雨滴谱探测技术发展及应用概述

万和跃　濮江平　刘思瑶

摘 要：雨滴谱的测量研究由来已久，尤其是在最近30年中得到了迅速发展。该文简要回顾了国内外雨滴谱的研究历史以及早期的人工观测方法，并简要介绍了目前国内使用较多的Parsivel激光降水粒子谱仪，分析了其相比于传统观测手段的优势。另外，文中重点分析了雨滴谱的应用，即在雷达测雨方面，可以用来拟合更准确的Z-I关系，提高雷达测雨的准确性，在人工影响天气方面，一方面可用作人工增雨的依据；另一方面可用以检验人工影响天气的效果。

关键词：雨滴谱 激光雨滴谱仪 雷达 降水，人工增雨

中图分类号：F416 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0166-02

雨滴是云中各种因素综合作用的结果，是宏观、微观过程相互影响的最终产物，而雨滴谱则带有其形成发展的信息。雨滴谱（Raindrop Size Distribution）指的是单位空间体积内各种大小雨滴的数量随其直径的分布。

目前，对雨滴谱的观测已成为云和降水物理观测的重要项目之一，在气象、水文及相关学科领域都有十分重要的应用价值。通过对雨滴谱的观测研究，可以了解降水的微物理结构及其参量的演变规律，更重要的是它还反映了云中成雨过程、云动力学和微物理学之间的相互制约关系。另外，雨滴谱的研究在雷达气象，人工影响天气，边界层陆面过程，气溶胶等诸多领域中也发挥着不可替代的作用。

1 雨滴谱探测研究发展

雨滴谱的测量研究由来已久，国外的科研人员早在19世纪90年代就开始关注雨滴谱的观测，并且在此以后陆续提出了一系列的测量雨滴尺度分布的方法[1]。

我国从20世纪60年代开始对雨滴谱进行观测和研究。1962年中国科学院地球物理研究所分别在南岳衡山和东岳泰山组织了系统观测，得出了我国云雾降水微结构的一些重要特征[2-3]，这些研究成果在对我国云雾降水过程的了解提供一定帮助的同时，也拉开了我国的云雨滴谱观测的序幕。70年代末，国内学者分别在东北平原、长江流域、西北高原等地进行了雨滴谱的观测与研究工作，80年代以来，雨滴谱的研究工作不断在各地展开[4]。尤其是近年来，随着激光雨滴谱仪等一系列新仪器的引进和对云物理降水过程的关注，大量不同地区、不同类型云降水的雨滴谱分布特征被总结发现，进一步推动了雨滴谱研究的深入。

1.1 早期人工观测

早期用于分析雨滴尺寸和分布的方法主要有：动力学方法、斑迹法、面粉法、照相法和浸润法等。但因各种原因，早期的观测方法普遍存在测量精度不高，效率较低，测量实时性差的缺点，而且对数据进行整理分析时只能靠人工操作，无法自动完成测量分类，容易产生人为误差和错误[5]。

1.2 新型仪器自动观测

近年来，随着大气科学的整体发展与电子科技的进步，出现了多种新型的雨滴谱测量仪器。按照测量原理的不同可分为冲击型雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪。目前使用较多的是光学雨滴谱仪，国外的技术已经比较成熟，而国内的激光雨滴谱仪则仍停留在实验室研发阶段[6]。因此，国内使用的雨滴谱仪其核心技术仍然要依靠国外进口。其中，使用较多的是由德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子谱仪[7]。

Parsivel降水粒子谱仪是随着激光技术发展而产生的新型光学粒子测量传感器，主要包括发射机、接收机和控制、运算、存储电路等部分。仪器使用发射机产生的平行激光束作为采样空间，接收机则把接收到的光束转化为电子信号。无降水时，电子信号将是一个稳定值，而当降水粒子下落，通过采样空间时，会造成光束强度衰减，从而改变电子信号。通过记录下落物的宽度和穿越时间，可以计算出降水粒子的尺度和速度。

与传统的测量方法相比，Parsivel降水粒子谱仪可同时测量降水中所有液体和固体粒子的尺度和速度，并对降水粒子进行分类。仪器独特的表面设计可以有效避免雨滴飞溅落入采样空间，进一步提高了测量精度；自带的加热系统可以适应冻雨等恶劣天气状况。这种新型测量仪器虽然还具有使用和维护简单等优势，但仍存在一定的缺陷。比如，当两个或者多个降水粒子同时通过采样空间，仪器将无法准确识别，造成重叠误差，进而对粒子谱和速度的计算产生影响。另外，对采样空间的确定和采样周期的选择也会影响测量效果。

2 雨滴谱应用

雨滴谱的研究的深入，对进一步了解自然降水的物理过程、探索云内成雨机制、提高雷达测量降水的准确度、评估人工增雨的云水条件、检验催化效果以及数值模拟等方面都有重要意义。此外，雨滴谱资料在陆面过程的水土保持，气溶胶的湿沉降，云的参数化等方面也有重要的作用。

2.1 雷达定量测雨

目前，在使用雷达定量测雨的过程中最常用的方法是Z-I关系法，即应用雷达气象方程由测得的回波功率计算出雷达反射因子Z值，再根据已知的Z-I关系推得降雨强度[8]。Z-I关系的基础是雷达反射因子Z和降雨强度I都与粒子的直径D有关。

雷达反射因子Z定义为单位体积内所有粒子直径D的6次方之和，即：

而雨强I定义为单位时间内落到单位面积上的降水质量，即雨强与落到单位面积上总的雨滴质量 （与雨滴直径D的3次方成正比）和雨滴下落速度有关。由此可得到反射因子和降水强度的关系式：

其中a，b是经验系数。

目前所使用的Z-I关系都是在试验基础上得到的经验公式，具有很大的不确定性，随时间，地点的变化需要进行订正，以减小误差。实际上，对不同降水类型及一次降水中不同阶段的Z-I经验关系的研究已经历了40多年，在各种情况下曾被使用过的Z-I关系已有60余种[9]。但是Z-I关系的订正使用的仍是雨量筒的测量数据，其在时间上分辨率较低，与雷达探测时间尺度上的高分辨率存在不可调和的矛盾。随着Parsivel降水粒子谱仪等新型雨滴谱仪器的应用，更多高分辨率的降水粒子谱分布特征和降水强度瞬时数据的获取，使拟合出更为准确的Z-I关系成为可能[10]。

另外，在雷达校验定标方面，雨滴谱也可以发挥重要作用。天气雷达回波的定标是一项极为重要的工作，定标结果的好坏关系到观测数据的准确性。目前使用的定标方法一般是从气象雷达方程出发制作定标曲线，而通过比较高分辨率雨滴谱资料计算的反射率因子与雷达回波强度反算的反射率因子，可以从另一个角度对雷达回波强度进行标定，进一步提高定标结果的有效性。

2.2 人工影响天气效果检验

雨滴谱中带有雨滴形成过程的各种信息，如果能对特定地区获取多次过程的雨滴谱资料进行分析研究，就能了解该地区降水的特征和形成机制，进而可以为人工影响天气作业提供依据。

另一方面，人工影响天气的作业效果检验一直是一个亟待解决的问题，而如何科学地进行人工增雨效果检验即是国内外的一个重大技术难题，也是我国人工增雨技术的最薄弱环节[11]。目前普遍使用的统计检验和物理检验在实际使用过程中也都存在一些问题，因此，可以通过观测雨滴谱在人工增雨过程中的变化来评估人工增雨的效果。其基本原理是自然降水粒子谱分布与人工催化的粒子谱分布在理论上应当有较大的差别[12]，同时增雨作业后滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都会有明显差别。通过分析比对催化前后的雨滴谱资料，就能够很好地检验人工增雨的效果[13]。

参考文献

[1] 安英玉，金凤岭，张云峰，等.地面雨滴谱观测的图像自动识别方法[J].应用气象学报，2008，19（2）：188-193.

[2] 詹丽珊，陈万奎，黄美元.南岳和泰山云中微结构起伏资料的初步分析[M]//我国云雾降水微物理特征的研究.北京：科学出版社，1965：30-40.

[3] 徐华英，李正洪.南岳一次阵性降水的演变特征[M]//我国云雾降水微物理特征的研究.北京：科学出版社，1965：41-48.

[4] 陈德林，谷淑芳.大暴雨雨滴平均谱的研究[J].气象学报，1989，47（1）：124-127.

[5] 朱亚乔，刘元波.地面雨滴谱观测技术及特征研究进展[J].地球科学进展，2013，28（6）：685-694.

[6] 徐东升，徐青山，徐亦东，等.雨滴谱测量技术研究进展[J].大气与环境光学学报，2011，6（6）：403-408.

[7] 徐文静，苏德斌，张小兵.Parsivel雨滴谱仪与自动站雨量计降水资料初步对比分析[J].仪器仪表学报，2007，28（8）：457-460.

[8] 张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2000.

[9] 杨扬，张建云，戚建国，等.雷达测雨及其在水文中应用的回顾与展望[J].水科学进展，2000，11（1）：92-98.

[10] 濮江平，赵国强，蔡定军，等.Parsivel激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用[J].气象与环境科学，2007，30（2）：3-9.

[11] 张中波，仇财兴，唐林.多普勒天气雷达产品在人工增雨效果检验中的应用[J].气象科技，2011，39（6）：702-708.

[12] 王建恒，陈瑞敏，王国宁.一次小尺度强降水火箭增雨作业效果检验分析[C]//第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议（上册）.2005：424-429.

[13] 刘玉超，张蔷，郭恩铭.云滴谱的演变与火箭增雨效果的分析[C]//第十四届全国云降水物理和人工影响天气科学会议（上册）.2005：470-473.