LPA10激光雨滴譜儀的定標及觀測對比

張建云 張垚

(1 中國華云氣象科技集團公司,北京 100081；2 北京敏視達雷達有限公司,北京 100094)

0 引言

雨滴譜觀測是云降水物理學研究的重要內(nèi)容之一，它反映了云中成雨過程、云動力學和微物理學之間的相互制約。激光雨滴譜儀是一類以激光為探測媒介，基于降水粒子通過激光測量區(qū)域時的消光原理[1]，采用光電信號轉化的處理方法和算法，獲取降水粒子外形和通過激光區(qū)域的時間信息，進而反演出豐富的降水產(chǎn)品。通過雨滴譜觀測可以得到多種降水物理參量（如粒子數(shù)密度、粒徑分布、雨量、雨強）和雨滴對微波的衰減（雷達反射率因子）等。在此基礎上，可以建立雷達反射率因子和降水強度之間的經(jīng)驗關系系數(shù)，用于改善天氣雷達的定量降水估測能力。此外，雨滴譜觀測對進一步了解自然降水的物理過程、研究成雨機制、評估人工增雨的云水條件、檢驗催化效果以及數(shù)值模擬等方面提供科學依據(jù)具有重要意義[2-4]。

1 激光雨滴譜儀的研究進展及應用

1.1 激光雨滴譜儀的研究進展

目前，國際激光雨滴譜儀領域，主要是按激光光束測量維度的原理劃分兩種類型：1維（1D）激光雨滴譜儀和2維（2D）激光雨滴譜儀。以德國OTT的Parsivel系列激光雨滴譜儀和奧地利的2D視頻（2D Video）雨滴譜儀作為流行設備最具代表性。在測量原理方面，1D激光雨滴譜儀發(fā)射出一束平行激光測量降水粒子的截面直徑為基本原理；2D激光雨滴譜儀則可發(fā)出兩束正交的平行激光光束同時得到降水粒子在其正交方向上的截面輪廓為基本原理。該兩類設備分別基于上述粒子截面數(shù)據(jù)作為降水的原始參數(shù)，1D雨滴譜儀可衍生降水粒子的雨滴譜（直徑、速度、個數(shù)）、降水強度、降水量、降水類型和雷達校準因子等降水信息；2D視頻雨滴譜儀除上述1D雨滴譜儀的所有降水信息外，還可繪出每個降水粒子的投影輪廓，產(chǎn)品更加豐富。但是，2D視頻雨滴譜儀在探測粒子的最大測量速度（10 m/s）[5]方面較1D雨滴譜儀（20 m/s）更低，這使其在測量速度過快的大雨滴和大冰雹方面表現(xiàn)較為遜色。此外，由于價格昂貴、標校復雜和校準頻次相對較多等因素，導致2D視頻雨滴譜儀僅應用于一些降水相關領域的科學研究中，并沒有成為氣象業(yè)務設備。美國國家航空航天局（NASA）針對上述二者進行了對比觀測試驗[6]，主要關注雨滴直徑、直徑測量方差和降水量三個參數(shù)。實驗結果表明：在降水強度20 mm/h以內(nèi)，二者差異不大；當降水強度超過30 mm/h，Parsivel對降水量高估過多；但在總體上，基于上述三個要素的評估，兩種設備相差不大。因此，1D測量原理的Parsivel激光雨滴譜儀，以價格低廉、使用維護簡單、測量效果較好等諸多特點占據(jù)了絕大部分氣象領域的市場份額。

在測量精度方面，目前激光雨滴譜儀對強降水觀測時降水測量偏差較大。主要原因是自然環(huán)境中的干擾因素較多，例如自然光線明暗、霧霾造成的能見度降低、空氣中粉塵增加以及激光透射窗口沾水等。在眾多干擾因素之中，以降水過程中激光透射窗口沾水影響最為嚴重。通常自然界中的降雨過程是風雨交加的，作為降雨探測設備，激光透射的玻璃窗口沾水會造成單個粒子測量值偏大，進而導致降水量偏差增大的后果。Tokay等[7]的研究表明當前流行的Parsivel激光雨滴譜儀對直徑小于0.76 mm的降雨低估，對直徑大于2.4 mm的降雨高估，尤其強降雨時高估更加嚴重；另外，新型Parsivel2在累積降水量50 mm以下的絕對偏差為6%。Graham等[8]表示Parsivel在探測小粒子方面表現(xiàn)遜色，其試驗中Parsivel和翻斗式雨量計相比的絕對偏差是18%。

在速度測量方面，2D 視頻雨滴譜儀的速度測量上限是10 m/s，難以檢測速度過快的粒子。自然界中4 mm的大雨滴終端速度在9 m/s左右[9]，雨滴的尺度越大接近地面時外形呈橢球或饅頭狀，此時雨滴的長短軸之比大于20%[10-11]。1D雨滴譜儀，由于其測量原理的局限性，使用長軸反演速度造成測量值偏高——只能探測到降水粒子水平方向上的最大截面，由于不能區(qū)分粒子相態(tài)，使其不能識別固態(tài)液態(tài)，不能有效地修正長短軸帶來的問題。因此，1D雨滴譜儀對雨滴速度高估后與冰雹速度相近[12]，容易造成這兩類降水現(xiàn)象的誤判。

1.2 激光雨滴譜儀標定分析

目前激光雨滴譜儀設備無隨機裝配的標定裝置，使得設備安裝后，在其長期運行的過程中，其測量精度是否變差處于未知狀態(tài)。而脫離數(shù)據(jù)的可靠性討論應用就是無稽之談，激光雨滴譜儀的應用局限性在于此。在現(xiàn)有技術條件下，有兩種可適用于激光雨滴譜儀的標定方法，分別是轉盤標定法和鋼珠標定法。

轉盤標定法的裝置采用在旋轉電機的軸向安裝透明亞克力板，其板上粘貼不透光的圓形遮擋片模擬被測粒子。電機轉動從靜止開始加速到指定角速度，待轉速穩(wěn)定后，用激光雨滴譜儀測試遮擋片的直徑和線速度。轉盤標定裝置采用參數(shù)為國際標準ISO 7823中規(guī)定標稱透光率大于92%、板厚公差±10 %的亞克力板。其介質均勻度較空氣差，雖然在靜止狀態(tài)下，激光透射強度較為穩(wěn)定。但電機旋轉后，一方面，由于板的不均勻產(chǎn)生了動態(tài)的透光差異；另一方面，板在垂直電機軸向產(chǎn)生微小幅度的抖動，其效果與板的不均勻產(chǎn)生的透光差異類似，且該軸向抖動幅度與電機轉速成正比，即電機轉速越快激光透射強度越不穩(wěn)定。以上兩點都導致在轉盤標定裝置工作時，被測的激光雨滴譜儀透射亞克力板后的激光強度在小幅度地不斷變化。目前流行的激光雨滴譜儀大都以激光能量強度作為探測原理，其接收激光遮擋能量強度最大值與被測粒子直徑成正比例關系，速度與遮擋粒子的時間成反比。在該情形下，即使轉盤標定裝置上無粘貼遮擋片，以激光能量強度為測量原理的雨滴譜儀，仍然會產(chǎn)生0.3～0.5 mm的虛假粒子。因此，該轉盤標定裝置只有在遮擋片直徑遠大于0.3～0.5 mm時，虛假粒子對直徑測量造成的影響才可以忽略。若定義遠大于為超過當前尺度一個量級，則遮擋片為直徑3～5 mm以上的尺度。在速度測量方面，該方法仍然存在一定的影響因素。虛假粒子疊加在大尺度遮擋片上后，會延長該遮擋片在測量中的通過時間，進而導致測量速度值偏小。此外，虛假粒子是由板的不均勻造成的變值，因此測出的粒子速度也是一系列變值。

轉盤標定法有兩個優(yōu)點：1）可通過粘貼不同尺度的遮擋片來改變測量粒子尺度；2）其速度可以涵蓋整個測試區(qū)間范圍。轉盤標定裝置除了原理方面有上述局限性之外，在外形、使用等方面也存在制約因素，都導致其不適用于觀測站使用。

鋼珠標定法是指在被測設備正上方，人為地投放標準尺度鋼珠。該方法直徑標定準確，速度標定存在局限性。在速度標定方面，只能以固定高度做自由落體運動的方式進行標定，不適合較高速度的標定測試。

上述兩種標定方法，主要應用在實驗室測試或設備出廠測試檢驗中，難以滿足在業(yè)務中已安裝的雨滴譜儀在線標定的應用需求。因此，研制一種臺站所需能掌控雨滴譜儀測量精度的標定設備是很有現(xiàn)實意義的。

2 LPA10激光雨滴譜儀

2.1 LPA10激光雨滴譜儀的技術特點

2.1.1 標定技術

需求牽引和技術進步推動激光雨滴譜儀相關的技術不斷向前。LPA10激光雨滴譜儀[13-14］設計的適用于臺站的標定裝置如圖1所示。該標定配置清單包含：標定裝置、6 mm以下標準尺度鋼珠一套和標定軟件——自然界的液態(tài)降水粒子絕大部分尺度小于6 mm。該專利技術的標定設備，分解組裝簡易；可在每年雨季來臨之前，對設備清潔維護后，按圖1的方式裝配在LPA10設備之上，使用出廠配送的標準尺度鋼珠，進行尺度和速度標定，來檢驗設備數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1 LPA10配備適用于臺站的標定裝置Fig. 1 LPA10 equipped calibration device for weather stations

標定裝置組裝好之后，固定好高度，在投放點處按順序投放標準尺度鋼珠，通過標定軟件讀取測得的尺度和速度數(shù)據(jù)。直徑和速度測量誤差在±20 %以內(nèi)[15]，表征設備可信，超出范圍廠家維修。由粒子速度v＝(D＋l)/t（式中，D為粒子直徑，l為激光有效寬度，t為粒子經(jīng)過時間）的公式可知，直徑測量準確是速度準確測量的必要條件。所以在一定程度上，直徑的測量精度成為雨滴譜儀最為核心的標定參數(shù)。受限于鋼珠標定法的技術瓶頸，本標定方案速度測量值，只是粗略驗證測速是否可信，通過有限高度調(diào)節(jié)驗證即可。

2.1.2 技術特點

文獻[15]指出在以消光為原理的平行激光光學測量系統(tǒng)中，球體液滴可等效為焦距為其半徑的小透鏡，折射效應可忽略；前向散射光很少，也可忽略；并且小透鏡效應形成的透射光聚焦在球體邊緣上的一個點上并以接近90°的角度發(fā)散，大部分發(fā)散到探測角度以外，在測量中也可忽略。LPA10激光雨滴譜儀是一個以平行光消光為原理的非成像光學測量系統(tǒng)，不僅避開了成像系統(tǒng)物距和透鏡焦點之間的相關問題，而且水滴的透鏡效應產(chǎn)生的折射、透射光產(chǎn)生的影響對量程內(nèi)的尺度測量影響甚微。LPA10激光雨滴譜儀的光學原理與Parsivel類似，采用發(fā)射端產(chǎn)生脈沖激光、接收端以接收激光線長上全部激光能量累積和作為探測基礎。由于粒子探測原理是基于單個降水粒子遮擋接收激光能量強度最大值與被測粒子直徑成正比例關系，因此是不能確定降水粒子所處測量區(qū)域中具體位置的。由測量原理局限性導致該類激光雨滴譜儀不能區(qū)分多個粒子是否重疊以及粒子是否處于采樣區(qū)邊緣。但是，降水粒子重疊或邊緣截斷會對直徑測量值產(chǎn)生較大的測量偏差，進而導致粒子速度測量值與相應尺寸粒子的理論速度產(chǎn)生較大的偏差，從而可通過質量控制進行濾除。另外，該雨滴譜儀的粒徑測量原理不是基于傳統(tǒng)線陣CCD成像原理，不是通過成像判定粒子尺寸，不能識別雨滴形變，只能測量雨滴形變的長軸[16］，并通過雨滴長短軸的經(jīng)驗關系對其他形變參數(shù)進行修正。

LPA10的激光接收窗口帶有激光增透膜，對工作的660 nm波長激光增透，對中心波長兩側波長的光產(chǎn)生衰減，從而實現(xiàn)降低外界光線造成的影響。而外界自然光線以及激光器自身綜合形成的背景噪聲，則淹沒在脈沖激光的眾多激光能量脈沖尖峰抖動中。由于相鄰激光能量脈沖電壓幅度差小于8 mV，而設備測量最大量程為3 V。假如以8 mV作為最大背景噪聲值進行計算，其能量脈沖抖動折算出的虛擬降水粒子最大直徑為0.08 mm。因此背景噪聲影響都淹沒在測量范圍之外的0.1 mm粒子以下，通過參數(shù)設定不予測量。另外，LPA10采用動態(tài)能量基準[17]、激光測量光柵[18]等專利技術，解決了一般激光雨滴譜儀由于激光透射窗口沾水、附著灰塵和空氣中有霧霾顆粒等造成測量精度降低的問題。使其在強降雨的情況下，仍可保持較好的測量精確度。

2.2 技術參數(shù)對比

表1給出了LPA10激光雨滴譜儀與國際流行的Parsivel系列（Parsivel與Parsivel2在測量基本參數(shù)、尺度范圍和數(shù)據(jù)分級方面保持一致）激光雨滴譜儀主要性能參數(shù)的數(shù)據(jù)。從表1中數(shù)據(jù)可知：在采樣區(qū)域上，LPA10比當前流行的1D激光雨滴譜儀更大；在粒子尺度測量范圍上，LPA10較之更廣；在粒子尺度分級上，LPA10較之更多。其中，采樣區(qū)域參數(shù)表征著激光雨滴譜儀在降水空間的一個抽樣。理論上，采樣區(qū)域越大測量越能反映真實情況。參數(shù)的提升需要用實踐來檢驗——實驗室檢驗和降水實際觀測檢驗。

表1 LPA10激光雨滴譜儀與國際流行激光雨滴譜儀參數(shù)對比Table 1 Comparison of main parameters between LPA10 laser disdrometer and an international popular laser disdrometer

表2和表3分別給出了LPA10和Parsivel在其測量范圍內(nèi)粒子尺度分級的詳細說明。從表1和表2中可知，LPA10的標稱測量尺度范圍是0.1～30 mm，在0.0～30 mm的區(qū)間上用64個不同的尺度等級表示；將粒子的尺度分成4組，4個組的分辨率分別是0.125，0.25，0.5，1.0 mm。從表1和表3中可知，Parsivel的標稱粒子測量尺度范圍是0.2～26 mm，在0.0～26 mm的區(qū)間上用32個不同的尺度等級表示；將粒子的尺度分成6組，6個組的分辨率分別是0.125，0.25，0.5，1.0，2.0，3.0 mm。

表2 LPA10尺度測量等級分級Table 2 Size classifications of LPA10

表3 Parsivel尺度測量等級分級Table 3 Size classifications of Parsivel

經(jīng)過對比可以得出，LPA10有以下三個方面的優(yōu)勢：

1）分辨率高。LPA10在2.0 mm以下的分辨率是0.125 mm；Parsivel在1.25 mm以下的分辨率是0.125 mm；LPA10在2～6.0 mm的分辨率是0. 25 mm；Parsivel在2.5～5.0 mm以下的分辨率是0.5 mm；LPA10的最大分辨率是1.0 mm，Parsivel的最大分辨率是3.0 mm。

2）測量范圍大，對小粒子和大粒子的測量能力強。LPA10的標稱測量范圍為0.1～30 mm的粒子尺度；而Parsivel的標稱測量范圍為0.2～26 mm。

3）粒子尺度分級多。LPA10的粒子尺度分為64級，而Parsivel僅32級。分級多表征數(shù)據(jù)分辨率高，測量數(shù)據(jù)不確定性小，測量準確率更高。

2.3 實驗室靜態(tài)評估

實驗室靜態(tài)評估方法采用0.1～30 mm標準尺度鋼珠作為尺度檢測標桿。分別對LPA10和Parsivel設備做固定高度自由落體投放測試。鋼珠具體尺度詳見表4，尺度精度為0.01 mm。

表4 標定使用的標準尺度鋼珠Table 4 Standard size calibration steel balls

圖2是在相同條件下，選取表4所列的41種不同尺度的鋼珠作為尺度測試對象，分別對LPA10和Parsivel每個尺寸粒子進行10次測試，得出的關于粒子尺度等級的測試數(shù)據(jù)。圖2中的橫坐標表示粒子尺度的期望值，縱坐標表示兩種雨滴譜儀對粒子尺度的測量值。圖中的矩形框的右邊線表示粒子的實際尺寸，矩形框的縱向尺寸表示測量數(shù)據(jù)的不確定性，即矩形框的縱向尺寸越大，表示粒子尺度的不確定性越大。矩形框的橫向尺寸表示10次測量數(shù)據(jù)的一致性，即矩形框的橫向尺寸越大，測量的一致性越好，每次測量結果在橫向上的長度為橫向總長度的十分之一。圖中藍色和紅色矩形表示LPA10產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)，藍色和紅色矩形的尺度定義參見表2；圖中黑色和綠色矩形表示Parsivel產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)，黑色和綠色矩形的尺度定義參見表3。藍色和黑色矩形表示測試數(shù)據(jù)偏離期望值較小，紅色和綠色矩形表示測試數(shù)據(jù)偏離期望值較大。

圖2 LPA10和Parsivel標準鋼珠測試Fig. 2 Comparing tests with standard steel balls between LPA10 and Parsivel

雨滴譜儀的尺度等級產(chǎn)品是按表2和表3對粒子尺度進行等級分級。下面是對鋼珠測量過程中由于尺度分級帶來的分級誤差分析。從圖2a、圖2b可以得出，LAP10可測量的大粒子尺寸可達28.6 mm，而Parsivel激光雨滴譜儀最大測量粒子尺寸為26 mm。從圖2c、圖2d可以得出， LAP10可測量0.1 mm以上尺寸的粒子，而Parsivel僅能對大于0.4 mm的粒子進行測量。分析圖2，可以得出LAP10在粒子尺寸0.1～2.0 mm時，測量誤差為0.25 mm；在粒子尺寸2.0～6.0 mm時，測量誤差為0.5 mm；在粒子尺寸6.0～14.0 mm時，測量誤差為1.0 mm；在粒子尺寸為14～28.6 mm時，測量誤差為2.0 mm。而Parsivel在粒子尺寸0.4～1.0 mm情況下，測量誤差為0.25 mm；在粒子尺寸為1.0～5.0 mm時，測量誤差為0.75 mm；在粒子尺寸為5.0～10.0 mm時，測量誤差為2.0 mm；在粒子尺度為10.0～19.0 mm時，測量誤差為4.0 mm；在粒子尺度為20～26.8 mm時，測量誤差為5.0 mm。當粒子尺度小于1 mm時，LPA10和Parsivel具有同樣的測量誤差，都為0.25 mm；當粒子尺度大于1 mm時，LPA10的測量誤差明顯小于Parsivel。在大粒子情況下，LPA10的最大測量誤差為2 mm，Parsivel的最大測量誤差為5 mm。

2.4 強降雨時的對比觀測

圖3記錄了2016—2017年在北京永豐的3次降水量較大的降水過程。降水過程全程采用LPA10雨滴譜儀、Parsivel雨滴譜儀和SL3-1翻斗式雨量計三種設備進行對比觀測。雨量計作為目前地面觀測降水量的主流業(yè)務設備，國標中規(guī)定翻斗式雨量計測量精度最大允許誤差為±4%[19]。以雨量計作為雨滴譜儀的測量降水量的對比并進行誤差統(tǒng)計。

從圖3中的累積降水量上可以看到，LPA10在降水全過程累積降水量與雨量計測量值相接近，偏差較??；Parsivel在降水前期與雨量計比較接近，在降雨過程中后期測量值偏大，降水結束時與雨量計偏差較大。從圖3中的小時降水強度上可以看到，在整個降水過程中，LPA10的小時降水強度與雨量計的小時降水強度相差比較小；當降水強度達10 mm/h以上時，Parsivel測量值較雨量計偏大，尤其是在2016年7月20日的13時，40 mm/h以上的降水強度時，測量值嚴重偏大，偏差為38.36%。表5是對上述三場降雨的累積誤差分析，Parsivel由于大尺度粒子測量偏差較大導致累積后的降水量偏差越大，Parsivel的測量絕對偏差在7.80%～34.32%；LPA10與雨量計的絕對偏差在0.28%～4.72%。

圖3 LPA10、Parsivel和SL3-1雨量計對比觀測Fig. 3 Comparing observation among LPA10, Parsivel and SL3-1 rain gauge

表6是廈門地區(qū)和廣州地區(qū)在2016—2017年雨季記錄完整的幾次降雨過程。對比設備為LPA10激光雨滴譜儀和所在觀測站的翻斗式雨量計。從該表中誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，在強降雨中，LPA10與雨量計測量值較為接近，整體上絕對值誤差在10%以內(nèi)，絕大部分在絕對值5%以內(nèi)。

2.5 弱降雨時的對比觀測

表7記錄了2016—2017年在北京永豐使用LPA10、Parsivel和SL3-1翻斗式雨量計，三種設備對比觀測累積降水量在20 mm以內(nèi)的多次弱降水數(shù)據(jù)。由于翻斗式雨量計的最小測量分辨率為0.1 mm，濕潤損失小于0.5 mm；而LPA10和Parsivel激光雨滴譜儀可以監(jiān)測小到0.001 mm/h強度的弱降水，并可輸出精確到0.01 mm的累積降水量。當累積降水量小于1 mm時，雨量計的測量誤差大于10%，此時雨滴譜儀與雨量計的誤差對比意義不大。在表7中序號2～10次降水中，雨量計的測量范圍在5.9～17.6 mm。LPA10與雨量計的終點絕對值誤差在0.68%～6.83%；Parsivel與雨量計的終點絕對值誤差在2.29%～25.06%。Parsivel如除去誤差較大第2項，Parsivel與雨量計的終點絕對值誤差在2.29%～6.78%，此時Parsivel和LPA10的測量誤差數(shù)值相仿。在一般降水的誤差分析表明：LPA10和Parsivel絕對值誤差大部分都在5%左右，與雨量計的測量數(shù)值較為接近。

表5 2016—2017年北京永豐LPA10、Parsivel與雨量計強降雨對比觀測Table 5 Comparing observations for heavy rainfall among LPA10, Parsivel and the rain gauge in Yongfeng for 2016-2017

表6 2016—2017年廣州和廈門地區(qū)LPA10與雨量計強降雨對比觀測Table 6 Comparing observations between LPA10 and rain gauge in Gangzhou and Xiamen for 2016 - 2017

表7 2016—2017年北京永豐LPA10、Parsivel與雨量計一般降水對比觀測Table 7 Comparing observations for normal rainfall among LPA10, Parsivel and the rain gauge in Yongfeng for 2016-2017

2.6 強降雨時雨滴譜對比觀測

圖4記錄了位于北京永豐2015年7月22日的一次短時強降水過程中LPA10和Parsivel的滴譜對比觀測情況。圖中橫坐標為粒子直徑，單位為mm；縱坐標為粒子速度，單位為m/s；顏色表示粒子濃度范圍數(shù)，單位為個；背景參照的“直徑vs速度理論曲線”為Atlas-Ulbrich修正曲線（下文簡稱“理論曲線”），它表征不同粒徑的降水粒子與終端速度關系，可作為滴譜分析的參照曲線。

本次降雨風雨交加，記錄了強降雨過程中雨滴譜儀的激光透射窗口被淋或濺射到雨水后對滴譜觀測的影響情況。圖4a、圖4b分別為LPA10和Parsivel在19:06的分鐘雨滴譜：兩設備傳感器狀態(tài)位“0”，表示狀態(tài)良好，激光透射窗口均未沾水；降水粒子直徑分布在0.2～6 mm；降水粒子的直徑、速度和數(shù)量的滴譜圍繞著理論曲線分布，呈現(xiàn)出中間粒子密集兩側逐漸稀疏的分布趨勢；除圖4b的個別粒子外，其余粒子最大速度值都在11.2 m/s以內(nèi)。圖4c、圖4d為兩設備傳感器狀態(tài)位“1”，表示激光透射窗口沾水，即LPA10和Parsivel分別在19:15和19:09先后激光透射窗口沾水的分鐘雨滴譜，兩圖中畫圈的粒子為因窗口沾水造成的干擾粒子。雨滴譜儀的激光透射窗口沾水后會造成大粒子區(qū)域滴譜發(fā)散，呈現(xiàn)嚴重背離理論曲線的趨勢。圖4e、圖4f的設備傳感器狀態(tài)位仍然為“1”，表示在19:29兩設備窗口沾水持續(xù)一段時間后受影響的滴譜情況。通過理論曲線可知，6 mm雨滴的理論終端速度約為9.6 m/s。圖4e的滴譜緊湊地圍繞理論曲線分布，最大粒子速度在12.8 m/s左右，圖譜形狀與圖4a類似，表明窗口沾水影響較小。圖4f的滴譜較為發(fā)散地圍繞理論曲線分布；2 mm以上粒子速度大于12 m/s；6 mm左右的粒子速度大于16 m/s；最大粒子直徑為10 mm；最大粒子速度大于18 m/s；通過滴譜觀察到Parsivel在窗口沾水后雨滴直徑和速度均被測大，測量誤差極大。

3 結論

圖4 LPA10（a、c、e）和Parsivel（b、d、f）強降雨的雨滴譜對比觀測Fig. 4 Comparison of the Drop Spectrum during heavy rain between LPA10 (a, c, e) and Parsivel (b, d, f)

LPA10激光雨滴譜儀采用接收能量與消光粒子能量對應成比例的原理，避開了由于光學成像測量系統(tǒng)帶來的背景輻射、雨滴形變以及雨滴的透鏡效應等諸多干擾因素，使得降水粒子測量簡單準確。經(jīng)過實驗室對比檢驗、降雨量和雨滴譜的實際對比觀測，LPA10在測量參數(shù)和探測性能方面表現(xiàn)較為出色：

1）測量面積大（63 cm2）；測量范圍廣（0.1～30 mm）；尺度分級細（64級）；測量數(shù)據(jù)的不確定性小。

2）降水量測量精度與雨量計偏差小，尤其是在強降雨情況下，整體絕對偏差在10%以內(nèi)，大多數(shù)情況下絕對偏差在5%以內(nèi)。

3）配備供臺站使用的標定裝置可為觀測數(shù)據(jù)的可信性提供幫助。