激光雨滴谱仪在山东的布设和初步应用

周黎明，王 俊，龚佃利，张洪生，华 杰（山东省人民政府人工影响天气办公室，济南 250031）

激光雨滴谱仪在山东的布设和初步应用

周黎明，王 俊，龚佃利，张洪生，华 杰
（山东省人民政府人工影响天气办公室，济南 250031）

摘要：在介绍了激光雨滴谱仪的工作原理、主要技术指标、用途及仪器存在的优缺点等内容基础上，着重介绍了该仪器在山东的总体布设情况和实际应用的主要技术思路。归纳了山东利用获取的激光雨滴谱仪资料开展的一些研究工作和取得的初步成果。根据业务和科研的需求，初步提出了有关激光雨滴谱仪资料需要深入应用和研究的方向。

关键词：激光雨滴谱仪；技术指标；工作原理；布设与应用

资助项目：公益性行业（气象）科研专项（GYHY201406033）和山东省气象局课题（2013sdqx19，2012sdqxz07，2012sdqx12）共同资助

引言

降水粒子特性代表了云动力过程和微物理过程综合作用的结果，是云降水物理和人工影响天气领域的重要研究内容。反映降水粒子谱的特征参数主要有降水粒子的直径、组成分布、落速和动能等，其中粒子直径的大小直接决定粒子的质量和落速，从而决定降水粒子所具有的动能，因此，对粒子直径的测量是需要解决的首要问题[1]。雨滴谱是反映降水粒子特性的一项重要指标，传统的雨滴谱观测方法主要是利用人工采样的滤纸色斑法，该方法存在取样间隔大、后期处理数据繁冗，且人工数据处理存在较大误差等问题[2]。上世纪90年代初，中国开始逐步使用测量仪器对雨滴谱进行观测，其中GBPP-100雨滴谱仪是较为常用的一种测量仪器。该仪器具备连续采集、直接存储观测数据的功能，但因其取样面积过大，由于雨滴变形和重叠会造成所测大雨滴偏多，特别是在降水强度较大时，计算出的雨强值会偏大[3]。此外，该型仪器不能对粒子落速进行测量。近年来，随着光电技术的发展，激光雨滴谱仪得到更为广泛的应用，它既可以测量降水粒子尺度又能探测降水粒子落速，可较为方便地用于对降水粒子谱的观测研究中。

山东省人民政府人工影响天气办公室（以下简称“山东省人影办”）于2009年8月引进布设了山东首台激光雨滴谱仪，近几年根据业务和科研工作的需求，又陆续增购多台，目前主要用于人工影响天气作业条件分析和降水微物理特征研究，并为人工影响天气作业效果检验积累观测资料。

1 激光雨滴谱仪介绍

1.1 工作原理

激光雨滴谱仪由激光光学发射源产生一组稳定平行的红外激光束带，位于激光直线传播路径上的接收器可以测量光强并将其转换成电信号。当有降水粒子穿过测量区域时，通过消光效应减弱信号，从而导致电压减小。利用测量电压偏差的振幅计算出粒子尺度，利用测量偏差的持续时间计算出粒子下落速度，其工作原理如图1所示。该仪器可以根据所有雨滴直径和速度的统计比例来确定各种降水类型，适用于测量和监测毛毛雨、雨、冰雹、雪、雨夹雪等降水相态。

图1　激光雨滴谱仪工作原理示意图

1.2 技术指标

激光雨滴谱仪是以激光为基础的新一代光学粒子探测设备，通过激光的散射原理实现对降水粒子大小和速度的测量，主要由发射器、接收器、控制器、运算器和存储器5部分组成。德国在激光雨滴谱仪研制方面起步较早，技术成熟。目前，国内主要引进使用了德国OTT公司生产的Parsivel激光雨滴谱仪和THIES公司生产的THIES CLIMA激光雨滴谱仪。两种型号激光雨滴谱仪外形与数据分析软件见图2，其主要技术指标见表1。

图2　Parsivel（a）、THIES（b）激光雨滴谱仪探头外形及THIES CLIMA分析软件（c）示意图

表1　两种型号激光雨滴谱仪主要技术指标

1.3 仪器用途

激光雨滴谱仪可统计所有降水粒子在下落速度和粒径上的分布（雨滴谱图），并实时计算出各种降水类型的强度、总量等，因此可以对毛毛雨、小雨、大雨、冰雹、雪花、雪粒、雨夹雪等不同降水类型进行区分观测。利用其观测数值，并通过一些反演手段，该仪器可用以分析云降水微物理特征和降水形成机制，检验人工影响天气的作业效果，并在降水精细观测、灾害性天气的临近预报和雷达定量估测降水等方面具有较好的应用价值。

1.4 存在的优缺点

激光雨滴谱仪具备如下优点：①可以实现连续取样自动观测；②不但能够实现对降水粒子粒径的测量，还能给出其下落速度值；③该设备的光学配件性能优越，仪器日常使用几乎不需要保养，可以工作在各种较为恶劣的环境条件中。然而，任何观测仪器都存在其弱点，激光雨滴谱仪也不例外。对于一般强度的降水，由于粒子重叠形成的误差很小，可以忽略；但对于大雨而言，由雨滴重叠造成的测量误差问题仍然无法解决，样本数过大超出计数器上限时将饱和溢出[1]。

2 激光雨滴谱仪运行情况

2.1 布点情况

2009年8月，山东省人影办引进了省内首台THIES激光雨滴谱仪，并安装在济南南部山区三岔村火箭人工增雨作业点，进行降水粒子微物理特征观测。根据人工影响天气作业服务和科研试验的需求，2011—2014年，先后引进安装了14 台THIES激光雨滴谱仪和2台Parsivel激光雨滴谱仪。目前，山东共布设激光雨滴谱仪17台，主要布设在鲁西北、鲁中西部、鲁南和半岛地区，具体布设点位置分布如图3所示。

图3　山东激光雨滴谱仪分布图

2.2 布设原则

为充分发挥激光雨滴谱仪的观测效能，综合考虑人工影响天气业务和科研工作需要，激光雨滴谱仪的布设主要基于以下考虑。

（1）以济南南部山区“增雨保泉”作业基地为依托，开展火箭增雨效果检验试验研究。综合考虑济南火箭作业点的布局、雷达回波移动特征[4]等因素，确定主要天气系统回波移动的下风方向，并根据与齐河雷达站的距离、激光雨滴谱仪观测点与主要作业区的间距等条件，在作业区下风方共布设4部THIES激光雨滴谱仪，分别位于济南南部山区三岔村、垛庄、百泉火箭人工增雨作业点，以及莱芜石云山区域气象观测站，形成局部观测网，以便进行火箭人工增雨作业效果检验。

（2）观测分析多种降水类型粒子谱分布特征。在东营市气象局、烟台市气象局内分别布设1台Parsivel激光雨滴谱仪，用于对黄河三角洲冰雹谱、半岛冬季冷流降雪粒子谱和沿海地区雨滴谱进行观测。

（3）针对不同区域（沿海、平原、山地等环境）开展雨滴谱观测。为此，在山东半岛火箭增雨雪示范基地（青岛）布设1台THIES激光雨滴谱仪，用于开展沿海地区降水粒子谱特征观测；在鲁西人工增雨防雹示范基地（聊城）布设1台THIES激光雨滴谱仪，用于开展鲁西平原雨滴谱观测；在泰山气象观测站安装1台THIES激光雨滴谱仪，用于进行高山雨滴谱特征和山区短时强降水粒子谱特征观测。

（4）配合开展飞机人工增雨作业效果评估试验研究。为支持南四湖水系生态重点作业区、泰沂山区水源涵养重点作业区建设，在济宁的汶上和兖州、临沂的蒙阴和双堠分别安装1台THIES激光雨滴谱仪，主要用于飞机增雨作业效果检验和鲁西南、鲁南多降水区域雨滴谱特征的观测分析。

（5）与L波段探空、雷达等相结合，开展云系垂直结构和降水形成机制观测研究。为此，在章丘市气象局内布设1台THIES激光雨滴谱仪，与章丘探空、风廓线雷达等进行联合观测分析；在东阿县气象局内安装1台THIES激光雨滴谱仪，与布设在聊城气象局院内的X波段双偏振雷达开展联合观测研究。

（6）根据人工增雨外场试验进行布设。在泰安东平布设1台THIES激光雨滴谱仪，主要应用于东平湖人工增雨随机试验作业效果的物理检验。此外，山东省气象局院内布设1台THIES激光雨滴谱仪，配合微波辐射计、微雨雷达等进行观测，该套设备配备可移动支架，可根据外场试验和应急服务需要进行移动观测。

2.3 数据传输和管理

考虑到山区易断电、供电不稳等原因，目前济南的垛庄、三岔村及莱芜石云山、泰安东平、临沂双堠等6台雨滴谱仪采用太阳能供电方式，其它激光雨滴谱仪采用220V±10V交流电供电。

观测数据均采用GPRS方式传输到山东省气象局信息中心服务器，实现观测数据统一数据库管理和共享。为保障雨滴谱仪的正常运行观测和业务使用，仪器布设完毕之后，设备的运行维护由其所在市气象局负责，通讯传输由山东省气象局信息中心负责，数据管理和应用开发由山东省人影办负责，并逐步纳入山东省气象局统一管理，实现实时观测资料的数据全省共享。

2.4 观测应用领域

激光雨滴谱仪对瞬时降水强度的实时观测能力有利于早期洪水预测预警，对降水粒子谱的测量能力在人工影响天气作业效果物理检验方面有着很好的应用潜力，对粒子浓度的测量和计算雷达反射率因子的能力在气象雷达定标及雷达Z-I关系计算方面有诸多应用价值。当然，这些应用还有待于通过资料积累以及与其它资料的对比分析，不断进行深入研究开发。

3 初步研究应用与未来研究方向

3.1 初步研究应用

近几年，山东省人影办利用获取的激光雨滴谱仪资料，在业务科研方面进行了初步分析研究，主要内容包括4个方面。

（1）新一代天气雷达、自动站、激光雨滴谱仪都是观测降水的气象装备，虽通过直接测量或利用观测量估算都能得到一个雨量数据，但因观测原理不同、估算方案误差等原因，使观测结果各有所长，利用同一站点观测数据，对比分析了3种仪器的雨量观测或计算结果，详见文献[5]。

（2）统计分析了济南南部山区层状云、积层混合云、弱积雨云3类云型的雨滴微物理结构参量及雨滴谱演变6大特征[6]。通过观测不同云状降水的雨滴谱，能够更好地分析云降水微物理特征，了解不同降水云系形成自然降水的微物理过程，对评估人工增雨云水条件、检验作业效果等提供科学依据。

（3）为更清楚地认识降雪过程的发展和演变情况，并为开展人工增雪提供观测和一定的理论基础，研究了降雪过程中粒子的微物理特征，对降雪粒子微物理参量演变特征、粒子谱和速度谱分布特征进行了细致分析[7]。

（4）分析了山东盛夏暴雨过程瞬时雨滴谱和不同雨强下平均雨滴谱分布特征[8]。通过分析强降水的滴谱特征和演变规律，一定程度上可以认识降水形成机理、演变过程，进而为提高强降水预测、预警水平提供有益的参考。

3.2 未来研究方向

激光雨滴谱仪在常规气象观测、天气雷达、人工影响天气等领域将得到较为广泛的应用，根据山东业务和科研工作的需求，需要深入应用和探讨的内容主要包括以下几方面。

（1）开发数据采集与分析软件平台，实现多台激光雨滴谱仪观测资料的全省实时共享。

（2）分析自然降水粒子谱和人工催化后的降水粒子谱差异，做好人工增雨作业效果的物理检验。

（3）检验激光雨滴谱仪对降水粒子相态识别的准确率。

（4）探讨激光雨滴谱资料在短时强降水监测、预警中的应用。

（5）通过获取冰雹过程降水粒子资料，分析冰雹微物理结构特征，探索对冰雹谱进行观测的可能性。

4 结语

激光雨滴谱仪是一种以激光测量为基础的新型降水粒子特性测量仪器，目前较为普遍地应用于雨滴谱观测分析中。山东省人影办已在全省范围内安装布设了17台激光雨滴谱仪，根据山东人影业务建设方案，未来3年将继续增加激光雨滴谱仪的布设，进一步加强该仪器设备的运行和维护，更好地在全省开展数据共享和联合应用研究，将成为未来工作的重点。

综上所述，激光雨滴谱仪的布网建设将为山东开展地面云降水物理观测，更好地进行人工增雨效果物理检验提供了良好的基础。但文中针对激光雨滴谱仪未来的研究方向，只是笔者目前为止初探性思考，仍需在以后的实际工作中进一步加以修订和完善。

参考文献：

[1] 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)：3-8.

[2] 牛生杰.云降水物理研究[M].北京：气象出版社，2012：22-23.

[3] You L G, LIU Y G. Error analysis of GBPP-100 probe[J]. Atmospheric Research, 1994, 34：379-387.

[4] 王俊，龚佃利，周黎明，等. 山东降水回波移动特征分析[J]. 气象，2013，39(10)：1344-1349.

[5] 周黎明，王俊，张洪生，等. 激光雨滴谱仪与自动气象站观测雨量对比分析[J].气象科技，2010，38(Suppl.)：113-117.

[6] 周黎明，王俊，龚佃利，等. 山东三类降水云雨滴谱分布特征的观测研究[J].大气科学学报，2014，37(2)：216-222.

[7] 周黎明，王俊，龚佃利，等. 2009年初冬山东一次暴雪过程粒子谱特征分析[J].气象，2014，40(1)：59-65.

[8] 周黎明，王庆，龚佃利，等. 山东一次暴雨过程的云降水微物理特征分析[J].气象，2015，41(2)：271-278.

作者简介：周黎明 (1982─ )，女，山东淄博人，硕士，工程师，主要从事云物理研究和人工影响天气工作。

收稿日期：2014-06-18

中图分类号：P48

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2015）01–0018–05