激光降雨光譜儀在較強降水觀測中的應用

氣藏氣測實驗圖瑞爾-palsivl激光雨譜儀（以下簡稱palsivl）利用消光測量原理和激光技術觀測降水。與之前的降水能量譜測量方法、過濾紙染色法、面粉球法、高速攝影法等相比，1-21-2。該儀器已實現無人值守,自動記錄,并可以在任何天氣下作業［3］。冰凍天氣下,儀器自帶的一體化加熱裝置可以把天氣對儀器測量的負面影響降到最低,較好的解決了自動測量難題［4］。其不足之處是大雨天氣狀況下,對于相互重疊的雨滴無法識別,樣本數太大超過計數器上限將飽和溢出［5］,實際采樣面積較小等。現階段,自動站系統是氣象觀測的重要組成部分［6］,其中SL3-1型雨量傳感器(以下簡稱雨量計)用于測量液態降水量和降水強度,是區域自動氣象站的重要傳感器之一［7］,其分辨率高,測量精度較高［8-9］,為精細化天氣預報提供密集的氣象信息。1儀器介紹1.1工作原則1.1.1降水粒子的測量和修正Parsivel是一種以激光為基礎的高級光學粒子測量儀［5］,通過下降的降水粒子對激光帶的遮擋來計算和測量降水粒子尺寸和下降速度,可實時監測降水類型、降水粒子數密度、降水強度和累積降水量等［10］。儀器的核心是一個光學傳感器,主要由激光發射端、激光接收端及相應的電路等組成,該傳感器能夠發射平行的激光束(長180mm,寬30mm,高1mm)。其測量原理是:開機運行狀態下,激光發射端產生一束水平平直的激光,接收端接收激光并把它轉化成電信號。當測量區域內沒有降水粒子通過時,激光接收端輸出的電壓是連續的固定值。如果測量區域內有降水粒子通過,因其在通過激光光束的采樣空間時,會遮擋一部分激光光束,消光作用將使激光光束的強度減弱,激光接收端輸出的電壓降低,形成電壓波谷,這時可以根據電壓偏離固定值的幅度,計算出降水粒子的直徑D,而根據遮擋住激光光束的時間△t可以計算出降水粒子的降落速度Vt［4］。由Parsivel快速記錄的每一個降水粒子的尺度和速度,會通過一臺裝有其配套軟件ASDOV1.1的電腦對降水粒子的譜進行分析統計,將結果以圖表的形式顯示,進而得出累積參數［5］。儀器的主要技術指標如表1所示。Parsivel能夠測量最大尺寸為25mm的粒子,如表1所示,根據非等距間隔共分為32個尺度通道,能夠測量的最大速度為20m/s,同樣,根據不同速度間距共分為32個速度通道［11］。因此,每次采樣間隔內獲得的粒子譜數據為32×32=1024個。儀器設計時考慮了雨滴形變［11-12］。因此,儀器輸出的數據是對粒子形變修正后再進行計算得到的。為了減小可能的設備誤差,數據處理時,一些學者提出了進一步修正的方法:當粒子的等效球體直徑小于1mm時,雖然會發生形變,但粒子仍被假定為球形［13］;當粒子的等效球體直徑為1~5mm時,粒子被假定軸比(粒子高度和寬度的比)為1~0.7的扁球體;當粒子的等效球體直徑大于5mm時,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、計量翻斗、計數翻斗和干簧管等組成。降水從承水器進入雨量計最終到達計量翻斗,當計量翻斗承受的降水量為0.1mm時,計量翻斗把降水傾倒到計數翻斗,作用計數翻斗翻轉1次,輸出0.1mm降水量。傳感器計量精度±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氣象海洋學院內長望樓樓頂,地理位置為(31.97°N,118.28°E),海拔29m;雨量計位于Parsivel西南方向的自動氣象站觀測場內,距Parsivel的水平距離約129m,方位角約為69.5°。2累積降水與雨量計的絕對偏差表2所示為文中選取的2012年4次降水過程。為了更好的分析降水過程的細節變化,了解歸納較短時間區間內降水特征,本文中所采用的Par-sivel和雨量計的觀測資料均為分鐘降水觀測記錄資料。依據4次降水過程中Parsivel和雨量計觀測記錄數據,計算得到過程累積降水總量及其相對誤差,同時計算了從降水開始,每過10min兩種儀器輸出的累積降水量的相關系數(降水結束前不足10min,處理數據時當作10min),結果如表3所示。表3給出了4次降水過程中Parsivel和雨量計的累積降水總量測值及其偏差分析和顯著性檢驗。從表3中的對比分析結果,可以發現4次降水過程,由Parsivel測得的累積降水總量均大于雨量計的測值,但兩者相差不大,相對偏差位于13%~22%之間,Parsivel測值存在著系統性偏高;同時,每次降水過程中,由Parsivel和雨量計每10min輸出的累積降水量所構成兩組數組,其相關系數均在0.9927以上,在0.01顯著性水平下,具有明顯的相關性。其中7月3日的降水,由Parsivel和雨量計測算得到的平均降水強度分別為40.87mm/h、34.85mm/h,是一次大的暴雨過程,兩種儀器測得的累積降水總量絕對偏差最大,其次為7月7日的降水,由Parsivel和雨量計測算得到的平均降水強度分別為9.6mm/h、10.65mm/h,是一次大雨過程。可見,降水強度越大,Parsivel與雨量計的絕對偏差也越大,這主要是因為:(1)降水強度較大時,速度較快,降落到雨量計上會產生飛濺,飛濺的降水并沒有最終進入計數翻斗,從而導致雨量計的測值比實際值偏低;(2)降水強度較大時,雨滴數目較密,降水粒子經過Parsivel時可能會相互遮擋,此時儀器會自動把小粒子當作大粒子來處理;(3)通常強降水時,雨滴大,粒子形變可能比較嚴重,從而高估雨強。根據球體體積公式可知,球形粒子體積和直徑有著3次方的關系,一個直徑為2D的降水粒子其體積最大可達到兩個直徑同為D粒子體積和的4倍,粒子的相互遮擋會導致系統識別的大粒子偏多,小粒子偏少,總的粒子體積偏大,因此Parsivel測得累積降水量會比實際值偏高。實驗中發現,在7月3日降水中確實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。這部分粒子的出現很可能是由粒子的相互遮擋導致儀器產生誤判而造成的［16］。為了進一步對比Parsivel和雨量計的測值,下面我們著重分析每次降水過程中各個時次的累積降水量和降水強度。2.1parsingl和雨量計觀測結果比較圖2中的4幅圖分別對應4次降水中由Par-sivel和雨量計所測過程累積降水量的變化趨勢。可以看出,兩種儀器觀測值走勢基本一致,具有較好的一致性,但是Parsivel觀測到的累積降水量始終都要高于雨量計;此外,圖中分析還可以發現,每次降水開始階段,雨量計對降水的響應時間明顯滯后Parsivel,如6月28日的降水過程,雨量計滯后Par-sivel的時間長達17min。2.2雨量計對降水的影響Parsivel每個時次的降水強度可以直接從儀器輸出值中讀得;雨量計每個時次的降水強度可以由分鐘平均降水量計算得出:即降水強度(mm/h)=60×分鐘平均降水量(mm/min)。圖3分別對應4次降水中由Parsivel和雨量計所測過程降水強度的變化趨勢。從圖3可以看出,降水強度較大時刻,兩種儀器的所測值偏差也較大,降水強度較小時刻,兩者的測值就比較接近。強度較小的降水過程,雨量計所測降水強度與時間關系在圖中呈現多峰結構。雨量計對降水的響應明顯落后于Parsivel,6月28日的降水中,降水強度從開始到結束一直較小,雨量計滯后Parsivel的時間較長,6月30日的大雨過程和7月3日的暴雨過程,這兩次降水從一開始強度就非常大(見表4),雨量計滯后Parsivel的時間很短。從表4中可以看出,滯后時間的長短主要是由降水初始階段降水強度決定的。對比第1次和第2次降水,其中第1次降水前20min內的平均降水強度小于1mm/h,直到Parsivel檢測到降水后的第28分鐘雨量計才開始出現降水記錄;而第2次降水剛開始強度就很大,前3min和前4min的平均降水強度均超過了20mm/h,分別為21.919mm/h,23.628mm/h,Parsivel檢測到降水后的第5分鐘雨量計便出現了降水記錄。第3次降水亦然。從以上分析可以看出Parsivel相比于業務上應用成熟的雨量計具有反應時間短,靈敏度高的特點,若將其推廣應用在自動觀測場站,將會為極端天氣及時預報和防災減災爭取更多的有效時間,減少生命財產損失。3種方法對于parsingl和雨量計的器測偏差率影響分析由于雨量筒故障導致第3次降水過程中人工觀測數據丟失,故無法進行對比分析,文中分別將6月28日、6月30日和7月7日3次降水中Parsivel和雨量計測得累計降水總量與人工使用雨量筒觀測的數據進行了對比,如表5所示,Parsivel的器測偏差明顯大于雨量計,雨量計的測值非常接近人工觀測值(見圖4),其相對于人工觀測的偏差率均在10%以下,而Parsivel的測值明顯高于人工觀測值,偏差率均在15%以上。激光雨滴譜儀和雨量計均表現出與平均降水強度呈正相關的態勢,即平均降水強度越大,器測偏差率也越大。第4次降水是一次大雨過程,Parsivel測值的偏差率高達32.92%,測值明顯偏高,分析其原因,主要有兩點:此次降水時間短,強度大,過程中出現降水粒子的相互遮擋,從而使儀器產生誤判,可能造成測值偏大;其次,降水中雨滴形變較大,也可能導致Parsivel測值偏高。而第1次降水為小雨過程,Parsivel和雨量計的器測偏差率均較小。畢竟翻斗式雨量計已經經過長期的對比觀測效驗而成為業務觀測儀器,而Parsivel尚未進行系統性長期對比實驗。4累積降水量觀測與雨量計的關系本文選取了南京地區2012年6、7月份中4個典型的降水個例,對Parsivel激光雨滴譜儀和SL3-1翻斗式雨量計觀測數據(累積降水量和降水強度)進行了對比分析,同時將兩種儀器觀測所得累積降水總量與人工雨量筒觀測數據作了對比,得出以下結論:(1)Parsivel在對較強降水的觀測中其測值是可信的,在累積降水量觀測上,其與雨量計具有很好的相關性。(2)Parsivel對累積降水量的觀測出現系統性偏高,降水過程平均強度越大,兩種儀器的偏差也越大。主要是因為隨著降水強度的加大,粒子相互遮擋的概率也會增加,系統會把相互遮擋的小粒子當作大粒子來處理。(3)在降水強度較大時刻,兩種儀器測得的降水強度值偏差較大,在降水強度較小時刻,兩者的測值比較接近。(4)雨量計對降水觀測的反應時間明顯滯后于Parsivel,且滯后時間的長短主要由降水初始階段的平均降水強度決定。若降水初始階段平均雨強較小,則雨量計滯后時間較長;反之,滯后時間較短。因此,對于降水總時長的判斷雨量計將顯著縮短。(5)將Parsivel和雨量計觀測的累積降水總量與人工觀測值相比較,雨量計的測值接近人工觀測值,Parsivel的器測偏差明顯大于雨量計。兩種儀器的器測偏差率與平均降水強度均呈正相關關系,因此,可以判斷激光雨滴譜儀在大雨的時候有顯著的正偏差。5設定采樣周期結合本次實驗結論以及Parsivel在廬山氣象局業務上使用所得經驗,給出有關Parsivel激光雨滴譜儀使用及后期數據處理的3點建議:(1)為了避免降水粒子與樹枝、建筑物等遮擋物發生碰撞產生嚴重的形變,儀器應架設在無遮蔽物的開闊地帶。(2)本次實驗中,由于所使用的Parsivel激光雨滴譜儀長期處于無人值守的狀態,所以在任何情況下,數據采樣周期恒定為60s。但實際業務操作中,為了保證采樣的準確性和可靠性,采樣周期應隨著降水強度的不同而改變。通過長期對降水個例的統計分析,我們認為由于小雨和中雨降水強度不大,采樣周期應當長一些,以保證有較豐富的樣本進行數據分析,一般設定在30~60s;由于大雨和暴雨降水強度很大,單位時間、單位體積內的粒子數較多,采樣周期應當短一些,避免計數器飽和產生溢出計算錯誤,一般設定在10~20s。若儀器長期處于無人值守的狀態,在必須設定固定的采樣時間情況下,可以根據儀器所處地理位置不同而設定,位于東部沿海地區的儀器采樣周期設定30s為宜,而位于中西部內陸的儀器采樣周期可設定為60s。(3)雨強較大時,降水粒子經過Parsivel的平行激光帶時,可能會產生粒子相互遮擋,儀器會自動把小粒子當作大粒子來處理,這一類粒子表現出來的特征就是直