浅析激光降水探测仪的工作原理和适用环境

1 激光降水探测仪的工作原理

激光降水探测仪 (图1) 是一种遥测数据发送器[1]。它适用于测量和观察不同的降水类型, 如毛毛雨、普雨、冰雹、降雪和混合型降水, 进而确定降水类型、强度、降水时的视域、雷达反射率和波谱, 所有测量值通过RS485/422接口传输。仪器还装有两个数字出口 (光电耦合器) , 通过它们可以给出降水脉冲和降水状态。光学元件装有集成加热器。带有“选择性测量线路”选项的仪器可以额外测量温度、相对湿度、风速和风向。

借助于一个激光-光学射线发生器 (激光器二极管和光学系统) 产生一个平行的光带 (红外线, 波长780 nm, 测量面积45.6 cm2, 不可见) , 在接收端有一个带有透镜的光敏二极管, 用于将光学信号转变成电子信号来测量激光强度[2]。当一个降落的降水粒子通过光带时, 接收信号将被减弱。粒子的直径可通过减弱振幅来计算, 而粒子的降落速度将通过减弱信号的持续时间被计算出来[3]。

测量值被信号处理器 (DSP) 加工并检测其合理性 (例如降水粒子只与测量面边缘接触的情况) 。降水强度、降水量、降水类型 (毛毛雨、普雨、降雪、降霰、冰雹以及混合型降水) 和粒子波谱 (在体积波谱上的粒子分布) 将被计算出来。降水类型通过所有粒子直径和速度的统计学比例关系来确定 (表1) , 这些比例关系已经被科学地检验过[4]。另外, 为了更好地识别还引入了温度参数:当温度高于9℃时, 降水将被自动定义为液态 (降霰和冰雹例外) , 当温度低于-4℃时定义为固态。在其间的温度范围可能出现所有降水类型。

激光降水探测仪输出的谱状视图 (图2) 给出测量区间内所记录的降水事件信息。在标准运行下, 一个测量区间为1 min, 仪器根据分布状况计算物质状态和降水量。Y轴显示粒子的速度, X轴显示粒子的直径。仪器会将直径量化分级, 曲线显示液态降水粒子的速度和大小的预测值。例如一个直径为2 mm的粒子所对应的速度预测值大约为6.6 m/s。根据物质状态的不同, 这一对应关系会相应改变。用颜色标明的区域显示所记录的粒子具有相应直径和速度, 颜色显示所记录的粒子数量。长条形显示与事件数量相对应的颜色, 在所显示的例子中颜色的标度以对数形式显示。

2 工作环境对激光降水探测仪的影响

激光降水探测仪下部的底座不应有深颜色的石头、沥青或者类似的成分制成, 因为在太阳光照射下, 上升的气流会造成所谓的纹影。建议采用草地作为底座。

随着风速和风向的变化, 降水粒子通过激光降水探测仪时会受到影响, 降落速度也将被改变。从仪器工作原理上来看, 这可能导致观测数据质量的下降。应该避免设立在完全开放且无防风措施的地区 (特别是山顶) 以及靠近障碍物的背风面。周边有植物遮挡或设有防风措施的地点很适合作为安装地点。

传感器应设立在距下一个障碍物最近距离为四倍障碍物高的地方。如果这个要求不能满足, 则至少要注意:周围的植物、建筑物等的仰角要小于45°。这也要求探测器应该被固定在枪杆式支架顶端。一般来说, 建议的测量高度为最低1 m, 在降雪多的地区为1.5~2 m。

虽然在射束横截面没有通过光学工具放大或缩小的前提下, 激光射线对眼睛无害, 但为了安全起见, 仍建议在一个受管理的地方操作激光降水探测仪。

将激光降水探测仪直接安装在街道旁边是没有意义的, 由交通工具扬起的水粒子可能导致测量误差。

摘要：雨滴谱是降水最重要的特征量之一。目前, 随着光学测量技术的发展, 激光降水探测仪开始应用于雨滴谱观测, 其基本原理是当降水粒子通过设备取样区域时, 根据激光信号的衰减量来测量激光信号, 从而判断雨滴的大小、数量及速度。

关键词：雨滴谱,遥测,激光

参考文献

[1] 牛生杰.云降水物理研究[M].北京:气象出版社, 2012.

[2] Chen B J, Hu W, Pu J P.Characteristics of the Raindrop Size Distribution for Freezing Precipitation Observed in Southern China[J].Journal of Geophysical Research Atmos pheres, 2011, 116 (D6) :161-165.

[3] 濮江平, 张昊, 周晓, 等.对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析[J].气象科学, 2012, 32 (3) :253-259.

[4] Gunn R, Kinzer GD.The Terminal Velocity of Fall for Water Droplets in Stagnant Air[J].Journal of the Atmospheric Sciences, 1949, 6 (4) :243-248.