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.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟南 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.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟南 250001)

雨滴譜；激光雨滴譜儀；降雨動能；雨滴總動能

激光雨滴譜儀的應用對于更清楚地認識自然降水的發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行對比分析發現，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。雨滴譜分析結果顯示，雨滴平均直徑與總動能、雨強相關性甚微，與雨滴數量呈負相關；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)上顯著相關；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻最大，占總動能的99%以上；5 min總動能與5 min雨強之間關系密切。

1 激光雨滴譜儀簡介

激光雨滴譜儀由內置數據采集器、操作軟件、防風部件、支架等組成，所有數據均以RS485協議傳輸，再通過協議轉換器轉接到其他設備。它是應用激光原理對高速運動物體進行測定，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；可以監測區分下落中的毛毛雨、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，并且進行必要的分析，繪出雨滴譜圖；還可以對氣象雷達數據進行校正。目前，激光雨滴譜儀廣泛應用于交通控制、氣象監測與服務、科學研究、機場觀測、公路氣象監測、水文地理學等領域。

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據(1 min降雨量)進行分析，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，可以保留到小數點后兩位，自動雨量計僅保留小數點后一位。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值比自動雨量計大，但自動雨量計測量值的變異系數比激光雨滴譜儀測量的大。總的來說，自動雨量計測量的降雨量平均值和變異系數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。當然，要詳細了解兩種儀器在測量降雨量準確度上的差異，還需要收集大量樣本進行論證，特別是自然降雨情況下的比較。

3 激光雨滴譜儀的應用

3.1 雨滴譜分析

反映雨滴譜特性的參數主要有雨滴的直徑、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是不規則的，測量其大小分布狀況在技術上很難實現。傳統的雨滴譜測量是通過人工采集大量的雨滴特性參數數據，對雨滴的直徑進行統計分類。該過程繁復耗時，實時性差，往往存在很大的誤差。激光雨滴譜儀實現了雨滴譜測量的自動化，能實時地給出雨滴譜測量曲線，對降水粒子進行統計分類，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，并指導人們提前預防洪澇災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，廣泛地用于土壤侵蝕模型研究[2]。運用降雨動能經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，而基于雨滴譜函數和降雨微觀過程的計算模型，可以研究和分析坡度、風速、風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、雨滴直徑和雨滴數量，得出雨滴譜圖表，再根據雨滴譜圖表計算出雨滴動能。

對不同雨強下11次連續模擬降雨，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、不同直徑雨滴數量，并對不同直徑雨滴對動能的貢獻率進行分析。這48組數據平均雨強為39.25 mm/h，雨滴平均直徑為0.47 mm，雨滴數量約12 128個/min。考慮到雨滴直徑過大、過小都不易發生強烈擊濺，所以對直徑0.25～6.00 mm的雨滴進行分析。

(1)對每分鐘采集數據進行相關性分析。雨滴平均直徑與總動能、雨強相關性甚微，與雨滴數量呈負相關，相關系數為-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)上顯著相關，相關系數分別為0.831、0.826；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻最大，占總動能的99%以上。

(2)整理每5 min數據進行相關性分析。雨滴平均直徑與5 min總動能、5 min雨強相關性不顯著；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)上顯著相關，相關系數分別為0.850、0.804；5 min總動能受陣風風速影響較大，兩者呈負相關，相關系數為-0.848；對5 min總動能與5 min雨強之間相關關系進行分析(圖1)，結果表明5 min總動能與5 min雨強關系密切。

4 結 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行對比分析，結果表明：

(1)利用11次連續模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀與氣象站雨量測量數據進行分析，測量雨強范圍為10～81 mm/h，結果顯示，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據，對模擬降雨條件下每分鐘采集數據進行相關性分析發現：雨滴平均直徑與總動能、雨強相關性甚微，與雨滴數量呈負相關；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)上顯著相關；直徑0.25～6.00 mm雨滴動能對總動能貢獻最大，占總動能的99%以上。對每5 min整理數據進行相關性分析發現，5 min雨滴總動能與5 min雨強之間關系密切。

[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].激光與光電子學進展,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.基于雨滴譜函數的降雨動能理論計算模型[J].自然科學進展,2006,16(10):1251-1256.

(責任編輯 李楊楊)

水利部“948”項目(201029)；水利部公益性行業科研專項經費項目(201101057)；2012年山東省水利科研與技術推廣課題(SDSLKY201201)；山東省省級水利科研與技術推廣項目(SDSLKY201504)；山東省水利科學研究院自選課題(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方面的研究工作。

2016-03-15