雨滴譜探測技術發展及應用概述

萬和躍　濮江平　劉思瑤

摘 要：雨滴譜的測量研究由來已久，尤其是在最近30年中得到了迅速發展。該文簡要回顧了國內外雨滴譜的研究歷史以及早期的人工觀測方法，并簡要介紹了目前國內使用較多的Parsivel激光降水粒子譜儀，分析了其相比于傳統觀測手段的優勢。另外，文中重點分析了雨滴譜的應用，即在雷達測雨方面，可以用來擬合更準確的Z-I關系，提高雷達測雨的準確性，在人工影響天氣方面，一方面可用作人工增雨的依據；另一方面可用以檢驗人工影響天氣的效果。

關鍵詞：雨滴譜 激光雨滴譜儀 雷達 降水，人工增雨

中圖分類號：F416 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0166-02

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

目前，對雨滴譜的觀測已成為云和降水物理觀測的重要項目之一，在氣象、水文及相關學科領域都有十分重要的應用價值。通過對雨滴譜的觀測研究，可以了解降水的微物理結構及其參量的演變規律，更重要的是它還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關系。另外，雨滴譜的研究在雷達氣象，人工影響天氣，邊界層陸面過程，氣溶膠等諸多領域中也發揮著不可替代的作用。

1 雨滴譜探測研究發展

雨滴譜的測量研究由來已久，國外的科研人員早在19世紀90年代就開始關注雨滴譜的觀測，并且在此以后陸續提出了一系列的測量雨滴尺度分布的方法[1]。

我國從20世紀60年代開始對雨滴譜進行觀測和研究。1962年中國科學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觀測，得出了我國云霧降水微結構的一些重要特征[2-3]，這些研究成果在對我國云霧降水過程的了解提供一定幫助的同時，也拉開了我國的云雨滴譜觀測的序幕。70年代末，國內學者分別在東北平原、長江流域、西北高原等地進行了雨滴譜的觀測與研究工作，80年代以來，雨滴譜的研究工作不斷在各地展開[4]。尤其是近年來，隨著激光雨滴譜儀等一系列新儀器的引進和對云物理降水過程的關注，大量不同地區、不同類型云降水的雨滴譜分布特征被總結發現，進一步推動了雨滴譜研究的深入。

1.1 早期人工觀測

早期用于分析雨滴尺寸和分布的方法主要有：動力學方法、斑跡法、面粉法、照相法和浸潤法等。但因各種原因，早期的觀測方法普遍存在測量精度不高，效率較低，測量實時性差的缺點，而且對數據進行整理分析時只能靠人工操作，無法自動完成測量分類，容易產生人為誤差和錯誤[5]。

1.2 新型儀器自動觀測

近年來，隨著大氣科學的整體發展與電子科技的進步，出現了多種新型的雨滴譜測量儀器。按照測量原理的不同可分為沖擊型雨滴譜儀、光學雨滴譜儀和聲學雨滴譜儀。目前使用較多的是光學雨滴譜儀，國外的技術已經比較成熟，而國內的激光雨滴譜儀則仍停留在實驗室研發階段[6]。因此，國內使用的雨滴譜儀其核心技術仍然要依靠國外進口。其中，使用較多的是由德國OTT公司生產的Parsivel激光降水粒子譜儀[7]。

Parsivel降水粒子譜儀是隨著激光技術發展而產生的新型光學粒子測量傳感器，主要包括發射機、接收機和控制、運算、存儲電路等部分。儀器使用發射機產生的平行激光束作為采樣空間，接收機則把接收到的光束轉化為電子信號。無降水時，電子信號將是一個穩定值，而當降水粒子下落，通過采樣空間時，會造成光束強度衰減，從而改變電子信號。通過記錄下落物的寬度和穿越時間，可以計算出降水粒子的尺度和速度。

與傳統的測量方法相比，Parsivel降水粒子譜儀可同時測量降水中所有液體和固體粒子的尺度和速度，并對降水粒子進行分類。儀器獨特的表面設計可以有效避免雨滴飛濺落入采樣空間，進一步提高了測量精度；自帶的加熱系統可以適應凍雨等惡劣天氣狀況。這種新型測量儀器雖然還具有使用和維護簡單等優勢，但仍存在一定的缺陷。比如，當兩個或者多個降水粒子同時通過采樣空間，儀器將無法準確識別，造成重疊誤差，進而對粒子譜和速度的計算產生影響。另外，對采樣空間的確定和采樣周期的選擇也會影響測量效果。

2 雨滴譜應用

雨滴譜的研究的深入，對進一步了解自然降水的物理過程、探索云內成雨機制、提高雷達測量降水的準確度、評估人工增雨的云水條件、檢驗催化效果以及數值模擬等方面都有重要意義。此外，雨滴譜資料在陸面過程的水土保持，氣溶膠的濕沉降，云的參數化等方面也有重要的作用。

2.1 雷達定量測雨

目前，在使用雷達定量測雨的過程中最常用的方法是Z-I關系法，即應用雷達氣象方程由測得的回波功率計算出雷達反射因子Z值，再根據已知的Z-I關系推得降雨強度[8]。Z-I關系的基礎是雷達反射因子Z和降雨強度I都與粒子的直徑D有關。

雷達反射因子Z定義為單位體積內所有粒子直徑D的6次方之和，即：

而雨強I定義為單位時間內落到單位面積上的降水質量，即雨強與落到單位面積上總的雨滴質量 （與雨滴直徑D的3次方成正比）和雨滴下落速度有關。由此可得到反射因子和降水強度的關系式：

其中a，b是經驗系數。

目前所使用的Z-I關系都是在試驗基礎上得到的經驗公式，具有很大的不確定性，隨時間，地點的變化需要進行訂正，以減小誤差。實際上，對不同降水類型及一次降水中不同階段的Z-I經驗關系的研究已經歷了40多年，在各種情況下曾被使用過的Z-I關系已有60余種[9]。但是Z-I關系的訂正使用的仍是雨量筒的測量數據，其在時間上分辨率較低，與雷達探測時間尺度上的高分辨率存在不可調和的矛盾。隨著Parsivel降水粒子譜儀等新型雨滴譜儀器的應用，更多高分辨率的降水粒子譜分布特征和降水強度瞬時數據的獲取，使擬合出更為準確的Z-I關系成為可能[10]。

另外，在雷達校驗定標方面，雨滴譜也可以發揮重要作用。天氣雷達回波的定標是一項極為重要的工作，定標結果的好壞關系到觀測數據的準確性。目前使用的定標方法一般是從氣象雷達方程出發制作定標曲線，而通過比較高分辨率雨滴譜資料計算的反射率因子與雷達回波強度反算的反射率因子，可以從另一個角度對雷達回波強度進行標定，進一步提高定標結果的有效性。

2.2 人工影響天氣效果檢驗

雨滴譜中帶有雨滴形成過程的各種信息，如果能對特定地區獲取多次過程的雨滴譜資料進行分析研究，就能了解該地區降水的特征和形成機制，進而可以為人工影響天氣作業提供依據。

另一方面，人工影響天氣的作業效果檢驗一直是一個亟待解決的問題，而如何科學地進行人工增雨效果檢驗即是國內外的一個重大技術難題，也是我國人工增雨技術的最薄弱環節[11]。目前普遍使用的統計檢驗和物理檢驗在實際使用過程中也都存在一些問題，因此，可以通過觀測雨滴譜在人工增雨過程中的變化來評估人工增雨的效果。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當有較大的差別[12]，同時增雨作業后滴譜變化物理響應和降水強度時間變化響應都會有明顯差別。通過分析比對催化前后的雨滴譜資料，就能夠很好地檢驗人工增雨的效果[13]。

參考文獻

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[12] 王建恒，陳瑞敏，王國寧.一次小尺度強降水火箭增雨作業效果檢驗分析[C]//第十四屆全國云降水物理和人工影響天氣科學會議（上冊）.2005：424-429.

[13] 劉玉超，張薔，郭恩銘.云滴譜的演變與火箭增雨效果的分析[C]//第十四屆全國云降水物理和人工影響天氣科學會議（上冊）.2005：470-473.