激光降雨光譜儀在較強(qiáng)降水觀測(cè)中的應(yīng)用

激光降雨光譜儀在較強(qiáng)降水觀測(cè)中的應(yīng)用

氣藏氣測(cè)實(shí)驗(yàn)圖瑞爾-palsivl激光雨譜儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)palsivl）利用消光測(cè)量原理和激光技術(shù)觀測(cè)降水。與之前的降水能量譜測(cè)量方法、過(guò)濾紙染色法、面粉球法、高速攝影法等相比，1-21-2。該儀器已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守,自動(dòng)記錄,并可以在任何天氣下作業(yè)［3］。冰凍天氣下,儀器自帶的一體化加熱裝置可以把天氣對(duì)儀器測(cè)量的負(fù)面影響降到最低,較好的解決了自動(dòng)測(cè)量難題［4］。其不足之處是大雨天氣狀況下,對(duì)于相互重疊的雨滴無(wú)法識(shí)別,樣本數(shù)太大超過(guò)計(jì)數(shù)器上限將飽和溢出［5］,實(shí)際采樣面積較小等?，F(xiàn)階段,自動(dòng)站系統(tǒng)是氣象觀測(cè)的重要組成部分［6］,其中SL3-1型雨量傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)雨量計(jì))用于測(cè)量液態(tài)降水量和降水強(qiáng)度,是區(qū)域自動(dòng)氣象站的重要傳感器之一［7］,其分辨率高,測(cè)量精度較高［8-9］,為精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)提供密集的氣象信息。1儀器介紹1.1工作原則1.1.1降水粒子的測(cè)量和修正Parsivel是一種以激光為基礎(chǔ)的高級(jí)光學(xué)粒子測(cè)量?jī)x［5］,通過(guò)下降的降水粒子對(duì)激光帶的遮擋來(lái)計(jì)算和測(cè)量降水粒子尺寸和下降速度,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降水類(lèi)型、降水粒子數(shù)密度、降水強(qiáng)度和累積降水量等［10］。儀器的核心是一個(gè)光學(xué)傳感器,主要由激光發(fā)射端、激光接收端及相應(yīng)的電路等組成,該傳感器能夠發(fā)射平行的激光束(長(zhǎng)180mm,寬30mm,高1mm)。其測(cè)量原理是:開(kāi)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下,激光發(fā)射端產(chǎn)生一束水平平直的激光,接收端接收激光并把它轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。當(dāng)測(cè)量區(qū)域內(nèi)沒(méi)有降水粒子通過(guò)時(shí),激光接收端輸出的電壓是連續(xù)的固定值。如果測(cè)量區(qū)域內(nèi)有降水粒子通過(guò),因其在通過(guò)激光光束的采樣空間時(shí),會(huì)遮擋一部分激光光束,消光作用將使激光光束的強(qiáng)度減弱,激光接收端輸出的電壓降低,形成電壓波谷,這時(shí)可以根據(jù)電壓偏離固定值的幅度,計(jì)算出降水粒子的直徑D,而根據(jù)遮擋住激光光束的時(shí)間△t可以計(jì)算出降水粒子的降落速度Vt［4］。由Parsivel快速記錄的每一個(gè)降水粒子的尺度和速度,會(huì)通過(guò)一臺(tái)裝有其配套軟件ASDOV1.1的電腦對(duì)降水粒子的譜進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),將結(jié)果以圖表的形式顯示,進(jìn)而得出累積參數(shù)［5］。儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。Parsivel能夠測(cè)量最大尺寸為25mm的粒子,如表1所示,根據(jù)非等距間隔共分為32個(gè)尺度通道,能夠測(cè)量的最大速度為20m/s,同樣,根據(jù)不同速度間距共分為32個(gè)速度通道［11］。因此,每次采樣間隔內(nèi)獲得的粒子譜數(shù)據(jù)為32×32=1024個(gè)。儀器設(shè)計(jì)時(shí)考慮了雨滴形變［11-12］。因此,儀器輸出的數(shù)據(jù)是對(duì)粒子形變修正后再進(jìn)行計(jì)算得到的。為了減小可能的設(shè)備誤差,數(shù)據(jù)處理時(shí),一些學(xué)者提出了進(jìn)一步修正的方法:當(dāng)粒子的等效球體直徑小于1mm時(shí),雖然會(huì)發(fā)生形變,但粒子仍被假定為球形［13］;當(dāng)粒子的等效球體直徑為1~5mm時(shí),粒子被假定軸比(粒子高度和寬度的比)為1~0.7的扁球體;當(dāng)粒子的等效球體直徑大于5mm時(shí),粒子被假定為軸比恒定為0.7的扁球體［14］。1.1.2傳感器計(jì)量精度SL3-1型翻斗式雨量傳感器為雙翻斗,主要由承水器(口徑為20cm)、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成。降水從承水器進(jìn)入雨量計(jì)最終到達(dá)計(jì)量翻斗,當(dāng)計(jì)量翻斗承受的降水量為0.1mm時(shí),計(jì)量翻斗把降水傾倒到計(jì)數(shù)翻斗,作用計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次,輸出0.1mm降水量。傳感器計(jì)量精度±4%［9］。這樣記錄降水量就存在著±0.1mm的誤差［15］。1.2地理位置和地形Parsivel激光雨滴譜儀位于解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院內(nèi)長(zhǎng)望樓樓頂,地理位置為(31.97°N,118.28°E),海拔29m;雨量計(jì)位于Parsivel西南方向的自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi),距Parsivel的水平距離約129m,方位角約為69.5°。2累積降水與雨量計(jì)的絕對(duì)偏差表2所示為文中選取的2012年4次降水過(guò)程。為了更好的分析降水過(guò)程的細(xì)節(jié)變化,了解歸納較短時(shí)間區(qū)間內(nèi)降水特征,本文中所采用的Par-sivel和雨量計(jì)的觀測(cè)資料均為分鐘降水觀測(cè)記錄資料。依據(jù)4次降水過(guò)程中Parsivel和雨量計(jì)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù),計(jì)算得到過(guò)程累積降水總量及其相對(duì)誤差,同時(shí)計(jì)算了從降水開(kāi)始,每過(guò)10min兩種儀器輸出的累積降水量的相關(guān)系數(shù)(降水結(jié)束前不足10min,處理數(shù)據(jù)時(shí)當(dāng)作10min),結(jié)果如表3所示。表3給出了4次降水過(guò)程中Parsivel和雨量計(jì)的累積降水總量測(cè)值及其偏差分析和顯著性檢驗(yàn)。從表3中的對(duì)比分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)4次降水過(guò)程,由Parsivel測(cè)得的累積降水總量均大于雨量計(jì)的測(cè)值,但兩者相差不大,相對(duì)偏差位于13%~22%之間,Parsivel測(cè)值存在著系統(tǒng)性偏高;同時(shí),每次降水過(guò)程中,由Parsivel和雨量計(jì)每10min輸出的累積降水量所構(gòu)成兩組數(shù)組,其相關(guān)系數(shù)均在0.9927以上,在0.01顯著性水平下,具有明顯的相關(guān)性。其中7月3日的降水,由Parsivel和雨量計(jì)測(cè)算得到的平均降水強(qiáng)度分別為40.87mm/h、34.85mm/h,是一次大的暴雨過(guò)程,兩種儀器測(cè)得的累積降水總量絕對(duì)偏差最大,其次為7月7日的降水,由Parsivel和雨量計(jì)測(cè)算得到的平均降水強(qiáng)度分別為9.6mm/h、10.65mm/h,是一次大雨過(guò)程。可見(jiàn),降水強(qiáng)度越大,Parsivel與雨量計(jì)的絕對(duì)偏差也越大,這主要是因?yàn)?(1)降水強(qiáng)度較大時(shí),速度較快,降落到雨量計(jì)上會(huì)產(chǎn)生飛濺,飛濺的降水并沒(méi)有最終進(jìn)入計(jì)數(shù)翻斗,從而導(dǎo)致雨量計(jì)的測(cè)值比實(shí)際值偏低;(2)降水強(qiáng)度較大時(shí),雨滴數(shù)目較密,降水粒子經(jīng)過(guò)Parsivel時(shí)可能會(huì)相互遮擋,此時(shí)儀器會(huì)自動(dòng)把小粒子當(dāng)作大粒子來(lái)處理;(3)通常強(qiáng)降水時(shí),雨滴大,粒子形變可能比較嚴(yán)重,從而高估雨強(qiáng)。根據(jù)球體體積公式可知,球形粒子體積和直徑有著3次方的關(guān)系,一個(gè)直徑為2D的降水粒子其體積最大可達(dá)到兩個(gè)直徑同為D粒子體積和的4倍,粒子的相互遮擋會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)識(shí)別的大粒子偏多,小粒子偏少,總的粒子體積偏大,因此Parsivel測(cè)得累積降水量會(huì)比實(shí)際值偏高。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在7月3日降水中確實(shí)存在著直徑較大速度較小的粒子,如圖1所示,從左至右箭頭所指分別表示(D>4.5mm,V<1.8mm/s)、(D>5mm,V<2.8mm/s)和(D>9mm,V<7.2mm/s)的降水粒子。這部分粒子的出現(xiàn)很可能是由粒子的相互遮擋導(dǎo)致儀器產(chǎn)生誤判而造成的［16］。為了進(jìn)一步對(duì)比Parsivel和雨量計(jì)的測(cè)值,下面我們著重分析每次降水過(guò)程中各個(gè)時(shí)次的累積降水量和降水強(qiáng)度。2.1parsingl和雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果比較圖2中的4幅圖分別對(duì)應(yīng)4次降水中由Par-sivel和雨量計(jì)所測(cè)過(guò)程累積降水量的變化趨勢(shì)。可以看出,兩種儀器觀測(cè)值走勢(shì)基本一致,具有較好的一致性,但是Parsivel觀測(cè)到的累積降水量始終都要高于雨量計(jì);此外,圖中分析還可以發(fā)現(xiàn),每次降水開(kāi)始階段,雨量計(jì)對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間明顯滯后Parsivel,如6月28日的降水過(guò)程,雨量計(jì)滯后Par-sivel的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17min。2.2雨量計(jì)對(duì)降水的影響Parsivel每個(gè)時(shí)次的降水強(qiáng)度可以直接從儀器輸出值中讀得;雨量計(jì)每個(gè)時(shí)次的降水強(qiáng)度可以由分鐘平均降水量計(jì)算得出:即降水強(qiáng)度(mm/h)=60×分鐘平均降水量(mm/min)。圖3分別對(duì)應(yīng)4次降水中由Parsivel和雨量計(jì)所測(cè)過(guò)程降水強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。從圖3可以看出,降水強(qiáng)度較大時(shí)刻,兩種儀器的所測(cè)值偏差也較大,降水強(qiáng)度較小時(shí)刻,兩者的測(cè)值就比較接近。強(qiáng)度較小的降水過(guò)程,雨量計(jì)所測(cè)降水強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系在圖中呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)。雨量計(jì)對(duì)降水的響應(yīng)明顯落后于Parsivel,6月28日的降水中,降水強(qiáng)度從開(kāi)始到結(jié)束一直較小,雨量計(jì)滯后Parsivel的時(shí)間較長(zhǎng),6月30日的大雨過(guò)程和7月3日的暴雨過(guò)程,這兩次降水從一開(kāi)始強(qiáng)度就非常大(見(jiàn)表4),雨量計(jì)滯后Parsivel的時(shí)間很短。從表4中可以看出,滯后時(shí)間的長(zhǎng)短主要是由降水初始階段降水強(qiáng)度決定的。對(duì)比第1次和第2次降水,其中第1次降水前20min內(nèi)的平均降水強(qiáng)度小于1mm/h,直到Parsivel檢測(cè)到降水后的第28分鐘雨量計(jì)才開(kāi)始出現(xiàn)降水記錄;而第2次降水剛開(kāi)始強(qiáng)度就很大,前3min和前4min的平均降水強(qiáng)度均超過(guò)了20mm/h,分別為21.919mm/h,23.628mm/h,Parsivel檢測(cè)到降水后的第5分鐘雨量計(jì)便出現(xiàn)了降水記錄。第3次降水亦然。從以上分析可以看出Parsivel相比于業(yè)務(wù)上應(yīng)用成熟的雨量計(jì)具有反應(yīng)時(shí)間短,靈敏度高的特點(diǎn),若將其推廣應(yīng)用在自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)站,將會(huì)為極端天氣及時(shí)預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)爭(zhēng)取更多的有效時(shí)間,減少生命財(cái)產(chǎn)損失。3種方法對(duì)于parsingl和雨量計(jì)的器測(cè)偏差率影響分析由于雨量筒故障導(dǎo)致第3次降水過(guò)程中人工觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失,故無(wú)法進(jìn)行對(duì)比分析,文中分別將6月28日、6月30日和7月7日3次降水中Parsivel和雨量計(jì)測(cè)得累計(jì)降水總量與人工使用雨量筒觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,如表5所示,Parsivel的器測(cè)偏差明顯大于雨量計(jì),雨量計(jì)的測(cè)值非常接近人工觀測(cè)值(見(jiàn)圖4),其相對(duì)于人工觀測(cè)的偏差率均在10%以下,而Parsivel的測(cè)值明顯高于人工觀測(cè)值,偏差率均在15%以上。激光雨滴譜儀和雨量計(jì)均表現(xiàn)出與平均降水強(qiáng)度呈正相關(guān)的態(tài)勢(shì),即平均降水強(qiáng)度越大,器測(cè)偏差率也越大。第4次降水是一次大雨過(guò)程,Parsivel測(cè)值的偏差率高達(dá)32.92%,測(cè)值明顯偏高,分析其原因,主要有兩點(diǎn):此次降水時(shí)間短,強(qiáng)度大,過(guò)程中出現(xiàn)降水粒子的相互遮擋,從而使儀器產(chǎn)生誤判,可能造成測(cè)值偏大;其次,降水中雨滴形變較大,也可能導(dǎo)致Parsivel測(cè)值偏高。而第1次降水為小雨過(guò)程,Parsivel和雨量計(jì)的器測(cè)偏差率均較小。畢竟翻斗式雨量計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的對(duì)比觀測(cè)效驗(yàn)而成為業(yè)務(wù)觀測(cè)儀器,而Parsivel尚未進(jìn)行系統(tǒng)性長(zhǎng)期對(duì)比實(shí)驗(yàn)。4累積降水量觀測(cè)與雨量計(jì)的關(guān)系本文選取了南京地區(qū)2012年6、7月份中4個(gè)典型的降水個(gè)例,對(duì)Parsivel激光雨滴譜儀和SL3-1翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)(累積降水量和降水強(qiáng)度)進(jìn)行了對(duì)比分析,同時(shí)將兩種儀器觀測(cè)所得累積降水總量與人工雨量筒觀測(cè)數(shù)據(jù)作了對(duì)比,得出以下結(jié)論:(1)Parsivel在對(duì)較強(qiáng)降水的觀測(cè)中其測(cè)值是可信的,在累積降水量觀測(cè)上,其與雨量計(jì)具有很好的相關(guān)性。(2)Parsivel對(duì)累積降水量的觀測(cè)出現(xiàn)系統(tǒng)性偏高,降水過(guò)程平均強(qiáng)度越大,兩種儀器的偏差也越大。主要是因?yàn)殡S著降水強(qiáng)度的加大,粒子相互遮擋的概率也會(huì)增加,系統(tǒng)會(huì)把相互遮擋的小粒子當(dāng)作大粒子來(lái)處理。(3)在降水強(qiáng)度較大時(shí)刻,兩種儀器測(cè)得的降水強(qiáng)度值偏差較大,在降水強(qiáng)度較小時(shí)刻,兩者的測(cè)值比較接近。(4)雨量計(jì)對(duì)降水觀測(cè)的反應(yīng)時(shí)間明顯滯后于Parsivel,且滯后時(shí)間的長(zhǎng)短主要由降水初始階段的平均降水強(qiáng)度決定。若降水初始階段平均雨強(qiáng)較小,則雨量計(jì)滯后時(shí)間較長(zhǎng);反之,滯后時(shí)間較短。因此,對(duì)于降水總時(shí)長(zhǎng)的判斷雨量計(jì)將顯著縮短。(5)將Parsivel和雨量計(jì)觀測(cè)的累積降水總量與人工觀測(cè)值相比較,雨量計(jì)的測(cè)值接近人工觀測(cè)值,Parsivel的器測(cè)偏差明顯大于雨量計(jì)。兩種儀器的器測(cè)偏差率與平均降水強(qiáng)度均呈正相關(guān)關(guān)系,因此,可以判斷激光雨滴譜儀在大雨的時(shí)候有顯著的正偏差。5設(shè)定采樣周期結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及Parsivel在廬山氣象局業(yè)務(wù)上使用所得經(jīng)驗(yàn),給出有關(guān)Parsivel激光雨滴譜儀使用及后期數(shù)據(jù)處理的3點(diǎn)建議:(1)為了避免降水粒子與樹(shù)枝、建筑物等遮擋物發(fā)生碰撞產(chǎn)生嚴(yán)重的形變,儀器應(yīng)架設(shè)在無(wú)遮蔽物的開(kāi)闊地帶。(2)本次實(shí)驗(yàn)中,由于所使用的Parsivel激光雨滴譜儀長(zhǎng)期處于無(wú)人值守的狀態(tài),所以在任何情況下,數(shù)據(jù)采樣周期恒定為60s。但實(shí)際業(yè)務(wù)操作中,為了保證采樣的準(zhǔn)確性和可靠性,采樣周期應(yīng)隨著降水強(qiáng)度的不同而改變。通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)降水個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析,我們認(rèn)為由于小雨和中雨降水強(qiáng)度不大,采樣周期應(yīng)當(dāng)長(zhǎng)一些,以保證有較豐富的樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,一般設(shè)定在30~60s;由于大雨和暴雨降水強(qiáng)度很大,單位時(shí)間、單位體積內(nèi)的粒子數(shù)較多,采樣周期應(yīng)當(dāng)短一些,避免計(jì)數(shù)器飽和產(chǎn)生溢出計(jì)算錯(cuò)誤,一般設(shè)定在10~20s。若儀器長(zhǎng)期處于無(wú)人值守的狀態(tài),在必須設(shè)定固定的采樣時(shí)間情況下,可以根據(jù)儀器所處地理位置不同而設(shè)定,位于東部沿海地區(qū)的儀器采樣周期設(shè)定30s為宜,而位于中西部?jī)?nèi)陸的儀器采樣周期可設(shè)定為60s。(3)雨強(qiáng)較大時(shí),降水粒子經(jīng)過(guò)Parsivel的平行激光帶時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生粒子相互遮擋,儀器會(huì)自動(dòng)把小粒子當(dāng)作大粒子來(lái)處理,這一類(lèi)粒子表現(xiàn)出來(lái)的特征就是直