激光雨滴譜儀在山東的布設(shè)和初步應(yīng)用

周黎明，王 俊，龔佃利，張洪生，華 杰（山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟(jì)南 250031）

激光雨滴譜儀在山東的布設(shè)和初步應(yīng)用

周黎明，王 俊，龔佃利，張洪生，華 杰
（山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟(jì)南 250031）

摘要：在介紹了激光雨滴譜儀的工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)、用途及儀器存在的優(yōu)缺點等內(nèi)容基礎(chǔ)上，著重介紹了該儀器在山東的總體布設(shè)情況和實際應(yīng)用的主要技術(shù)思路。歸納了山東利用獲取的激光雨滴譜儀資料開展的一些研究工作和取得的初步成果。根據(jù)業(yè)務(wù)和科研的需求，初步提出了有關(guān)激光雨滴譜儀資料需要深入應(yīng)用和研究的方向。

關(guān)鍵詞：激光雨滴譜儀；技術(shù)指標(biāo)；工作原理；布設(shè)與應(yīng)用

資助項目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201406033）和山東省氣象局課題（2013sdqx19，2012sdqxz07，2012sdqx12）共同資助

引言

降水粒子特性代表了云動力過程和微物理過程綜合作用的結(jié)果，是云降水物理和人工影響天氣領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。反映降水粒子譜的特征參數(shù)主要有降水粒子的直徑、組成分布、落速和動能等，其中粒子直徑的大小直接決定粒子的質(zhì)量和落速，從而決定降水粒子所具有的動能，因此，對粒子直徑的測量是需要解決的首要問題[1]。雨滴譜是反映降水粒子特性的一項重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的雨滴譜觀測方法主要是利用人工采樣的濾紙色斑法，該方法存在取樣間隔大、后期處理數(shù)據(jù)繁冗，且人工數(shù)據(jù)處理存在較大誤差等問題[2]。上世紀(jì)90年代初，中國開始逐步使用測量儀器對雨滴譜進(jìn)行觀測，其中GBPP-100雨滴譜儀是較為常用的一種測量儀器。該儀器具備連續(xù)采集、直接存儲觀測數(shù)據(jù)的功能，但因其取樣面積過大，由于雨滴變形和重疊會造成所測大雨滴偏多，特別是在降水強(qiáng)度較大時，計算出的雨強(qiáng)值會偏大[3]。此外，該型儀器不能對粒子落速進(jìn)行測量。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光雨滴譜儀得到更為廣泛的應(yīng)用，它既可以測量降水粒子尺度又能探測降水粒子落速，可較為方便地用于對降水粒子譜的觀測研究中。

山東省人民政府人工影響天氣辦公室（以下簡稱“山東省人影辦”）于2009年8月引進(jìn)布設(shè)了山東首臺激光雨滴譜儀，近幾年根據(jù)業(yè)務(wù)和科研工作的需求，又陸續(xù)增購多臺，目前主要用于人工影響天氣作業(yè)條件分析和降水微物理特征研究，并為人工影響天氣作業(yè)效果檢驗積累觀測資料。

1 激光雨滴譜儀介紹

1.1 工作原理

激光雨滴譜儀由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生一組穩(wěn)定平行的紅外激光束帶，位于激光直線傳播路徑上的接收器可以測量光強(qiáng)并將其轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)有降水粒子穿過測量區(qū)域時，通過消光效應(yīng)減弱信號，從而導(dǎo)致電壓減小。利用測量電壓偏差的振幅計算出粒子尺度，利用測量偏差的持續(xù)時間計算出粒子下落速度，其工作原理如圖1所示。該儀器可以根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計比例來確定各種降水類型，適用于測量和監(jiān)測毛毛雨、雨、冰雹、雪、雨夾雪等降水相態(tài)。

圖1　激光雨滴譜儀工作原理示意圖

1.2 技術(shù)指標(biāo)

激光雨滴譜儀是以激光為基礎(chǔ)的新一代光學(xué)粒子探測設(shè)備，通過激光的散射原理實現(xiàn)對降水粒子大小和速度的測量，主要由發(fā)射器、接收器、控制器、運(yùn)算器和存儲器5部分組成。德國在激光雨滴譜儀研制方面起步較早，技術(shù)成熟。目前，國內(nèi)主要引進(jìn)使用了德國OTT公司生產(chǎn)的Parsivel激光雨滴譜儀和THIES公司生產(chǎn)的THIES CLIMA激光雨滴譜儀。兩種型號激光雨滴譜儀外形與數(shù)據(jù)分析軟件見圖2，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖2　Parsivel（a）、THIES（b）激光雨滴譜儀探頭外形及THIES CLIMA分析軟件（c）示意圖

表1　兩種型號激光雨滴譜儀主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 儀器用途

激光雨滴譜儀可統(tǒng)計所有降水粒子在下落速度和粒徑上的分布（雨滴譜圖），并實時計算出各種降水類型的強(qiáng)度、總量等，因此可以對毛毛雨、小雨、大雨、冰雹、雪花、雪粒、雨夾雪等不同降水類型進(jìn)行區(qū)分觀測。利用其觀測數(shù)值，并通過一些反演手段，該儀器可用以分析云降水微物理特征和降水形成機(jī)制，檢驗人工影響天氣的作業(yè)效果，并在降水精細(xì)觀測、災(zāi)害性天氣的臨近預(yù)報和雷達(dá)定量估測降水等方面具有較好的應(yīng)用價值。

1.4 存在的優(yōu)缺點

激光雨滴譜儀具備如下優(yōu)點：①可以實現(xiàn)連續(xù)取樣自動觀測；②不但能夠?qū)崿F(xiàn)對降水粒子粒徑的測量，還能給出其下落速度值；③該設(shè)備的光學(xué)配件性能優(yōu)越，儀器日常使用幾乎不需要保養(yǎng)，可以工作在各種較為惡劣的環(huán)境條件中。然而，任何觀測儀器都存在其弱點，激光雨滴譜儀也不例外。對于一般強(qiáng)度的降水，由于粒子重疊形成的誤差很小，可以忽略；但對于大雨而言，由雨滴重疊造成的測量誤差問題仍然無法解決，樣本數(shù)過大超出計數(shù)器上限時將飽和溢出[1]。

2 激光雨滴譜儀運(yùn)行情況

2.1 布點情況

2009年8月，山東省人影辦引進(jìn)了省內(nèi)首臺THIES激光雨滴譜儀，并安裝在濟(jì)南南部山區(qū)三岔村火箭人工增雨作業(yè)點，進(jìn)行降水粒子微物理特征觀測。根據(jù)人工影響天氣作業(yè)服務(wù)和科研試驗的需求，2011—2014年，先后引進(jìn)安裝了14 臺THIES激光雨滴譜儀和2臺Parsivel激光雨滴譜儀。目前，山東共布設(shè)激光雨滴譜儀17臺，主要布設(shè)在魯西北、魯中西部、魯南和半島地區(qū)，具體布設(shè)點位置分布如圖3所示。

圖3　山東激光雨滴譜儀分布圖

2.2 布設(shè)原則

為充分發(fā)揮激光雨滴譜儀的觀測效能，綜合考慮人工影響天氣業(yè)務(wù)和科研工作需要，激光雨滴譜儀的布設(shè)主要基于以下考慮。

（1）以濟(jì)南南部山區(qū)“增雨保泉”作業(yè)基地為依托，開展火箭增雨效果檢驗試驗研究。綜合考慮濟(jì)南火箭作業(yè)點的布局、雷達(dá)回波移動特征[4]等因素，確定主要天氣系統(tǒng)回波移動的下風(fēng)方向，并根據(jù)與齊河雷達(dá)站的距離、激光雨滴譜儀觀測點與主要作業(yè)區(qū)的間距等條件，在作業(yè)區(qū)下風(fēng)方共布設(shè)4部THIES激光雨滴譜儀，分別位于濟(jì)南南部山區(qū)三岔村、垛莊、百泉火箭人工增雨作業(yè)點，以及萊蕪石云山區(qū)域氣象觀測站，形成局部觀測網(wǎng)，以便進(jìn)行火箭人工增雨作業(yè)效果檢驗。

（2）觀測分析多種降水類型粒子譜分布特征。在東營市氣象局、煙臺市氣象局內(nèi)分別布設(shè)1臺Parsivel激光雨滴譜儀，用于對黃河三角洲冰雹譜、半島冬季冷流降雪粒子譜和沿海地區(qū)雨滴譜進(jìn)行觀測。

（3）針對不同區(qū)域（沿海、平原、山地等環(huán)境）開展雨滴譜觀測。為此，在山東半島火箭增雨雪示范基地（青島）布設(shè)1臺THIES激光雨滴譜儀，用于開展沿海地區(qū)降水粒子譜特征觀測；在魯西人工增雨防雹示范基地（聊城）布設(shè)1臺THIES激光雨滴譜儀，用于開展魯西平原雨滴譜觀測；在泰山氣象觀測站安裝1臺THIES激光雨滴譜儀，用于進(jìn)行高山雨滴譜特征和山區(qū)短時強(qiáng)降水粒子譜特征觀測。

（4）配合開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)效果評估試驗研究。為支持南四湖水系生態(tài)重點作業(yè)區(qū)、泰沂山區(qū)水源涵養(yǎng)重點作業(yè)區(qū)建設(shè)，在濟(jì)寧的汶上和兗州、臨沂的蒙陰和雙堠分別安裝1臺THIES激光雨滴譜儀，主要用于飛機(jī)增雨作業(yè)效果檢驗和魯西南、魯南多降水區(qū)域雨滴譜特征的觀測分析。

（5）與L波段探空、雷達(dá)等相結(jié)合，開展云系垂直結(jié)構(gòu)和降水形成機(jī)制觀測研究。為此，在章丘市氣象局內(nèi)布設(shè)1臺THIES激光雨滴譜儀，與章丘探空、風(fēng)廓線雷達(dá)等進(jìn)行聯(lián)合觀測分析；在東阿縣氣象局內(nèi)安裝1臺THIES激光雨滴譜儀，與布設(shè)在聊城氣象局院內(nèi)的X波段雙偏振雷達(dá)開展聯(lián)合觀測研究。

（6）根據(jù)人工增雨外場試驗進(jìn)行布設(shè)。在泰安東平布設(shè)1臺THIES激光雨滴譜儀，主要應(yīng)用于東平湖人工增雨隨機(jī)試驗作業(yè)效果的物理檢驗。此外，山東省氣象局院內(nèi)布設(shè)1臺THIES激光雨滴譜儀，配合微波輻射計、微雨雷達(dá)等進(jìn)行觀測，該套設(shè)備配備可移動支架，可根據(jù)外場試驗和應(yīng)急服務(wù)需要進(jìn)行移動觀測。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸和管理

考慮到山區(qū)易斷電、供電不穩(wěn)等原因，目前濟(jì)南的垛莊、三岔村及萊蕪石云山、泰安東平、臨沂雙堠等6臺雨滴譜儀采用太陽能供電方式，其它激光雨滴譜儀采用220V±10V交流電供電。

觀測數(shù)據(jù)均采用GPRS方式傳輸?shù)缴綎|省氣象局信息中心服務(wù)器，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理和共享。為保障雨滴譜儀的正常運(yùn)行觀測和業(yè)務(wù)使用，儀器布設(shè)完畢之后，設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)由其所在市氣象局負(fù)責(zé)，通訊傳輸由山東省氣象局信息中心負(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用開發(fā)由山東省人影辦負(fù)責(zé)，并逐步納入山東省氣象局統(tǒng)一管理，實現(xiàn)實時觀測資料的數(shù)據(jù)全省共享。

2.4 觀測應(yīng)用領(lǐng)域

激光雨滴譜儀對瞬時降水強(qiáng)度的實時觀測能力有利于早期洪水預(yù)測預(yù)警，對降水粒子譜的測量能力在人工影響天氣作業(yè)效果物理檢驗方面有著很好的應(yīng)用潛力，對粒子濃度的測量和計算雷達(dá)反射率因子的能力在氣象雷達(dá)定標(biāo)及雷達(dá)Z-I關(guān)系計算方面有諸多應(yīng)用價值。當(dāng)然，這些應(yīng)用還有待于通過資料積累以及與其它資料的對比分析，不斷進(jìn)行深入研究開發(fā)。

3 初步研究應(yīng)用與未來研究方向

3.1 初步研究應(yīng)用

近幾年，山東省人影辦利用獲取的激光雨滴譜儀資料，在業(yè)務(wù)科研方面進(jìn)行了初步分析研究，主要內(nèi)容包括4個方面。

（1）新一代天氣雷達(dá)、自動站、激光雨滴譜儀都是觀測降水的氣象裝備，雖通過直接測量或利用觀測量估算都能得到一個雨量數(shù)據(jù)，但因觀測原理不同、估算方案誤差等原因，使觀測結(jié)果各有所長，利用同一站點觀測數(shù)據(jù)，對比分析了3種儀器的雨量觀測或計算結(jié)果，詳見文獻(xiàn)[5]。

（2）統(tǒng)計分析了濟(jì)南南部山區(qū)層狀云、積層混合云、弱積雨云3類云型的雨滴微物理結(jié)構(gòu)參量及雨滴譜演變6大特征[6]。通過觀測不同云狀降水的雨滴譜，能夠更好地分析云降水微物理特征，了解不同降水云系形成自然降水的微物理過程，對評估人工增雨云水條件、檢驗作業(yè)效果等提供科學(xué)依據(jù)。

（3）為更清楚地認(rèn)識降雪過程的發(fā)展和演變情況，并為開展人工增雪提供觀測和一定的理論基礎(chǔ)，研究了降雪過程中粒子的微物理特征，對降雪粒子微物理參量演變特征、粒子譜和速度譜分布特征進(jìn)行了細(xì)致分析[7]。

（4）分析了山東盛夏暴雨過程瞬時雨滴譜和不同雨強(qiáng)下平均雨滴譜分布特征[8]。通過分析強(qiáng)降水的滴譜特征和演變規(guī)律，一定程度上可以認(rèn)識降水形成機(jī)理、演變過程，進(jìn)而為提高強(qiáng)降水預(yù)測、預(yù)警水平提供有益的參考。

3.2 未來研究方向

激光雨滴譜儀在常規(guī)氣象觀測、天氣雷達(dá)、人工影響天氣等領(lǐng)域?qū)⒌玫捷^為廣泛的應(yīng)用，根據(jù)山東業(yè)務(wù)和科研工作的需求，需要深入應(yīng)用和探討的內(nèi)容主要包括以下幾方面。

（1）開發(fā)數(shù)據(jù)采集與分析軟件平臺，實現(xiàn)多臺激光雨滴譜儀觀測資料的全省實時共享。

（2）分析自然降水粒子譜和人工催化后的降水粒子譜差異，做好人工增雨作業(yè)效果的物理檢驗。

（3）檢驗激光雨滴譜儀對降水粒子相態(tài)識別的準(zhǔn)確率。

（4）探討激光雨滴譜資料在短時強(qiáng)降水監(jiān)測、預(yù)警中的應(yīng)用。

（5）通過獲取冰雹過程降水粒子資料，分析冰雹微物理結(jié)構(gòu)特征，探索對冰雹譜進(jìn)行觀測的可能性。

4 結(jié)語

激光雨滴譜儀是一種以激光測量為基礎(chǔ)的新型降水粒子特性測量儀器，目前較為普遍地應(yīng)用于雨滴譜觀測分析中。山東省人影辦已在全省范圍內(nèi)安裝布設(shè)了17臺激光雨滴譜儀，根據(jù)山東人影業(yè)務(wù)建設(shè)方案，未來3年將繼續(xù)增加激光雨滴譜儀的布設(shè)，進(jìn)一步加強(qiáng)該儀器設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)，更好地在全省開展數(shù)據(jù)共享和聯(lián)合應(yīng)用研究，將成為未來工作的重點。

綜上所述，激光雨滴譜儀的布網(wǎng)建設(shè)將為山東開展地面云降水物理觀測，更好地進(jìn)行人工增雨效果物理檢驗提供了良好的基礎(chǔ)。但文中針對激光雨滴譜儀未來的研究方向，只是筆者目前為止初探性思考，仍需在以后的實際工作中進(jìn)一步加以修訂和完善。

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作者簡介：周黎明 (1982─ )，女，山東淄博人，碩士，工程師，主要從事云物理研究和人工影響天氣工作。

收稿日期：2014-06-18

中圖分類號：P48

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1005–0582（2015）01–0018–05