基于激光雨滴谱仪的降雨特征研究

陈凤琴，韩合忠，耿灵生，岳潇静

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013； 2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250013； 3.山东省水文局，山东 济南 250001)

基于激光雨滴谱仪的降雨特征研究

陈凤琴1,2，韩合忠1,2，耿灵生1,2，岳潇静3

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013； 2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250013； 3.山东省水文局，山东 济南 250001)

雨滴谱；激光雨滴谱仪；降雨动能；雨滴总动能

激光雨滴谱仪的应用对于更清楚地认识自然降水的发展演变过程具有重要意义。利用激光雨滴谱仪记录不同模拟降雨条件下的降雨特征，分析雨滴谱，计算雨滴动能，并与自动气象站的测量降雨装置进行对比分析发现，激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值整体偏低，但两者观测到的每分钟降水量变化趋势基本一致。雨滴谱分析结果显示，雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微，与雨滴数量呈负相关；雨强与降雨总动能、直径0.25～6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关；直径0.25～6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大，占总动能的99%以上；5 min总动能与5 min雨强之间关系密切。

1 激光雨滴谱仪简介

激光雨滴谱仪由内置数据采集器、操作软件、防风部件、支架等组成，所有数据均以RS485协议传输，再通过协议转换器转接到其他设备。它是应用激光原理对高速运动物体进行测定，可测定运动物体的总量、大小、强度和运动速度，尤其是对微小物体的测定，测定对象最小直径可达0.16 mm。它可以测量最小0.005 mm/h、最大250 mm/h雨强的降水；可以监测区分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球，以及各种介于雪花和冰雹之间的降水；可以计算各种降水类型的强度、总量、能见度，并且进行必要的分析，绘出雨滴谱图；还可以对气象雷达数据进行校正。目前，激光雨滴谱仪广泛应用于交通控制、气象监测与服务、科学研究、机场观测、公路气象监测、水文地理学等领域。

2 激光雨滴谱仪与自动雨量计降雨量测量值比较

为了解激光雨滴谱仪在降雨量测量方面的准确性与可靠性，在多次模拟降雨过程中，采用激光雨滴谱仪与自动气象站降雨测量装置——自动雨量计同步观测降雨量，并进行比较分析。两种仪器均置于同一位置(把自动雨量计放在激光雨滴谱仪下方，以消除降水不均匀引起的测量误差)，认为两种仪器在观测过程中空间和时间上的差异可以忽略。

对不同雨强下11次连续模拟降雨，共约16.2 h、972组激光雨滴谱仪和自动雨量计测量数据(1 min降雨量)进行分析，测量雨强范围为10～81 mm/h，观测到的降雨量变化趋势基本一致，但激光雨滴谱仪精度更高，可以保留到小数点后两位，自动雨量计仅保留小数点后一位。同时，激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值存在整体偏低的情况，特别是30～60 mm/h雨强时，呈现出雨强越大，两者测量值偏差越大的情况，这主要是由雨量计的残水误差引起的；60～81 mm/h大雨强时，长时间降雨条件下，两仪器测定的降雨量几乎无差别；20～30 mm/h雨强时，激光雨滴谱仪测量的降雨量数值比自动雨量计大，但自动雨量计测量值的变异系数比激光雨滴谱仪测量的大。总的来说，自动雨量计测量的降雨量平均值和变异系数较激光雨滴谱仪测量的大，但两者降水量趋势变化基本一致。当然，要详细了解两种仪器在测量降雨量准确度上的差异，还需要收集大量样本进行论证，特别是自然降雨情况下的比较。

3 激光雨滴谱仪的应用

3.1 雨滴谱分析

反映雨滴谱特性的参数主要有雨滴的直径、组成分布、降落速度和动能[1]。雨滴直径的大小，决定了降落雨滴的质量和速度的大小，从而决定了雨滴所具有动能的大小，因此测量雨滴直径是重要的。但是雨滴在下落过程中的大小形态是不规则的，测量其大小分布状况在技术上很难实现。传统的雨滴谱测量是通过人工采集大量的雨滴特性参数数据，对雨滴的直径进行统计分类。该过程繁复耗时，实时性差，往往存在很大的误差。激光雨滴谱仪实现了雨滴谱测量的自动化，能实时地给出雨滴谱测量曲线，对降水粒子进行统计分类，并给出瞬时降雨强度及累积降水量，这对研究降水过程、降水动能，并指导人们提前预防洪涝灾害等极端恶劣天气具有非常重要的意义。

3.2 雨滴动能计算

降雨动能是表征降雨侵蚀能力的一个重要指标，广泛地用于土壤侵蚀模型研究[2]。运用降雨动能经验公式只能给出一定条件下的平均状况，而无法对不同地形条件下降雨动能的变异性和空间分布的不均衡性做出合理的估算，而基于雨滴谱函数和降雨微观过程的计算模型，可以研究和分析坡度、风速、风向等外界条件对降雨动能计算的影响[3]。激光雨滴谱仪可以测出每分钟降雨量下的雨滴速度、雨滴直径和雨滴数量，得出雨滴谱图表，再根据雨滴谱图表计算出雨滴动能。

对不同雨强下11次连续模拟降雨，共约16.2 h、972组激光雨滴谱仪测量的1 min降雨量进行分析计算，计算出雨强在36.49～45.46 mm/h之间共48 min的每分钟雨滴动能、不同直径雨滴数量，并对不同直径雨滴对动能的贡献率进行分析。这48组数据平均雨强为39.25 mm/h，雨滴平均直径为0.47 mm，雨滴数量约12 128个/min。考虑到雨滴直径过大、过小都不易发生强烈击溅，所以对直径0.25～6.00 mm的雨滴进行分析。

(1)对每分钟采集数据进行相关性分析。雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微，与雨滴数量呈负相关，相关系数为-0.729；雨强与降雨总动能、直径0.25～6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关，相关系数分别为0.831、0.826；直径0.25～6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大，占总动能的99%以上。

(2)整理每5 min数据进行相关性分析。雨滴平均直径与5 min总动能、5 min雨强相关性不显著；雨强与降雨总动能、直径0.25～6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关，相关系数分别为0.850、0.804；5 min总动能受阵风风速影响较大，两者呈负相关，相关系数为-0.848；对5 min总动能与5 min雨强之间相关关系进行分析(图1)，结果表明5 min总动能与5 min雨强关系密切。

4 结 语

利用激光雨滴谱仪记录不同模拟降雨条件下的降雨特征，分析雨滴谱，计算雨滴动能，并与自动气象站的测量降雨装置进行对比分析，结果表明：

(1)利用11次连续模拟降雨，共约16.2 h、972组激光雨滴谱仪与气象站雨量测量数据进行分析，测量雨强范围为10～81 mm/h，结果显示，存在激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值整体偏低的情况，但两者观测到的每分钟降雨量变化趋势基本一致。

(2)整理激光雨滴谱仪测量数据，对模拟降雨条件下每分钟采集数据进行相关性分析发现：雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微，与雨滴数量呈负相关；雨强与降雨总动能、直径0.25～6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关；直径0.25～6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大，占总动能的99%以上。对每5 min整理数据进行相关性分析发现，5 min雨滴总动能与5 min雨强之间关系密切。

[1] 徐文静,苏德斌,伽丽丽,等.利用激光降水粒子谱仪观测北京夏季雨滴谱特征[J].激光与光电子学进展,2012,1(3):49-56.

[2] 蔡丽君,王国栋,张社奇.黄土高原降雨雨滴动能的分布律[J].水土保持通报,2003,23(4):28-29.

[3] 马延,周成虎.基于雨滴谱函数的降雨动能理论计算模型[J].自然科学进展,2006,16(10):1251-1256.

(责任编辑 李杨杨)

水利部“948”项目(201029)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201101057)；2012年山东省水利科研与技术推广课题(SDSLKY201201)；山东省省级水利科研与技术推广项目(SDSLKY201504)；山东省水利科学研究院自选课题(鲁水科〔2013〕41号-5)

P426.62

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1000-0941(2017)02-0042-02

陈凤琴(1979—)，女，山东成武县人，工程师，硕士，主要从事水土保持及水生态方面的研究工作。

2016-03-15