降雨模擬實驗設計與教學實踐

李學行， 陳 嬌

（中國氣象局氣象干部培訓學院安徽分院業務培訓部，合肥 230010）

0 引 言

降水觀測是地面氣象觀測中的重要因素之一，掌握降水強度判識技能，理解降水觀測與風速、溫度之間的關系是教學中的難點之一。根據地面氣象觀測規范，降雨按照人工定性觀測強度劃分為小、中、大3種強度，分別表現為雨滴清晰可辨、雨落成線、迅速形成積水的特征。在自動化定量觀測中，一般降雨強度0.1～4.0 mm／min不等，如何使學員掌握更為細致的直觀判識技能成為一個棘手的難題。此外，降水量的觀測受風速的影響較大，降水會引起氣溫的變化，通過天然降雨研究此類問題時，常常會受到時間、空間等條件的限制，給教學工作帶來極大的困難，這也使得對降水量與風速及溫度之間的關系僅停留在理論教學階段。因此，在教學中如果能通過實驗的方式讓學員親身體驗，其培訓效果定然會有顯著提高。

調研發現，早在20世紀初，美國、日本、加拿大等國家就已經開始采用人工模擬降雨的方式研究土壤侵蝕、水土流失等問題［1］。在20世紀50年代后期，人工模擬降雨引起國內科學家的重視，目前國內已研制出了多種用于不同研究目的和實驗條件的人工模擬降雨裝置。例如，陳文亮課題組［2］研制的SR型人工降雨裝置；吳長文等［1］使用的用于陡坡坡面流及坡面侵蝕的擺噴式人工模擬降雨裝置；張光輝等［3］開發的槽式人工模擬降雨機；文獻［4-6］中研究了室內降雨模擬裝置。由于人工模擬降雨裝置具有試驗周期短，可調控，不受時間空間限制等優點，已廣泛應用于農田水利、環境保護、農業等研究領域［7-11］。目前國內還未發現將人工模擬降雨用于氣象行業的現場教學研究。

人工模擬降雨實驗教學平臺在氣象培訓中應用至少可以發揮如下作用：

(1)提升培訓質量。通過降雨模擬實驗教學平臺，授課教師可以更加精準有效的傳授降雨方面的知識，學員可以更加直觀清晰地判識降雨強度。

(2)激發學員的主觀能動性。通過實驗式教學平臺的現場操作模擬，引導學員從被動的接受課堂知識灌輸到主動參與學習，加深學員對知識的理解和感知，拓寬學員的視野，完善對所學知識的構建。

(3)促進創新性培訓方式的開發和應用。通過學員對實驗式教學方式的反饋，激發授課老師開發更多的創新性培訓方式，探索訪談、行動教學等其他教學方法的運用，從而進一步完善氣象教育培訓課程體系。

為了更好地提升培訓效果，提高培訓質量，開發新的教學方式，我院搭建了一套人工模擬降雨實驗教學平臺，用于氣象教育培訓和研究工作。

1 教學功能設計

從實驗教學的角度，人工模擬降雨教學平臺應實現如下功能。

1.1 實現對不同降雨強度的模擬、細微調控以及反饋監視

通過調節模擬艙中的噴頭開度、疊加噴頭個數，實現3級雨強（1、2、4 mm／min，簡稱小、中、大雨，與嚴格意義上的氣象學分類無關，只作研究區分之用）的模擬及細微調控實現不同降雨強度模擬，降雨量通過雙翻斗雨量傳感器進行采集顯示。

1.2 探究風場對降水量的影響

在降雨模擬艙外安裝一套風速控制系統，可實現對不同風速的調控，控制范圍在0～18 m／s，用來研究不同強度的風對降水量的影響。

1.3 研究不同降雨強度對溫度的影響

模擬艙內外各安裝一套鉑電阻溫度傳感器，記錄降雨過程中模擬艙內外的溫度變化，探究不同強度的降水對溫度的影響。

上述雨強、風速、溫度通過上位機控制系統集中管理。

2 實驗平臺設計

2.1 硬件部分

整個模擬平臺包括降雨控制、風速控制和溫度監測系統3部分。其中降雨控制系統主要包括降雨模擬艙、水泵、噴頭、水箱、閥門、雨量筒及控制器等；風速控制系統主要包括風機、變頻器等設備實現4檔位風速控制；溫度控制系統主要包括兩個溫度模塊。人工模擬降雨實驗教學平臺的實物圖如圖1所示，電氣系統如圖2所示。

圖1 人工模擬降雨實驗教學平臺實物圖

圖2 人工模擬降雨實驗教學平臺電氣系統

2.2 軟件部分

人工模擬降雨平臺軟件部分主要包括雨量控制系統軟件，可實現小、中、大雨3種降雨強度的模擬以及人工模擬降雨實驗室系統軟件（包括控制風機、調整風速、顯示溫度及管理雨量控制系統軟件）兩個部分。軟件界面如圖3所示。

圖3 人工模擬降雨平臺軟件界面

3 課程設計

人工模擬降雨實驗式教學裝置調控降雨控制面積8 m2，降雨高度為2.5 m，降雨強度通過計算機全自動調控，變化范圍1～6 mm／min。采用噴淋技術，具有易安裝、調控方便等優點，但存在產生的雨滴不夠均勻的缺點。為了克服這一缺點，將雙翻斗雨量傳感器放置在6組噴淋裝置的正中心位置，感受群體變化而非某1組噴頭的變化，使降雨強度變化相對平穩，滿足教學的需求。

教學設計大致包括30 min模擬實驗、30 min討論、120 min獨立完成實驗報告。通過教學，增強學員對不同降雨強度的直觀感受，對風速影響降水量觀測、降水對氣溫影響過程有量化的理解，培養學員對實驗產生濃厚興趣，對開展研究型業務起到催化作用。

實驗過程中，從小雨、中雨、大雨3個級別遞進展開，每個級別10 min，風速按靜風、4.8 m／s、9.7 m／s、14.5 m／s、19.6 m／s 5級風速控制，每個風級2 min。

實驗過程中及結束后的30 min，針對實驗數據進行討論。模擬過程中由于水壓難以精準控制，降雨強度有微弱的波動，因此，去掉最大值與最小值后取平均值，實驗結果如圖4所示。由圖可見，風速變化在不同降水強度水平下影響是不相同的。降雨強度較小時，風速影響不大，呈現出略正向影響；降雨強度中等時，風速增大對降水量有較明顯正向影響，當風速達到14.5 m／s時達到最高，風速再增大，降水量反而下降；降雨強度較大時與中等時表現恰恰相反。該實驗數據與自然降雨過程中風速對降水量觀測的影響是不完全一致的，這是由于實驗室較小，在一個封閉空間中，可能產生明顯的渦旋氣流。但實驗表明，風速對降水量觀測產生顯著的影響，這是非常重要的。

圖4 降水與風速之間的關系

降雨對氣溫的影響也是很顯著的，從表1可見，降水強度較小時，降水對氣溫影響不大，降雨強度中等時氣溫下降了0.6℃，降雨強度較大時氣溫下降了0.5℃。由于模擬降雨的水是存放在水箱中的，在同一個房間內，與房間空氣溫度基本保持一致，因此，降雨過程中的空氣溫度下降主要由于水分蒸發降溫所致。在實際降雨中，這種降溫過程更明顯，因為降雨來自更高的空中，雨滴本身溫度比近地層氣溫低。

表1 不同降水強度對氣溫的影響

根據實驗及討論過程，學員根據自己的知識儲備，著手寫實驗報告，這一過程是一個理論認識的提升過程。不僅熟悉了組織實驗的科學方法，更要綜合理論知識、實踐經驗，思考實驗中的數據為什么是這樣的變化規律，與實際業務有哪些不同。

4 教學實踐

人工模擬降雨實驗教學平臺主要針對參加地面氣象觀測培訓人員，培訓目的為提高相關人員觀測業務能力。利用人工降水模擬實驗平臺，可逼真地模擬并構建真實的不同強度的降雨，不受時間、空間、天氣等因素的限制，實現了降雨觀測業務培訓的及時性。

人工模擬降雨實驗室教學平臺綜合了多項技術，構建了具有實時操作、研究的現場模擬場景，通過實時現場演示和探討，學員可身臨其境地觀測不同強度的降水過程、不同風速對不同降水強度的影響以及不同降水強度對觀測溫度的影響，激發了學員的學習興趣，培養學員主動思考解決問題的能力，強化了培訓效果。

該平臺在全國觀測人員業務素質與能力培訓班中應用，因為培訓形式新穎，得到學員的好評。

5 結 語

隨著氣象事業的快速發展，對氣象工作者提出了更高的要求。觀測自動化，不是不要觀測人員了，而是對觀測人員提出了更高的要求。降水模擬實驗教學平臺，開啟了實驗教學的一種培訓新形式，為更高深層次的業務培訓探索了道路，同時為學員開啟了氣象科學性、業務研究型的思考新模式。

雖然人工模擬降雨實驗教學平臺解決了降雨觀測培訓中可視化問題，學員可以更加直觀清晰地判識降雨強度、了解風速與降雨、降雨與氣溫之間的影響關系，但因為平臺規模較小，限制了學員主動性設計實驗的可能性。關于降雨與風場、降雨觀測儀器的研究方向有很多實際問題待探索，比如區域站降雨桶布設在樓頂對降雨觀測的影響、觀測場內不同降雨儀器之間的測量差別等［12-15］。學員可能存在很多疑問，可以帶著問題在平臺上自主設計實驗環境，例如改變雨量桶的高度、位置，增加障礙物，改變風向等，通過實驗，自己尋找答案。

實驗教學已經在部分高校以及環境監測、安全工程等行業培訓領域開展實踐探索［16-18］，展望未來，這種有益于開放思維、主動學習、學以致用的實驗研究型培訓形式將會成為未來氣象培訓的重要形式，為發展研究型氣象業務提供智力支撐。

·名人名言·

懶于思索，不愿意鉆研和深入理解，自滿或滿足于微不足道的知識，都是智力貧乏的原因。這種貧乏通常用一個字來稱呼，這就是“愚蠢”。

——高爾基