雨滴譜式降水現象儀現場校準方法研究

馮 慧，李松奎，樊錦濤，魯物婷，李秀琳，徐頌捷

(1.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室,西安 710016；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

降水現象儀是地面氣象觀測主要設備之一[1]，根據自動采集的數據，可輸出雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等多種降水類型。陜西省11個市(區)共99個國家級地面氣象觀測站均已配備雨滴譜式降水現象儀[2-7]。在城市建設、水利、機場等部門也廣泛使用雨滴譜式降水現象儀。由于雨滴譜式降水現象儀在使用中受安裝精度、透鏡老化、外界抖動干擾等各種因素的影響，常常影響觀測的準確性。目前，針對雨滴譜式降水現象儀的計量需求，還沒有形成規范的校準方法和校準業務。在實驗研究的基礎上，本文提出一種現場校準方法，以推進雨滴譜式降水現象儀的計量業務，確保觀測數據準確可靠。

1 雨滴譜式降水現象儀

1.1 工作原理

雨滴譜式降水現象儀主要由雨滴譜傳感器、數據采集器及其外圍設備和軟件構成，其中雨滴譜傳感器包括激光發射器、激光接收器和處理單元[8-9]。它可以全天候自動捕獲大氣中降落的雨、雨夾雪、雪、冰雹等水凝物，因水凝物物理特性的差異，在粒子直徑和下落末速度的分布上有各自對應關系。根據降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的粒徑和下落末速度，確定降水粒子的圖譜分布，判定并輸出降水現象類型。雨滴譜式降水現象儀既可作為單獨的傳感器掛接在自動氣象站或綜合觀測系統中，又可配備采集器作為觀測儀獨立使用。

1.2 計量特性

雨滴譜式降水現象儀計量特性見表1，技術指標不用于合格性判別，僅供參考。

表1 雨滴譜式降水現象儀計量特性

2 降水模擬標準裝置

2.1 降水模擬標準裝置工作原理

測量標準采用降水模擬標準裝置，在勻速轉動的透明轉盤上粘貼不同尺寸的圓形不透光遮擋物，采用步進電機驅動轉盤勻速轉動，穿過被校降水現象儀的激光檢測區。利用不同尺寸的遮擋物模擬不同尺寸的降水粒子，不透光遮擋物中心處轉盤的線速度即為該模擬粒子下落的末速度。主要技術指標如下：粒子直徑范圍為2.1～21 mm，直徑誤差±0.06 mm；粒子速度范圍為0.6～16 m/s，速度誤差±0.03 m/s。

2.2 降水模擬標準裝置安裝方法

將降水模擬標準裝置放入降水現象儀收發光路中間，調節標準裝置高度，確保降水現象儀的激光束處在降水粒子模擬單元透光孔的中心位置，并連接好通信線和電源線。降水模擬標準裝置開始測試前，必須保證轉盤的潔凈。如果轉盤表面劃傷，請及時更換。

2.3 降水模擬標準裝置溯源

降水粒子直徑用游標卡尺來測量，并對游標卡尺進行溯源；速度用轉速表來測量，并對轉速表進行溯源。

3 校準項目和校準點的選擇

3.1 降水粒子直徑

校準點的選擇：根據雨滴譜圖，模擬降水粒子直徑結合速度需覆蓋雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等降水現象，并使其落在可明顯區分降水類型的區域。降水粒子標準直徑一般選擇包含降水現象儀下限、上限和中間點在內的4個點進行測量。降水粒子標準直徑校準點：2.4、4.3、9.5、21 mm，每個標準直徑應配合4個降水粒子標稱速度(2.0、3.4、7.0、12.0 m/s)分別進行測量。

降水粒子直徑的校準：采用降水模擬標準裝置模擬特定大小的粒子下落，對選取的不同降水粒子直徑進行校準，選取1種標稱速度對直徑進行10次重復測量，取10次測量平均值作為校準結果。按相同方法，在其他3種速度下對粒徑進行測量。

降水粒子直徑示值誤差數據處理見公式(1)。

Δd=d-ds，

(1)

式(1)中，Δd為各校準點直徑示值誤差，單位為mm；d為各校準點直徑平均值，單位為mm；ds為各校準點直徑標準值，單位為mm。

3.2 降水粒子速度

校準點的選擇和測量方法與3.1相同，在測量降水粒子直徑的同時得出降水粒子速度。降水粒子速度示值誤差數據處理見公式(2)。

Δv=v-vs，

(2)

式(2)中，Δv為各校準點速度示值誤差，單位為m/s；v為各校準點速度平均值，單位為m/s；vs為各校準點速度標準值，單位為m/s。

4 應用實例

為了驗證本方法的可行性，選取3種型號的降水現象儀各1臺進行試驗，分別為A、B、C型。為方便降水現象儀校準點對應的直徑和速度的記錄，校準點和序號的對應關系如表2所示。

表2 校準點與序號對應關系

測量結果如下：A型降水現象儀降水粒子直徑示值誤差最大值為0.20 mm，最小值為0.18 mm；B型降水現象儀的最大值為0.21 mm，最小值為0.19 mm；C型降水現象儀的最大值為0.26 mm，最小值為0.25 mm。3臺降水現象儀降水粒子直徑示值誤差對比如圖1所示，可以看出，A型降水現象儀降水粒子直徑示值誤差偏小，C降水現象儀降水粒子直徑示值誤差最大。

圖1 3臺降水現象儀降水粒子直徑示值誤差對比

A型降水現象儀的降水粒子速度示值誤差最大值為0.05 m/s，最小值為0.02 m/s；B型降水現象儀的最大值為0.08 m/s，最小值為0.04 m/s；C型降水現象儀的為0.15 m/s，最小值為0.09 m/s。3臺降水現象儀降水粒子速度示值誤差對比如圖2所示，可以看出，A型降水現象儀降水粒子速度示值誤差偏小，C型降水現象儀降水粒子速度示值誤差最大。

圖2 3臺降水現象儀降水粒子速度示值誤差對比

5 結語

研究表明，用降水模擬標準裝置選取4個降水粒子分別配合4個標稱速度依次進行10次測量，分別得出被校降水現象儀2個校準項目的誤差，作為儀器準確性的識別依據是可行的。此標準裝置應用簡便、快捷、準確，輸出結果可信，可以作為降水現象儀的計量業務校準方法之一，可在業務中推廣使用。