数浓度,与横坐标尺度配合就可以初步画出对应的谱分布,利用Excel可做出柱状谱分布图(图4) 。
3 Parsivel的应用及其优缺点
Parsivel降水粒子谱仪能够实现无人值守,自动记录,维护保养方便,并可在任何天气条件下作业; 降水粒子的尺度和速度二维、三维分布的全面分析, 显示界面直观易懂;实现非接触式测量,对原始场无干扰;工艺上实现防雨滴飞溅干扰测量精度;可靠地识别WMO天气现象,自动生成电码;自控电加热系统能够适应冻雨环境工作。因此,它在常规气象观测和水文观测洪水预警方面被广泛应用,在天气雷达探测和人工影响天气领域有着潜在的应用价值。
3. 1 在天气雷达探测和雷达气象学领域潜在的应用
目前气象雷达学领域常用的Z /R关系都是用雨量筒观测数据进行订正(数据是每小时的降水量),雷达反射因子Z定义为单位体积内所有粒子直径D的6次方之和,即
雨强R 定义为单位时间内落到单位面积上的降水质量,所以雨强与落到单位面积上总的雨滴质量 (与雨滴直径D 的3次方成正比)和雨滴下落速度有关。可见,反射因子Z和雨强R 都和雨滴直径有关,则Z /R 关系可用
表示。雷达探测时间上的高分辨率与雨量筒的低反应效率之间很难比较,而利用Parsivel测得的高时间分辨率降水粒子谱数据和瞬时降水强度数据可以拟合较为准确的雷达Z /R 关系。
Parsivel降水粒子谱仪能够实际测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的径向速度谱进行校正。雷达的后向散射功率与降水粒子谱直接相关,而与降水量的相关性不是唯一的,同样波长的雷达探测小球形粒子时,粒子的半径愈大,后向散射截面愈大。降水量不变而降水粒子谱变化时,雷达回波功率肯定发生变化。因此雷达探测降水量和降水强度急需降水谱资料,这在雷达校验定标方面作用潜力巨大。
3. 2 人工影响天气领域潜在的应用
人工影响天气的效果检验一直是一个难题,目前主要是统计检验和物理检验。统计检验需要大量试验样本,而且随机化试验在我国难以实现;物理检验目前主要是雷达观测演变状况和飞机直接观测云内微物理参数,这些方法不是直接测量定量化困难, 就是成本昂贵。自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱形式理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。同时无论是自然降水还是人工催化降水的强度、时间变化能够被精确记录,也有益于分析作业效果。
在人工防雹作业效果检验方面, Parsivel降水粒子谱仪能够记录降雹的最大尺度、持续时间、雹谱形式的变化及降雹能量计算,在人工抑制冰雹作业中对降雹谱变化、降水与降雹的区分和时间分布及能量计算,无论是效果检验还是雹灾损失估算都具有很高的利用价值。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性及其效果评估定量化,应用潜力巨大。
3. 3 Parsivel降水粒子谱仪的缺点
任何观测仪器都有其弱点, Parsivel降水粒子谱仪也同样有其弱点,主要是采样空间的确定和采样周期的选择。采样空间受到工艺技术的限制。采样宽度受到接受光电阵列的限制(目前是30 mm宽) , 采样长度受到激光强度(目前是180 mm长)和光电阵列的灵敏度限制。采样面积太小时,由于小雨雨滴密度很低,采样缺乏代表性;采样面积大时,对于仪器的稳定性有影响。此外,在大雨时候,雨滴重叠时的测量难题无法解决,样本数太大超过计数器上限将饱和溢出。
采样周期的选择应当与降水类型相匹配,小雨采样周期应当长一些,以保证有足够的样本数进行统计;暴雨时应当选择较短的采样周期,以免计数器饱和产生溢出计算错误。根据已经探测到的数个降水过程分析,强暴雨时选择10 ～15 s;毛毛雨时选 120～180 s;正常待机时综合选择60 s为宜。
参考文献
[ 1 ]Marshall J S, PalmerW M. The distribution of raindrops with size [ J ]. Meteorol, 1948, 5: 165 - 166.
[ 2 ]Gunn R, Kinzer G D. The terminal velocity of fall forwater drop lets in stagnant air[ J ]. Meteorol, 1949, 6: 243 - 248.
[ 3 ]Knollenberg R G. The op tical array: An alternative to scattering and extinction for airborne particle size determination [ J ]. Appi Met, 1970, 9: 86 - 103.
[ 4 ] Illingsworth A J, Stevens C J. An optical disdrometer for measurement of raind rop-size spectra in windy conditions [ J ]. Atmos Oceanic Tech, 1987, 4: 411 - 421.
[ 5 ]BaumgardnerD B B, Weaver K. A technique for themeasurement of cloud structure on centimeter scales[ J ]. AtmosOceanic Tech, 1993, 10: 557 - 565.
[ 6 ] Jameson A R, Kostinski S B. Fluctuation properties of precipitation. Part V I: Observations of hyperfine clustering and drop size distribution structures in three-dimensional rain [ J ]. Atmos Sci, 2000, 57: 373 - 388.
[ 7 ] Jameson A R, Kostinski S B. What is a raind rop size distribution [ J ]. Bull AmerMet Soc, 2001, 82: 1169 - 1177.
[ 8 ] Jameson A R, Kostinski S B. When is rain steady [ J ]. Appl Met, 2002, 41: 83 - 90. | |
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