雨滴譜探測(cè)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概述

萬(wàn)和躍　濮江平　劉思瑤

摘 要：雨滴譜的測(cè)量研究由來(lái)已久，尤其是在最近30年中得到了迅速發(fā)展。該文簡(jiǎn)要回顧了國(guó)內(nèi)外雨滴譜的研究歷史以及早期的人工觀測(cè)方法，并簡(jiǎn)要介紹了目前國(guó)內(nèi)使用較多的Parsivel激光降水粒子譜儀，分析了其相比于傳統(tǒng)觀測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)。另外，文中重點(diǎn)分析了雨滴譜的應(yīng)用，即在雷達(dá)測(cè)雨方面，可以用來(lái)擬合更準(zhǔn)確的Z-I關(guān)系，提高雷達(dá)測(cè)雨的準(zhǔn)確性，在人工影響天氣方面，一方面可用作人工增雨的依據(jù)；另一方面可用以檢驗(yàn)人工影響天氣的效果。

關(guān)鍵詞：雨滴譜 激光雨滴譜儀 雷達(dá) 降水，人工增雨

中圖分類(lèi)號(hào)：F416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0166-02

雨滴是云中各種因素綜合作用的結(jié)果，是宏觀、微觀過(guò)程相互影響的最終產(chǎn)物，而雨滴譜則帶有其形成發(fā)展的信息。雨滴譜（Raindrop Size Distribution）指的是單位空間體積內(nèi)各種大小雨滴的數(shù)量隨其直徑的分布。

目前，對(duì)雨滴譜的觀測(cè)已成為云和降水物理觀測(cè)的重要項(xiàng)目之一，在氣象、水文及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)雨滴譜的觀測(cè)研究，可以了解降水的微物理結(jié)構(gòu)及其參量的演變規(guī)律，更重要的是它還反映了云中成雨過(guò)程、云動(dòng)力學(xué)和微物理學(xué)之間的相互制約關(guān)系。另外，雨滴譜的研究在雷達(dá)氣象，人工影響天氣，邊界層陸面過(guò)程，氣溶膠等諸多領(lǐng)域中也發(fā)揮著不可替代的作用。

1 雨滴譜探測(cè)研究發(fā)展

雨滴譜的測(cè)量研究由來(lái)已久，國(guó)外的科研人員早在19世紀(jì)90年代就開(kāi)始關(guān)注雨滴譜的觀測(cè)，并且在此以后陸續(xù)提出了一系列的測(cè)量雨滴尺度分布的方法[1]。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)雨滴譜進(jìn)行觀測(cè)和研究。1962年中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所分別在南岳衡山和東岳泰山組織了系統(tǒng)觀測(cè)，得出了我國(guó)云霧降水微結(jié)構(gòu)的一些重要特征[2-3]，這些研究成果在對(duì)我國(guó)云霧降水過(guò)程的了解提供一定幫助的同時(shí)，也拉開(kāi)了我國(guó)的云雨滴譜觀測(cè)的序幕。70年代末，國(guó)內(nèi)學(xué)者分別在東北平原、長(zhǎng)江流域、西北高原等地進(jìn)行了雨滴譜的觀測(cè)與研究工作，80年代以來(lái)，雨滴譜的研究工作不斷在各地展開(kāi)[4]。尤其是近年來(lái)，隨著激光雨滴譜儀等一系列新儀器的引進(jìn)和對(duì)云物理降水過(guò)程的關(guān)注，大量不同地區(qū)、不同類(lèi)型云降水的雨滴譜分布特征被總結(jié)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了雨滴譜研究的深入。

1.1 早期人工觀測(cè)

早期用于分析雨滴尺寸和分布的方法主要有：動(dòng)力學(xué)方法、斑跡法、面粉法、照相法和浸潤(rùn)法等。但因各種原因，早期的觀測(cè)方法普遍存在測(cè)量精度不高，效率較低，測(cè)量實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，而且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析時(shí)只能靠人工操作，無(wú)法自動(dòng)完成測(cè)量分類(lèi)，容易產(chǎn)生人為誤差和錯(cuò)誤[5]。

1.2 新型儀器自動(dòng)觀測(cè)

近年來(lái)，隨著大氣科學(xué)的整體發(fā)展與電子科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了多種新型的雨滴譜測(cè)量?jī)x器。按照測(cè)量原理的不同可分為沖擊型雨滴譜儀、光學(xué)雨滴譜儀和聲學(xué)雨滴譜儀。目前使用較多的是光學(xué)雨滴譜儀，國(guó)外的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而國(guó)內(nèi)的激光雨滴譜儀則仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段[6]。因此，國(guó)內(nèi)使用的雨滴譜儀其核心技術(shù)仍然要依靠國(guó)外進(jìn)口。其中，使用較多的是由德國(guó)OTT公司生產(chǎn)的Parsivel激光降水粒子譜儀[7]。

Parsivel降水粒子譜儀是隨著激光技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新型光學(xué)粒子測(cè)量傳感器，主要包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和控制、運(yùn)算、存儲(chǔ)電路等部分。儀器使用發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的平行激光束作為采樣空間，接收機(jī)則把接收到的光束轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。無(wú)降水時(shí)，電子信號(hào)將是一個(gè)穩(wěn)定值，而當(dāng)降水粒子下落，通過(guò)采樣空間時(shí)，會(huì)造成光束強(qiáng)度衰減，從而改變電子信號(hào)。通過(guò)記錄下落物的寬度和穿越時(shí)間，可以計(jì)算出降水粒子的尺度和速度。

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，Parsivel降水粒子譜儀可同時(shí)測(cè)量降水中所有液體和固體粒子的尺度和速度，并對(duì)降水粒子進(jìn)行分類(lèi)。儀器獨(dú)特的表面設(shè)計(jì)可以有效避免雨滴飛濺落入采樣空間，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度；自帶的加熱系統(tǒng)可以適應(yīng)凍雨等惡劣天氣狀況。這種新型測(cè)量?jī)x器雖然還具有使用和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但仍存在一定的缺陷。比如，當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)降水粒子同時(shí)通過(guò)采樣空間，儀器將無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，造成重疊誤差，進(jìn)而對(duì)粒子譜和速度的計(jì)算產(chǎn)生影響。另外，對(duì)采樣空間的確定和采樣周期的選擇也會(huì)影響測(cè)量效果。

2 雨滴譜應(yīng)用

雨滴譜的研究的深入，對(duì)進(jìn)一步了解自然降水的物理過(guò)程、探索云內(nèi)成雨機(jī)制、提高雷達(dá)測(cè)量降水的準(zhǔn)確度、評(píng)估人工增雨的云水條件、檢驗(yàn)催化效果以及數(shù)值模擬等方面都有重要意義。此外，雨滴譜資料在陸面過(guò)程的水土保持，氣溶膠的濕沉降，云的參數(shù)化等方面也有重要的作用。

2.1 雷達(dá)定量測(cè)雨

目前，在使用雷達(dá)定量測(cè)雨的過(guò)程中最常用的方法是Z-I關(guān)系法，即應(yīng)用雷達(dá)氣象方程由測(cè)得的回波功率計(jì)算出雷達(dá)反射因子Z值，再根據(jù)已知的Z-I關(guān)系推得降雨強(qiáng)度[8]。Z-I關(guān)系的基礎(chǔ)是雷達(dá)反射因子Z和降雨強(qiáng)度I都與粒子的直徑D有關(guān)。

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：

而雨強(qiáng)I定義為單位時(shí)間內(nèi)落到單位面積上的降水質(zhì)量，即雨強(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)。由此可得到反射因子和降水強(qiáng)度的關(guān)系式：

其中a，b是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

目前所使用的Z-I關(guān)系都是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的經(jīng)驗(yàn)公式，具有很大的不確定性，隨時(shí)間，地點(diǎn)的變化需要進(jìn)行訂正，以減小誤差。實(shí)際上，對(duì)不同降水類(lèi)型及一次降水中不同階段的Z-I經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的研究已經(jīng)歷了40多年，在各種情況下曾被使用過(guò)的Z-I關(guān)系已有60余種[9]。但是Z-I關(guān)系的訂正使用的仍是雨量筒的測(cè)量數(shù)據(jù)，其在時(shí)間上分辨率較低，與雷達(dá)探測(cè)時(shí)間尺度上的高分辨率存在不可調(diào)和的矛盾。隨著Parsivel降水粒子譜儀等新型雨滴譜儀器的應(yīng)用，更多高分辨率的降水粒子譜分布特征和降水強(qiáng)度瞬時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，使擬合出更為準(zhǔn)確的Z-I關(guān)系成為可能[10]。

另外，在雷達(dá)校驗(yàn)定標(biāo)方面，雨滴譜也可以發(fā)揮重要作用。天氣雷達(dá)回波的定標(biāo)是一項(xiàng)極為重要的工作，定標(biāo)結(jié)果的好壞關(guān)系到觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前使用的定標(biāo)方法一般是從氣象雷達(dá)方程出發(fā)制作定標(biāo)曲線，而通過(guò)比較高分辨率雨滴譜資料計(jì)算的反射率因子與雷達(dá)回波強(qiáng)度反算的反射率因子，可以從另一個(gè)角度對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)一步提高定標(biāo)結(jié)果的有效性。

2.2 人工影響天氣效果檢驗(yàn)

雨滴譜中帶有雨滴形成過(guò)程的各種信息，如果能對(duì)特定地區(qū)獲取多次過(guò)程的雨滴譜資料進(jìn)行分析研究，就能了解該地區(qū)降水的特征和形成機(jī)制，進(jìn)而可以為人工影響天氣作業(yè)提供依據(jù)。

另一方面，人工影響天氣的作業(yè)效果檢驗(yàn)一直是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，而如何科學(xué)地進(jìn)行人工增雨效果檢驗(yàn)即是國(guó)內(nèi)外的一個(gè)重大技術(shù)難題，也是我國(guó)人工增雨技術(shù)的最薄弱環(huán)節(jié)[11]。目前普遍使用的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和物理檢驗(yàn)在實(shí)際使用過(guò)程中也都存在一些問(wèn)題，因此，可以通過(guò)觀測(cè)雨滴譜在人工增雨過(guò)程中的變化來(lái)評(píng)估人工增雨的效果。其基本原理是自然降水粒子譜分布與人工催化的粒子譜分布在理論上應(yīng)當(dāng)有較大的差別[12]，同時(shí)增雨作業(yè)后滴譜變化物理響應(yīng)和降水強(qiáng)度時(shí)間變化響應(yīng)都會(huì)有明顯差別。通過(guò)分析比對(duì)催化前后的雨滴譜資料，就能夠很好地檢驗(yàn)人工增雨的效果[13]。

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