機(jī)載光陣探頭探測(cè)期間云粒子的破碎

黃敏松 雷恒池 陳家田 張曉慶

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機(jī)載光陣探頭探測(cè)期間云粒子的破碎

黃敏松1, 2雷恒池1, 3陳家田1張曉慶1

1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029,2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京100049,3南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

機(jī)載光陣探頭探測(cè)時(shí)，云粒子（液態(tài)和固態(tài)）進(jìn)入二維光陣探頭的采樣區(qū)前，會(huì)因與探頭探測(cè)臂發(fā)生機(jī)械碰撞，或者與探頭外殼產(chǎn)生的湍流和風(fēng)切變相互作用而破碎。破碎程度與粒子類型、大小、粒子密度、探頭入口設(shè)計(jì)以及飛行空速等有關(guān)。利用2008年7～9月探測(cè)飛機(jī)（Y-12）在山西省太原地區(qū)的航測(cè)資料并對(duì)飛機(jī)采樣期間的云粒子破碎現(xiàn)象進(jìn)行介紹和分析，分析結(jié)果表明，粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布具有雙模態(tài)特征：長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)是粒子空間分布的真實(shí)結(jié)構(gòu)，短時(shí)間模態(tài)則是云粒子破碎的結(jié)果。提出用粒子到達(dá)時(shí)間間隔閾值作為粒子破碎的判定標(biāo)準(zhǔn)，給出適用于2008年太原地區(qū)航測(cè)資料的粒子破碎識(shí)別閾值，其中適合于探頭云粒子成像儀（CIP）的閾值是2×10?5s ，而探頭降水粒子成像儀（PIP）的閾值是1×10?4s。所提的閾值對(duì)于以Y-12為機(jī)載探測(cè)平臺(tái)，以CIP和PIP探頭為探測(cè)儀器所獲取的其它航次云微物理圖像資料的粒子破碎處理也是有一定的參考使用價(jià)值。

機(jī)載探測(cè) 光陣探頭 粒子破碎

1 引言

自從粒子測(cè)量系統(tǒng)（PMS）于20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)（Knollenberg, 1970, 1981），其已被廣泛地應(yīng)用于地面和空中測(cè)量，以輔助云降水物理研究和衛(wèi)星遙感訂正等。在測(cè)量過(guò)程中，尤其在機(jī)載飛行條件下，云粒子（液態(tài)和固態(tài)）進(jìn)入二維探頭的采樣區(qū)前，會(huì)因與探頭臂發(fā)生機(jī)械碰撞，或者與探頭外殼產(chǎn)生的湍流和風(fēng)切變相互作用而破碎。一個(gè)云粒子可破碎為幾個(gè)甚至幾百個(gè)碎片，導(dǎo)致多計(jì)小云粒子數(shù)目，少計(jì)大的云粒子（Korolev and Isaac, 2005）。因此，過(guò)去的30多年里有相當(dāng)多的科學(xué)家對(duì)PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的粒子破碎現(xiàn)象進(jìn)行了研究并給出了一些比較可行和有效的處理方法。Cooper（1978）對(duì)光電陣列探頭探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，給出了一個(gè)用于二維光陣探頭探測(cè)數(shù)據(jù)中去除破碎粒子的方法，他認(rèn)為如果粒子圖像的到達(dá)時(shí)間間隔所對(duì)應(yīng)的空間距離小于2.5 cm，則第2個(gè)粒子應(yīng)該被視為粒子碎片予以去除。在Cooper（1978）工作的基礎(chǔ)上，Heymsfield and Baumgardner（1985）提出了基于到達(dá)時(shí)間間隔的破碎粒子濾除算法。Korolev and Isaac（2005）對(duì)粒子破碎效應(yīng)進(jìn)行研究后指出，粒子破碎程度與粒子類型、大小、粒子密度、探頭入口設(shè)計(jì)以及飛行空速等有關(guān)。云粒子破碎可以影響從二維探頭測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到的云粒子濃度、含水量、雷達(dá)反射率等。Field et al.（2006）分析了光電陣列探測(cè)儀所測(cè)粒子到達(dá)時(shí)間間隔的雙模態(tài)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)代表著真實(shí)云結(jié)構(gòu)而短時(shí)間模態(tài)則代表著破碎的冰粒子，對(duì)四次航測(cè)資料中的三個(gè)航次資料處理分析，他采用2×10?4s作為粒子破碎的判斷閾值，剩下的一個(gè)航次資料則采用1×10?5s作為粒子破碎的判斷閾值。Korolev et al.（2011, 2013）利用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的探頭和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的探頭進(jìn)行飛行探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)合Field et al.（2006）提出的破碎粒子濾除算法對(duì)粒子破碎的成因及其影響進(jìn)行初步的量化分析。由于機(jī)載測(cè)量中粒子破碎不僅和粒子自身有關(guān)，還和測(cè)量?jī)x器以及機(jī)載平臺(tái)有關(guān)，因此國(guó)內(nèi)利用Y-12飛機(jī)進(jìn)行機(jī)載探測(cè)時(shí)粒子破碎現(xiàn)象必然和國(guó)外不同類型飛機(jī)探測(cè)時(shí)粒子破碎現(xiàn)象存在差異，國(guó)外研究中所提的粒子破碎判斷閾值也不能直接運(yùn)用到國(guó)內(nèi)的探測(cè)資料研究中。但國(guó)內(nèi)目前并未對(duì)粒子破碎進(jìn)行任何相關(guān)研究，因此很有必要利用國(guó)內(nèi)云微物理飛機(jī)探測(cè)資料進(jìn)行粒子破碎的研究，以提出適合國(guó)內(nèi)探測(cè)資料破碎粒子剔除的方法。本文介紹我們的云粒子破碎處理分析思路和方法，給出適合2008年山西太原飛行探測(cè)資料的粒子破碎閾值以及利用該閾值進(jìn)行資料處理所獲取的一些結(jié)果。

2 二維光陣探頭

PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)的二維光陣探頭主要有云粒子圖像探頭（OAP-2DC）和降水粒子圖像探頭（OAP-2DP）。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的探測(cè)飛機(jī)（主要是Y-12）上面均裝載了該類型探頭的升級(jí)版，即由美國(guó)粒子測(cè)量技術(shù)公司（DMT）所改進(jìn)的儀器云粒子成像儀（CIP）和降水粒子成像儀（PIP）。這兩個(gè)成像儀器均屬于成像陣列探測(cè)儀，具有相同的工作原理。當(dāng)一個(gè)粒子經(jīng)過(guò)由一激光光束所照明的采樣空間時(shí)，其影子就會(huì)投射到一個(gè)線性光電二極管陣列上面。如果光電二極管所接收到的背景照明激光光強(qiáng)因粒子遮擋被削弱超過(guò)50%，則認(rèn)為該光電二極管被遮擋了。光電二極管的狀態(tài)由儀器的電子電路以與空氣速度成正比的時(shí)鐘頻率進(jìn)行掃描而獲取，因此每掃描一次，就會(huì)生成粒子圖像的一條線（slice），將一個(gè)粒子圖像的多條線合并一塊，最終會(huì)形成一幅二進(jìn)制的粒子影子數(shù)字圖像，其中1表示未受遮擋的像素，0表示遮擋的像素。沿著光電二極管陣列（方向）的儀器像素精度由儀器的光學(xué)放大倍數(shù)所決定，而與光電二極管陣列相垂直方向的像素精度（例如，與氣流流向平行，方向）則由時(shí)鐘頻率和空氣速度所決定。對(duì)于CIP和PIP而言，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念l率設(shè)置后，和方向的像素精度是一致的，分別為25 μm和100 μm。CIP和PIP的線性光電二極管陣列均含有64個(gè)光電二極管，其測(cè)量范圍分別是25～1550 μm（CIP）和100～6200 μm（PIP）。兩儀器的采樣面積位于儀器倆延伸臂之間分別為155 mm2和1550 mm2。兩臂距離分別是100 mm（CIP）和250 mm（PIP）。

文中數(shù)據(jù)來(lái)自2008年7～9月山西人影辦探測(cè)飛機(jī)Y-12在太原地區(qū)的全部航測(cè) [其中，除20080705（2008年7月5日，為表示日期與航次方便，簡(jiǎn)寫為20080705，下同）、20080714和20080717有CIP和PIP資料外，其余航次只有PIP資料] 結(jié)果。利用自主開(kāi)發(fā)的云降水粒子圖像數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)文中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該軟件可獲取CIP和PIP探頭圖像數(shù)據(jù)中的粒子大小、粒子的到達(dá)時(shí)間、粒徑分布等重要的粒子信息。

3 云粒子到達(dá)時(shí)間間隔

航測(cè)時(shí)，云粒子一旦進(jìn)入儀器采樣區(qū)，儀器就會(huì)自動(dòng)記錄下此時(shí)粒子的到達(dá)時(shí)刻，如果對(duì)前后兩個(gè)粒子到達(dá)儀器采樣區(qū)的時(shí)刻值作差，所得差值我們稱之為“云粒子到達(dá)時(shí)間間隔”。對(duì)某一航次或某段時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的云粒子到達(dá)時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則可獲得該時(shí)間段內(nèi)的云粒子到達(dá)時(shí)間間隔頻率分布狀況。

結(jié)合粒子圖像數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了2008年7～9月山西太原Y-12上CIP和PIP探頭的航測(cè)資料，其中統(tǒng)計(jì)了CIP在7月份航測(cè)中8個(gè)時(shí)間段的資料，PIP則是7～9月中27個(gè)時(shí)間段的資料，這里取其中一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為2400 s的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行作圖分析，如圖1所示。圖1a、b是相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)云粒子的到達(dá)時(shí)間間隔散點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)表示粒子序數(shù)，縱坐標(biāo)表示每個(gè)粒子所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔；圖1c、d是上部時(shí)間段內(nèi)云粒子到達(dá)時(shí)間間隔的出現(xiàn)頻率（階梯折線，實(shí)線是其最佳擬合曲線），橫坐標(biāo)表示粒子時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)量，縱坐標(biāo)表示相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的粒子數(shù)占該時(shí)段內(nèi)粒子總數(shù)的比值。從圖1可看出，不論是散點(diǎn)圖還是階梯折線圖，CIP數(shù)據(jù)和PIP數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出雙模態(tài)特征，但CIP數(shù)據(jù)的雙模態(tài)分布更為明顯。

圖1 20080705航次粒子到達(dá)時(shí)間間隔及其頻率分布：（a、c）CIP數(shù)據(jù)；（b、d）PIP數(shù)據(jù)。圖中時(shí)間為北京時(shí)間

對(duì)上述CIP8個(gè)時(shí)間段資料和PIP27個(gè)時(shí)間段的模態(tài)峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)列表，結(jié)果如表1和表2所示，其中表1為CIP探頭數(shù)據(jù)8個(gè)時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表2為PIP探頭數(shù)據(jù)27個(gè)時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1和表2中可看出，CIP統(tǒng)計(jì)資料中有5個(gè)時(shí)間段粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布呈雙模態(tài)；PIP有6個(gè)雙模態(tài)，即使在共同的時(shí)間段內(nèi)（7月份的6個(gè)時(shí)間段），CIP有3個(gè)時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)雙模態(tài)特征，而PIP僅有1次出現(xiàn)雙模態(tài)特征。可見(jiàn)CIP探頭出現(xiàn)雙模態(tài)的概率要比PIP探頭高許多，這個(gè)主要是由儀器的分辨率以及結(jié)構(gòu)所決定的。此外，PIP探頭的長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值變化較大，PIP：長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值為8×10?5s～8×100s之間，相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，短時(shí)間模態(tài)峰值為8×10?6s～1×10?4s，近一個(gè)數(shù)量級(jí)；CIP：長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值9×10?4s～1×100s，近3個(gè)數(shù)量級(jí)，短時(shí)間模態(tài)峰值1×10?6s～2×10?5s，一個(gè)多數(shù)量級(jí)。長(zhǎng)短時(shí)間模態(tài)不同變化反映出它們之間物理學(xué)上差異。長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值變化大，正好反映云微物理特征，同一塊云的不同部位云粒子濃度是不同的，云與云之間的濃度差異就更大了。短時(shí)間模態(tài)峰值變化小則是另外一種物理機(jī)制（Field et al.，2003，2006）所致——云粒子破碎。

表1 云粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布的峰值統(tǒng)計(jì)（CIP）

4 云粒子的破碎

在飛行測(cè)量過(guò)程中，云粒子與OAP探頭的探測(cè)臂等之間會(huì)發(fā)生碰撞，或者與探測(cè)臂等周圍產(chǎn)生的空氣動(dòng)力，如湍流、切變力等相互作用而破碎 （Korolev and Isaac，2005）。云粒子破碎除了和空速以及OAP探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還和云粒子自身的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)，這里利用2008年山西太原Y-12航測(cè)的圖像資料分別對(duì)冰雪晶粒子、霰粒子和液滴的破碎進(jìn)行分析并提出適合粒子破碎剔除的方法。

4.1 光陣探頭采樣時(shí)云粒子破碎

光陣探頭機(jī)載測(cè)量時(shí)云粒子破碎情況如圖2所示，圖2a是PIP探頭在20080705航次探測(cè)中所測(cè)量到的冰雪晶粒子破碎現(xiàn)象，圖2b是CIP探頭在20080705航次探測(cè)中所測(cè)量到的冰晶粒子破碎現(xiàn)象，從圖2a和b中均可看出一個(gè)冰粒子破碎后會(huì)產(chǎn)生大小和分布不同的粒子群。粒子群中的碎片數(shù)少則幾十、多則幾百，碎片的大小可以超越儀器的精度和量程范圍。圖2c、d則是PIP探頭在20080705航次探測(cè)中所測(cè)量到的霰粒子破碎現(xiàn)象，霰粒子的破碎多半是與探頭臂發(fā)生機(jī)械碰撞才能產(chǎn)生，而諸如探頭外殼產(chǎn)生的湍流和風(fēng)切變等空氣動(dòng)力學(xué)力不易使其破碎，從圖2c、d中可看出霰粒子破碎后也能形成大小和數(shù)量不一的粒子群。圖2e、f是PIP探頭在20080714航次探測(cè)中所測(cè)量到的液相粒子破碎現(xiàn)象。造成液態(tài)滴破碎的原因，除機(jī)械碰撞破碎外，空氣動(dòng)力學(xué)力的作用也是一個(gè)重要原因。從圖2e、f中可看出測(cè)量過(guò)程中液滴因碰撞變形破碎，也可看到在空氣動(dòng)力學(xué)力作用下發(fā)生的部分破碎和完全破碎等情況，因此液滴破碎狀況比固相粒子要復(fù)雜些。但不論粒子相態(tài)如何，也不論粒子破碎成因，從圖2中可看出粒子破碎總是形成一簇在空間中分布緊密的碎片粒子群，碎片之間的間隔和旁邊未破碎的粒子之間的間隔相比要緊密許多，從時(shí)間尺度來(lái)看就是碎片的到達(dá)時(shí)間間隔要短于未破碎粒子的到達(dá)時(shí)間間隔，而且會(huì)形成雙峰的模態(tài)結(jié)構(gòu)。因此，如果碎片的到達(dá)時(shí)間間隔和未破碎粒子的到達(dá)時(shí)間間隔在頻率分布上能夠無(wú)重疊地分開(kāi)，則可以采用到達(dá)時(shí)間間隔作為粒子破碎事件的判斷標(biāo)記。

圖2 機(jī)載探頭測(cè)量中的粒子破碎現(xiàn)象：（a、b）冰雪晶粒子破碎；（c、d）霰粒子破碎；（e、f）液滴破碎

4.2 云粒子破碎判據(jù)

通常航測(cè)的一幅圖像由自然粒子（為與破碎粒子相區(qū)別，我們定義未破碎粒子為自然粒子，其中包括破碎粒子的母體）和破碎粒子組成。一般情況下，經(jīng)過(guò)探頭采樣區(qū)的每個(gè)自然粒子均會(huì)被儀器所記錄并給以標(biāo)記。一個(gè)云粒子破碎，可以產(chǎn)生許多個(gè)破碎的小粒子，當(dāng)這些破碎粒子經(jīng)過(guò)采樣區(qū)時(shí)，有些會(huì)被儀器一個(gè)一個(gè)記錄下來(lái)，從而形成許多幀圖像；而有些破碎粒子因其分布比較密集，粒子之間的距離小于采樣頻率所對(duì)應(yīng)的空間距離時(shí)則一起被儀器以一個(gè)粒子形式記錄下來(lái)，這時(shí)在一幀圖像內(nèi)會(huì)包括幾個(gè)甚至幾十上百個(gè)破碎粒子。而一幀內(nèi)所含的粒子數(shù)除了和破碎的物理機(jī)制有關(guān)外，還和儀器的分辨率相關(guān)。因?yàn)榱Ｗ拥乃槠笮∫坏┬∮趦x器分辨率，即使其落入儀器采樣區(qū)內(nèi)也無(wú)法由儀器所記錄。因此，儀器的分辨率越高，其往往會(huì)記錄下更多的小碎片數(shù)目。

對(duì)于云粒子破碎現(xiàn)象的識(shí)別，人眼判斷帶有主觀性，而且由于粒子圖像數(shù)量巨大，用人眼識(shí)別難以完成，因此必須找到一種客觀且能對(duì)大量資料進(jìn)行自動(dòng)處理的方法，以替代人眼的工作。由于粒子破碎后破碎粒子的到達(dá)時(shí)間間隔要短于自然粒子的到達(dá)時(shí)間間隔，因此可對(duì)粒子到達(dá)采樣區(qū)的時(shí)間進(jìn)行分析，得到比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)判據(jù)，并對(duì)所給判據(jù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

上節(jié)對(duì)粒子到達(dá)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布具有明顯的雙模態(tài)特征，而且結(jié)合具體的粒子圖像數(shù)據(jù)，可以確定，粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布的長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)反映的是云中粒子真實(shí)的分 布狀況，短時(shí)間模態(tài)則是由粒子破碎的事件引起的。因此可以利用粒子到達(dá)時(shí)間間隔作為粒子破碎的判據(jù)。Field et al.（2003, 2006）和Korolev et al.（2011, 2013）等均利用兩個(gè)模態(tài)連接處的最小值作為破碎粒子識(shí)別的判據(jù)。考慮到長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)和短時(shí)間模態(tài)之間連接區(qū)域必有破碎粒子和自然粒子在到達(dá)時(shí)間間隔上的重疊，為了盡量減少將自然粒子誤判為破碎粒子，選擇短模峰值作為破碎粒子識(shí)別判據(jù)。同時(shí)，為了盡可能多將破碎粒子識(shí)別出來(lái)并考慮到所選判據(jù)的普適性，選擇統(tǒng)計(jì)表中短模峰值的最大值作為最終的破碎粒子識(shí)別判據(jù)。因此，分析表1和表2中的短時(shí)間模態(tài)。CIP和PIP短模態(tài)峰值范圍分別是1×10?6～2×10?5秒和8× 10?6～1×10?4秒。將短模峰值范圍的最大值2×10?5秒和1×10?4秒分別作為CIP和PIP探頭的粒子破碎閾值，當(dāng)某一粒子的到達(dá)時(shí)間間隔小于等于該閾值時(shí)，連同其前一個(gè)粒子一起被認(rèn)定為破碎粒子。

4.3 云粒子破碎判據(jù)的應(yīng)用

4.3.1 云粒子破碎對(duì)測(cè)量的影響

根據(jù)粒子圖像資料，利用云粒子破碎時(shí)間閾值判據(jù)，即云粒子到達(dá)時(shí)間間隔T≤0.1 ms（PIP）和0.02 ms（CIP），對(duì)2008年山西太原的航測(cè)資料進(jìn)行分析，并對(duì)與破碎相關(guān)的參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表3和表4給出每次航測(cè)的一些時(shí)間段有關(guān)粒子破碎參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表中第一行符號(hào)意義如下：y和h兩列數(shù)字分別為左側(cè)時(shí)間段內(nèi)粒子破碎進(jìn)行訂正前后粒子尺度第一通道（CIP：25 μm；PIP：100 μm）粒子累計(jì)數(shù)。ps表示單個(gè)自然粒子破碎成粒子幀數(shù)范圍，t表示相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)總的粒子幀數(shù)，p則表示該時(shí)間段內(nèi)因破碎形成的粒子幀數(shù)，p/t則表示該時(shí)間段內(nèi)破碎形成的粒子幀數(shù)與總的粒子幀數(shù)比值，也稱“破碎效率”（Korolev and Isaac，2005）。由于8月13日起沒(méi)有CIP探頭的有效數(shù)據(jù)，因此統(tǒng)計(jì)參數(shù)表格按照儀器分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表3 粒子破碎有關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 (CIP)

（1）單個(gè)粒子破碎形成的碎片數(shù)量（ps）

每個(gè)粒子破碎后都能產(chǎn)生多個(gè)碎片（幀），對(duì)于同一個(gè)探頭CIP或者PIP，由于航速、風(fēng)速以及探頭與風(fēng)向夾角等因素的差別，使得粒子與探頭支撐臂碰撞破碎后產(chǎn)生的碎片個(gè)數(shù)和大小都有很大的差異。因此，表3和表4中ps可達(dá)幾十個(gè)。破碎形成碎片數(shù)的多少和大小還與采樣探頭結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。對(duì)比分析表3和表4（20080705～20080717）的單個(gè)粒子破碎形成的碎片數(shù)（ps），CIP測(cè)量中產(chǎn)生的碎片數(shù)明顯高于PIP，這與兩者的碰撞條件差異有關(guān)，同時(shí)也與儀器的結(jié)構(gòu)和分辨率大小有關(guān)。單從表4的ps數(shù)據(jù)來(lái)看，ps數(shù)最大值變動(dòng)范圍較大，最大可達(dá)到60個(gè)，這個(gè)主要和測(cè)量環(huán)境有關(guān)。

（2）破碎粒子對(duì)測(cè)量粒子譜的貢獻(xiàn)

圖3a、b分別給出CIP和PIP探頭在20080705、20080714、20080717三個(gè)航次所測(cè)量破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)（p）及其與原始粒子出現(xiàn)次數(shù)（y）比值的尺度分布統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。圖中虛線表示破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)均值的尺度分布，實(shí)線表示p與y比值均值的尺度分布。由圖3a、b可見(jiàn)CIP 和PIP資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均顯示破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)的尺度分布呈現(xiàn)指數(shù)分布，而且覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍。但是破碎形成小尺度粒子占絕大多數(shù)，這與Korolev et al.（2011，2013）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的，從圖3a、b的p/y的尺度分布曲線看出，破碎粒子對(duì)粒子尺度分布的兩端貢獻(xiàn)較大。

圖3 20080705、20080714和20080717三個(gè)航次測(cè)量中破碎粒子均值的尺度分布及其與原始粒子比值均值的尺度分布：（a）CIP探頭數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；（b）PIP探頭數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（3）破碎粒子總數(shù)p對(duì)測(cè)量粒子總數(shù)t的貢獻(xiàn)

從表3和表4中可以看出，p/t的比值變化范圍較大，CIP：4.5～42.9，數(shù)值大于10的有5個(gè)，占5/8；PIP：數(shù)值范圍2.9～36.7，10以上有17個(gè)，占17/26，破碎形成的粒子幀數(shù)占總的粒子幀數(shù)超過(guò)10%的在所選取的探測(cè)數(shù)據(jù)段內(nèi)均超過(guò)了50%。Korolev and Isaac（2005）在分析粒子破碎時(shí)發(fā)現(xiàn)枝狀冰晶的破碎效率均在10%以上，而在分析到達(dá)時(shí)間間隔算法有效性時(shí)Korolev et al.（2013）發(fā)現(xiàn)CIP的破碎效率達(dá)到了43%。

4.3.2 粒子形狀對(duì)粒子破碎的影響

利用云粒子破碎時(shí)間閾值判據(jù)，對(duì)PIP探頭所測(cè)得的霰粒子和大粒子（主要是不規(guī)則形狀的冰雪晶粒子）的破碎現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析粒子形狀對(duì)粒子破碎的影響。所用霰粒子資料取自20080705航次時(shí)間09:40:11～09:47:16（北京時(shí)間，下同；PIP），共7分15秒；大粒子資料取自20080714航次時(shí)間10:41:01～10:41:30（PIP），共30秒測(cè)量記錄。

圖4給出了大粒子和霰粒子的一個(gè)粒子破碎后產(chǎn)生的幀數(shù)及其出現(xiàn)頻率。從圖中可以看到，大粒子和霰粒子破碎后產(chǎn)生的總幀數(shù)不超過(guò)20，但出現(xiàn)頻率較高的是生成幀數(shù)在2～6之間，而其中以形成2個(gè)粒子幀的出現(xiàn)頻率最高。

圖4 PIP探頭中大粒子和霰粒子破碎后產(chǎn)生的幀數(shù)與出現(xiàn)頻率

對(duì)PIP測(cè)量中兩種粒子破碎效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表5所示。從表中可看出大粒子的破碎效率大于霰粒子，接近2倍的關(guān)系，也就是在測(cè)量過(guò)程中PIP更容易受到大粒子破碎的影響。由于所選的大粒子主要是輻枝狀聚合物，因此從表中可以初步推斷：與輻枝狀聚合物相比，相同大小的霰粒子的破碎效率較低。輻枝粒子之間的連接較弱，除碰撞破碎之外，探頭臂周圍產(chǎn)生的湍流擾動(dòng)以及粒子在探頭探測(cè)臂前的突然減速都可能造成粒子破碎；對(duì)于霰粒子而言，這些空氣動(dòng)力很難使其破碎，一般來(lái)說(shuō)機(jī)械碰撞是霰粒子破碎主要因素。

表5 PIP粒子破碎程度統(tǒng)計(jì)

4.3.3 粒子相態(tài)對(duì)粒子破碎影響

選用CIP探頭所測(cè)得的粒子資料研究粒子相態(tài)對(duì)粒子破碎的影響。固相粒子（以冰晶為例）數(shù)據(jù)選自20080705航次09:30:46～09:32:46兩分鐘長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，液相粒子（以液滴為例）數(shù)據(jù)選自20080714航次10:15:00～10:20:00五分鐘長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

圖5是不同相態(tài)粒子破碎后產(chǎn)生的粒子幀數(shù)與其出現(xiàn)頻率的關(guān)系。除每個(gè)破碎粒子破碎成2幀為最高出現(xiàn)頻率外，就是破碎幀數(shù)范圍很大，兩個(gè)例子都展示出能夠破碎成20幀以上。這一點(diǎn)與PIP固態(tài)粒子情況有很大差別。而且從圖5還可看出液相粒子破碎后形成的粒子幀數(shù)要大于固相粒子破碎后形成的粒子幀數(shù)。

圖5 CIP探頭中冰晶粒子與液滴破碎后形成的粒子幀數(shù)及其頻率分布

同樣利用粒子破碎效率的概念，對(duì)兩種不同相態(tài)的粒子在CIP測(cè)量期間的破碎程度進(jìn)行比較，具體如表6所示。從表6中可以看出無(wú)論是液相粒子還是固相粒子，和PIP的破碎程度相比（表5），在CIP測(cè)量期間都有比較大的破碎效率39.27%（固相粒子）和45.85%（液相粒子），尤其是液相粒子的破碎程度更加嚴(yán)重。當(dāng)然CIP的破碎程度更重說(shuō)明了“云”探頭CIP和“雨”探頭PIP相比，更易受到粒子破碎的影響，這和Korolev and Isaac（2005）的分析結(jié)果也是一致的。

表6 CIP粒子破碎程度統(tǒng)計(jì)

4.3.4 粒子譜數(shù)據(jù)的訂正

利用到達(dá)時(shí)間間隔閾值對(duì)航測(cè)圖像資料中的破碎粒子進(jìn)行識(shí)別和剔除，這里選取20080705航次09:40:11～09:47:16時(shí)段探頭CIP和PIP所探測(cè)的資料進(jìn)行破碎粒子的剔除，以獲取訂正后的粒子譜數(shù)據(jù)。訂正前（實(shí)線）和訂正后（虛線）的兩個(gè)探頭粒子譜如圖6所示。從圖中可以看出，粒子破碎對(duì)小粒子譜的貢獻(xiàn)比較大，運(yùn)用到達(dá)時(shí)間間隔閾值的方法可以很好地把破碎粒子和自然粒子分開(kāi)。此外，從圖中還可以看出運(yùn)用到達(dá)時(shí)間間隔閾值方法對(duì)CIP粒子譜的改善比對(duì)PIP粒子譜的改善比較大，這也說(shuō)明了粒子破碎對(duì)CIP的影響比對(duì)PIP的影響更大。

圖6 20080705航測(cè)時(shí)段利用到達(dá)時(shí)間間隔閾值對(duì)探頭所測(cè)粒子數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正前后對(duì)比，圖中縱坐標(biāo)中F(D)表示粒子譜，：（a）CIP；（b）PIP

5 討論

（1）云粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布的雙模態(tài)分布

粒子到達(dá)時(shí)間間隔分布曲線呈現(xiàn)雙模態(tài)分布特征：長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)和短時(shí)間模態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)體現(xiàn)了云中真實(shí)的微物理結(jié)構(gòu)，是自然云粒子之間距離的反映，是云內(nèi)粒子數(shù)密度不同造成的；短時(shí)間模態(tài)是云粒子破碎的結(jié)果。短時(shí)間模態(tài)峰值比長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)的峰值小3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由粒子破碎后形成的特有分布特征所決定的。粒子破碎形成破碎碎片，成片、密集地分散于空中，數(shù)密度遠(yuǎn)大于云中自然粒子的數(shù)密度，相鄰碎片之間的距離也短于自然狀態(tài)下相鄰粒子之間的距離。因此，碎片的到達(dá)時(shí)間間隔必然短于自然粒子的到達(dá)時(shí)間間隔，時(shí)間分布狀態(tài)圖上就呈現(xiàn)出雙模態(tài)特征。

長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值變化大和短時(shí)間模態(tài)峰值變化小是破碎粒子雙模態(tài)分布的另一個(gè)特征。前者反映云中粒子空間分布變化大，即云粒子數(shù)密度變化大，是自然現(xiàn)象。后者是粒子破碎機(jī)理所決定的。

粒子到達(dá)時(shí)間間隔的雙峰現(xiàn)象，主要取決于有否粒子破碎。但是，并不是只要存在粒子破碎就會(huì)有雙峰出現(xiàn)。例如，表2 PIP 20080705航次中09:20:31～09:53:55（2004 s）時(shí)間只有長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值，沒(méi)有顯示出短時(shí)間模態(tài)峰值，但是在09:40:11～09:47:16（425 s）時(shí)間段，出現(xiàn)明顯的短時(shí)間模態(tài)峰值，這個(gè)和所測(cè)時(shí)間段內(nèi)的自然云粒子分布狀態(tài)有關(guān)，如果所測(cè)的時(shí)間段內(nèi)自然云粒子分布相對(duì)較密時(shí)則可能將短時(shí)間模態(tài)和長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)平滑上升連接起來(lái)，這樣就只有長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)而沒(méi)有明顯的短時(shí)間模態(tài)。

（2）不同儀器對(duì)粒子破碎的影響

表1和表2的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以及對(duì)粒子譜數(shù)據(jù)的訂正均表明，“云”探頭CIP在測(cè)量過(guò)程中受粒子破碎的影響要遠(yuǎn)大于“雨”探頭PIP。這里除了因?yàn)镃IP探頭的分辨精度比較高，能看到更多破碎后的細(xì)小粒子外，還跟探頭的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。CIP探頭前端的兩根向前延伸的探測(cè)臂是垂直向前，長(zhǎng)度比較短，同時(shí)兩臂之間的距離也比較短。PIP探頭前端的兩根向前延伸的探測(cè)臂是斜側(cè)著向前延伸，長(zhǎng)度也比較長(zhǎng)，采樣區(qū)內(nèi)兩臂之間的距離也比較大。PIP探頭更寬大的采樣視場(chǎng)空間導(dǎo)致其對(duì)粒子產(chǎn)生的氣動(dòng)壓迫效應(yīng)要遠(yuǎn)小于CIP探頭對(duì)粒子的氣動(dòng)效應(yīng)。因此改進(jìn)OAP探頭的機(jī)械設(shè)計(jì)是很有必要的。

（3）粒子形狀和相態(tài)對(duì)自身破碎的影響

表5和表6分別表明粒子破碎和粒子自身的形狀與相態(tài)有很大的關(guān)系。不同相態(tài)的粒子中，液相粒子的破碎效率要高于固相粒子。而同為固相粒子，輻枝狀聚合物的破碎效率卻高于霰粒子。破碎效率不同表明粒子自身的物理結(jié)構(gòu)對(duì)粒子破碎有很大的影響。不同的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致粒子破碎的難易程度不同以及破碎時(shí)形成的碎片數(shù)也不同。此外，不同物理結(jié)構(gòu)的粒子所受的破碎機(jī)理也可能是不同的。

（4）云粒子破碎機(jī)制

航測(cè)時(shí)，對(duì)云粒子采樣期間，有時(shí)云粒子會(huì)產(chǎn)生破碎，原因有二：“靜止”的云粒子與采樣探頭的探測(cè)臂等之間發(fā)生碰撞，或者與支撐臂等周圍產(chǎn)生空氣動(dòng)力，如湍流、切變力等相互作用，[見(jiàn)Korolev and Isaac（2005）的圖16]任何云粒子在被采樣期間的撞擊破碎，會(huì)由于其與碰撞物之間的相對(duì)角度不同，使得破碎效率和破碎程度可能有所不同。

對(duì)于液態(tài)粒子而言，除了跟固態(tài)粒子一樣，在“碰撞沖擊力”作用下可以產(chǎn)生破碎外，有時(shí)液態(tài)粒子會(huì)在采樣區(qū)內(nèi)產(chǎn)生變形，或變形加上另一種破碎，這不能完全用“撞擊力”來(lái)解釋。這可能是在探測(cè)臂周圍存在某種空氣動(dòng)力，如湍流、切變力等，在液態(tài)滴與這些力之間位置等適當(dāng)條件下，產(chǎn)生此種現(xiàn)象。有時(shí)較大尺度輻枝狀聚合物，由于聚合單體之間的連接較弱，也可能在這些力的作用下變形甚至破碎。

（5）破碎粒子的識(shí)別以及識(shí)別算法的有效性

粒子破碎后產(chǎn)生的破碎粒子群對(duì)云粒子結(jié)構(gòu)、粒子譜的確定有一定的影響，應(yīng)該從資料中將它們剔出。在處理軟件中加入粒子破碎判據(jù)，對(duì)于兩幀或兩幀以上連續(xù)到達(dá)時(shí)間間隔T≤2×10?5s（CIP探頭資料）或者T≤1×10?4s（PIP探頭資料），加上它們前面通過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)的一幀，共同組成破碎粒子群，一并予以剔除。采用這種方法能夠識(shí)別出絕大部分的破碎粒子。由于到達(dá)時(shí)間間隔算法的有效性依賴于一個(gè)粒子破碎事件中至少要有兩個(gè)碎片粒子被記錄下來(lái)，因此，當(dāng)一個(gè)粒子破碎事件僅有一個(gè)碎片被記錄下來(lái)或者整個(gè)破碎事件中進(jìn)入儀器采樣區(qū)中的碎片被儀器以一個(gè)粒子圖象幀記錄下來(lái)，這時(shí)到達(dá)時(shí)間間隔算法是無(wú)效的。此外，在高密度場(chǎng)合，自然狀態(tài)下的兩個(gè)粒子以及枝狀粒子部分進(jìn)入儀器采樣區(qū)或者偏焦導(dǎo)致一個(gè)粒子分為兩部分等則有可能被算法誤判為破碎的粒子碎片。而當(dāng)一個(gè)碎片被彈射到一個(gè)自然粒子邊上時(shí)到達(dá)時(shí)間間隔算法在識(shí)別出破碎的碎片時(shí)也會(huì)將自然粒子誤判為破碎粒子。由于粒子破碎過(guò)程的隨機(jī)性和自然云粒子形態(tài)的多樣性，以及二維成像探頭有限的成像精度和灰度等級(jí)，再加上每次航測(cè)所得的粒子數(shù)很多，對(duì)到達(dá)時(shí)間間隔方法的破碎粒子識(shí)別率還無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確確認(rèn)。

在這里我們依靠?jī)x器所記錄的粒子圖像，忽略掉僅一個(gè)破碎碎片被記錄下來(lái)的情形，以“到達(dá)時(shí)間間隔”方法識(shí)別出的破碎粒子數(shù)為總基數(shù)，利用人眼對(duì)20080705航次的到達(dá)時(shí)間間隔算法的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并定義：

錯(cuò)誤識(shí)別率＝錯(cuò)誤識(shí)別的粒子數(shù)/總的粒子數(shù),（1）

準(zhǔn)確識(shí)別率＝準(zhǔn)確識(shí)別的粒子數(shù)/總的粒子數(shù),（2）

其中，總的粒子數(shù)為到達(dá)時(shí)間間隔方法識(shí)別出的總破碎粒子數(shù)；錯(cuò)誤識(shí)別的粒子數(shù)為到達(dá)時(shí)間間隔方法識(shí)別出的破碎粒子數(shù)中的非破碎粒子數(shù)，識(shí)別方法為人眼判斷；準(zhǔn)確識(shí)別的粒子數(shù)為到達(dá)時(shí)間間隔方法識(shí)別出的破碎粒子數(shù)中真實(shí)破碎碎片數(shù)，識(shí)別方法為人眼判斷。

算法從CIP和PIP探頭資料中識(shí)別出的破碎粒子總數(shù)分別是3719個(gè)和2801個(gè)，其中被誤判為破碎粒子的數(shù)目分別是597和317，分別占到了識(shí)別數(shù)的 16.1%和11.3%，準(zhǔn)確的識(shí)別率分別是83.9%和88.7%。Korolev et al.（2013）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比指出到達(dá)時(shí)間間隔算法無(wú)法完全濾除粒徑小于500 μm以下的碎片粒子，該算法的有效性取決于儀器的分辨率和電子系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。到達(dá)時(shí)間間隔算法的準(zhǔn)確識(shí)別率除了和儀器相關(guān)外，還和飛行測(cè)量時(shí)的具體情況相關(guān)，比如自然云內(nèi)的粒子數(shù)濃度等，但綜合起來(lái)考慮，到達(dá)時(shí)間間隔方法能將絕大部分的破碎粒子碎片識(shí)別出來(lái)，而且和經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的探頭實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（Korolev et al.，2013）也表明該方法是比較有效的，因此保守估計(jì)的話80%以上的準(zhǔn)確率是沒(méi)問(wèn)題的。因此單純的到達(dá)時(shí)間間隔算法是無(wú)法完全識(shí)別出所有的破碎碎片，減少探測(cè)資料中碎片偽跡的途徑需從儀器本身和算法完善兩方面入手。

（6）所提閾值的適用性

粒子破碎除了和粒子本身物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和飛機(jī)的飛行速度、飛機(jī)和儀器的外形結(jié)構(gòu)以及儀器掛載的位置等有關(guān)。本文所提出的閾值是從對(duì)山西Y-12探測(cè)飛機(jī)于2008年在太原航測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析中獲取的，在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中不考慮粒子的晶型和具體的大氣環(huán)境條件。因此利用此閾值對(duì)山西Y-12探測(cè)飛機(jī)在其它年份探測(cè)的資料進(jìn)行處理分析也是適用的。此外，目前國(guó)內(nèi)的云物理探測(cè)飛機(jī)主要是國(guó)產(chǎn)的Y-12飛機(jī)，飛機(jī)的改裝和儀器的掛載位置基本一樣，因此所提閾值對(duì)于國(guó)內(nèi)以Y-12飛機(jī)為機(jī)載平臺(tái)，以CIP和PIP探頭為探測(cè)儀器，這樣組合所獲取的云物理探測(cè)圖像資料的處理分析也是有一定的參考使用價(jià)值。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)2008年7月到9月太原地區(qū)飛行航測(cè)的云粒子圖像資料分析，我們得到如下結(jié)果：

（1）云粒子通過(guò)探頭采樣區(qū)時(shí)到達(dá)時(shí)間間隔T的出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)雙模態(tài)形式，長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)表示真實(shí)云結(jié)構(gòu)，短時(shí)間模態(tài)是粒子破碎的結(jié)果。長(zhǎng)時(shí)間模態(tài)峰值變化較大，短時(shí)間模態(tài)峰值變化較小。云粒子到達(dá)時(shí)間間隔T雙模態(tài)形式的出現(xiàn)頻率還表明CIP探頭比PIP探頭對(duì)云粒子破碎影響更嚴(yán)重。

（2）OAP探頭對(duì)云粒子采樣期間，有時(shí)云粒子會(huì)產(chǎn)生破碎，原因有二：“靜止”的云粒子與探頭的探測(cè)臂等之間發(fā)生碰撞，或者與探測(cè)臂等周圍產(chǎn)生空氣動(dòng)力，如湍流、切變力等相互作用。粒子破碎程度不同，有的完全破碎，有的部分破碎，有的破碎成數(shù)量大、尺度小的粒子幀，有的破碎成數(shù)量小但尺度大的粒子幀；液態(tài)滴除破碎外還可能變形，有時(shí)伴隨部分破碎，等等。

（3）2008年7～9月所有航次隨機(jī)時(shí)間段內(nèi)破碎粒子總數(shù)與測(cè)量粒子總數(shù)之比的數(shù)值范圍較大（CIP：4.5%～42.9%；PIP：2.9%～36.7%），反映了破碎的真實(shí)狀況；云粒子破碎形成的破碎粒子覆蓋整個(gè)測(cè)量尺度，改變了粒子譜分布。因此有必要濾除碎片偽跡。

（4）對(duì)于2008年山西Y-12飛機(jī)的航測(cè)資料，CIP探頭以粒子到達(dá)時(shí)間間隔≤2×10?5s，PIP探頭以粒子到達(dá)時(shí)間間隔≤1×10?4s作為云粒子破碎的判據(jù)進(jìn)行處理是比較準(zhǔn)確可靠的。

致謝 感謝山西省人影辦提供了2008年的太原航測(cè)資料，感謝中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所沈志來(lái)老師對(duì)本文方法研究中給予的幫助和指導(dǎo)。

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Cloud Particle Shattering during Sampling by Airborne Optical Array Probes

HUANG Minsong1, 2, LEI Hengchi1, 3, CHEN Jiatian1, and ZHANG Xiaoqing1

1,,100029,2,100049,3,,210044

During sampling by airborne optical array probes, cloud particles (droplets or ice crystals) will shatter before entering into the sampling area, either by mechanical impaction with the instrument arms or by interaction with turbulence and wind shear generated by the probe housing. The shattering efficiency depends on the habit, size, and density of particles, as well as the probe inlet design, and airspeed. The phenomenon of cloud particle shattering during airborne sampling is presented in this paper. The data analyzed were from the flights of the Shanxi Y-12 research plane in the Taiyuan area from July to September 2008. It is shown that the distribution characteristics of inter-arrival times of particles can be bimodal: the long-term mode reflects the true structure of cloud particles distributed in space, and the short-term mode is the result of cloud particle shattering. An inter-arrival time threshold is proposed as a criterion for particle shattering identification. For the data analyzed in this study, the value was 2×10?5s and 10?4s for Cloud Imaging Probe (CIP) and Precipitation Imaging Probe (PIP), respectively. These values might also serve as reference thresholds for data from other Y-12 research plane flights.

Airborne observation, Optical array probe, Particle shattering

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15106.

1006-9895(2016)03-0647-10

P426.5+1

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15106

2015-01-12；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-05-19

黃敏松，男，1983年出生，工程師，在職博士研究生，主要從事云降水物理、大氣探測(cè)研究。E-mail: mission@mail.iap.ac.cn

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng) 41327803

Founded by the National Major Program for Scientific Reasearch Instrument Development of China (Grant 41327803)

黃敏松，雷恒池，陳家田，等. 2016. 機(jī)載光陣探頭探測(cè)期間云粒子的破碎 [J]. 大氣科學(xué), 40 (3): 647?656. Huang Minsong, Lei Hengchi, Chen Jiatian, et al. 2016. Cloud particle shattering during sampling by airborne optical array probes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 647?656,