基于激光雨滴譜儀的降雨特征研究

陳鳳琴，韓合忠，耿靈生，岳瀟靜

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟(jì)南 250001)

基于激光雨滴譜儀的降雨特征研究

陳鳳琴1,2，韓合忠1,2，耿靈生1,2，岳瀟靜3

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟(jì)南 250001)

雨滴譜；激光雨滴譜儀；降雨動能；雨滴總動能

激光雨滴譜儀的應(yīng)用對于更清楚地認(rèn)識自然降水的發(fā)展演變過程具有重要意義。利用激光雨滴譜儀記錄不同模擬降雨條件下的降雨特征，分析雨滴譜，計算雨滴動能，并與自動氣象站的測量降雨裝置進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，激光雨滴譜儀測量值相對于自動雨量計測量值整體偏低，但兩者觀測到的每分鐘降水量變化趨勢基本一致。雨滴譜分析結(jié)果顯示，雨滴平均直徑與總動能、雨強相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；雨強與降雨總動能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻(xiàn)最大，占總動能的99%以上；5 min總動能與5 min雨強之間關(guān)系密切。

1 激光雨滴譜儀簡介

激光雨滴譜儀由內(nèi)置數(shù)據(jù)采集器、操作軟件、防風(fēng)部件、支架等組成，所有數(shù)據(jù)均以RS485協(xié)議傳輸，再通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接到其他設(shè)備。它是應(yīng)用激光原理對高速運動物體進(jìn)行測定，可測定運動物體的總量、大小、強度和運動速度，尤其是對微小物體的測定，測定對象最小直徑可達(dá)0.16 mm。它可以測量最小0.005 mm/h、最大250 mm/h雨強的降水；可以監(jiān)測區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球，以及各種介于雪花和冰雹之間的降水；可以計算各種降水類型的強度、總量、能見度，并且進(jìn)行必要的分析，繪出雨滴譜圖；還可以對氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。目前，激光雨滴譜儀廣泛應(yīng)用于交通控制、氣象監(jiān)測與服務(wù)、科學(xué)研究、機(jī)場觀測、公路氣象監(jiān)測、水文地理學(xué)等領(lǐng)域。

2 激光雨滴譜儀與自動雨量計降雨量測量值比較

為了解激光雨滴譜儀在降雨量測量方面的準(zhǔn)確性與可靠性，在多次模擬降雨過程中，采用激光雨滴譜儀與自動氣象站降雨測量裝置——自動雨量計同步觀測降雨量，并進(jìn)行比較分析。兩種儀器均置于同一位置(把自動雨量計放在激光雨滴譜儀下方，以消除降水不均勻引起的測量誤差)，認(rèn)為兩種儀器在觀測過程中空間和時間上的差異可以忽略。

對不同雨強下11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀和自動雨量計測量數(shù)據(jù)(1 min降雨量)進(jìn)行分析，測量雨強范圍為10～81 mm/h，觀測到的降雨量變化趨勢基本一致，但激光雨滴譜儀精度更高，可以保留到小數(shù)點后兩位，自動雨量計僅保留小數(shù)點后一位。同時，激光雨滴譜儀測量值相對于自動雨量計測量值存在整體偏低的情況，特別是30～60 mm/h雨強時，呈現(xiàn)出雨強越大，兩者測量值偏差越大的情況，這主要是由雨量計的殘水誤差引起的；60～81 mm/h大雨強時，長時間降雨條件下，兩儀器測定的降雨量幾乎無差別；20～30 mm/h雨強時，激光雨滴譜儀測量的降雨量數(shù)值比自動雨量計大，但自動雨量計測量值的變異系數(shù)比激光雨滴譜儀測量的大?？偟膩碚f，自動雨量計測量的降雨量平均值和變異系數(shù)較激光雨滴譜儀測量的大，但兩者降水量趨勢變化基本一致。當(dāng)然，要詳細(xì)了解兩種儀器在測量降雨量準(zhǔn)確度上的差異，還需要收集大量樣本進(jìn)行論證，特別是自然降雨情況下的比較。

3 激光雨滴譜儀的應(yīng)用

3.1 雨滴譜分析

反映雨滴譜特性的參數(shù)主要有雨滴的直徑、組成分布、降落速度和動能[1]。雨滴直徑的大小，決定了降落雨滴的質(zhì)量和速度的大小，從而決定了雨滴所具有動能的大小，因此測量雨滴直徑是重要的。但是雨滴在下落過程中的大小形態(tài)是不規(guī)則的，測量其大小分布狀況在技術(shù)上很難實現(xiàn)。傳統(tǒng)的雨滴譜測量是通過人工采集大量的雨滴特性參數(shù)數(shù)據(jù)，對雨滴的直徑進(jìn)行統(tǒng)計分類。該過程繁復(fù)耗時，實時性差，往往存在很大的誤差。激光雨滴譜儀實現(xiàn)了雨滴譜測量的自動化，能實時地給出雨滴譜測量曲線，對降水粒子進(jìn)行統(tǒng)計分類，并給出瞬時降雨強度及累積降水量，這對研究降水過程、降水動能，并指導(dǎo)人們提前預(yù)防洪澇災(zāi)害等極端惡劣天氣具有非常重要的意義。

3.2 雨滴動能計算

降雨動能是表征降雨侵蝕能力的一個重要指標(biāo)，廣泛地用于土壤侵蝕模型研究[2]。運用降雨動能經(jīng)驗公式只能給出一定條件下的平均狀況，而無法對不同地形條件下降雨動能的變異性和空間分布的不均衡性做出合理的估算，而基于雨滴譜函數(shù)和降雨微觀過程的計算模型，可以研究和分析坡度、風(fēng)速、風(fēng)向等外界條件對降雨動能計算的影響[3]。激光雨滴譜儀可以測出每分鐘降雨量下的雨滴速度、雨滴直徑和雨滴數(shù)量，得出雨滴譜圖表，再根據(jù)雨滴譜圖表計算出雨滴動能。

對不同雨強下11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀測量的1 min降雨量進(jìn)行分析計算，計算出雨強在36.49～45.46 mm/h之間共48 min的每分鐘雨滴動能、不同直徑雨滴數(shù)量，并對不同直徑雨滴對動能的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。這48組數(shù)據(jù)平均雨強為39.25 mm/h，雨滴平均直徑為0.47 mm，雨滴數(shù)量約12 128個/min?？紤]到雨滴直徑過大、過小都不易發(fā)生強烈擊濺，所以對直徑0.25～6.00 mm的雨滴進(jìn)行分析。

(1)對每分鐘采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。雨滴平均直徑與總動能、雨強相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.729；雨強與降雨總動能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.831、0.826；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻(xiàn)最大，占總動能的99%以上。

(2)整理每5 min數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。雨滴平均直徑與5 min總動能、5 min雨強相關(guān)性不顯著；雨強與降雨總動能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.850、0.804；5 min總動能受陣風(fēng)風(fēng)速影響較大，兩者呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.848；對5 min總動能與5 min雨強之間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析(圖1)，結(jié)果表明5 min總動能與5 min雨強關(guān)系密切。

4 結(jié) 語

利用激光雨滴譜儀記錄不同模擬降雨條件下的降雨特征，分析雨滴譜，計算雨滴動能，并與自動氣象站的測量降雨裝置進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：

(1)利用11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀與氣象站雨量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測量雨強范圍為10～81 mm/h，結(jié)果顯示，存在激光雨滴譜儀測量值相對于自動雨量計測量值整體偏低的情況，但兩者觀測到的每分鐘降雨量變化趨勢基本一致。

(2)整理激光雨滴譜儀測量數(shù)據(jù)，對模擬降雨條件下每分鐘采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：雨滴平均直徑與總動能、雨強相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；雨強與降雨總動能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻(xiàn)最大，占總動能的99%以上。對每5 min整理數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，5 min雨滴總動能與5 min雨強之間關(guān)系密切。

[1] 徐文靜,蘇德斌,伽麗麗,等.利用激光降水粒子譜儀觀測北京夏季雨滴譜特征[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,1(3):49-56.

[2] 蔡麗君,王國棟,張社奇.黃土高原降雨雨滴動能的分布律[J].水土保持通報,2003,23(4):28-29.

[3] 馬延,周成虎.基于雨滴譜函數(shù)的降雨動能理論計算模型[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2006,16(10):1251-1256.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

水利部“948”項目(201029)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201101057)；2012年山東省水利科研與技術(shù)推廣課題(SDSLKY201201)；山東省省級水利科研與技術(shù)推廣項目(SDSLKY201504)；山東省水利科學(xué)研究院自選課題(魯水科〔2013〕41號-5)

P426.62

A

1000-0941(2017)02-0042-02

陳鳳琴(1979—)，女，山東成武縣人，工程師，碩士，主要從事水土保持及水生態(tài)方面的研究工作。

2016-03-15