SPEC机载云探测系统及其云物理研究进展

2021-05-21刘思瑶赵传峰周毓荃

暴雨灾害 2021年3期

刘思瑶，赵传峰，周毓荃

(1.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京100875；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京100081)

引言

云通过其微物理参量(云粒子大小和相态等)、宏观参量(覆盖范围、高度、厚度等)与太阳短波辐射和地气的长波辐射发生作用，使其成为影响地气辐射能量收支平衡最重要的参量(傅云飞和冼桃，2017)。云降水不仅是全球及区域水循环过程的重要环节，也是气候变化的重要指示剂，为此各国科学家从不同方面对云降水进行了广泛的研究(傅云飞，2018)。其中了解降水云水平分布和垂直结构及其微物理特性十分重要(傅云飞等，2007)，而可靠的云微物理探测设备可以帮助更好地理解云结构、云降水和云辐射过程。飞机探测通过在飞机上搭载云微物理探测设备对云进行直接探测，可获得较可信的高时空分辨率的云参数。为此我国近年来陆续引进多套机载云物理探测系统，大体分为三代：PMS(Particle Measuring Systems)、DMT(Droplet Measurement Technologies)和SPEC(Stratton Park Engineering Company)。

机载PMS粒子测量系统是20世纪70年代后期开始在世界各地逐步被广泛采用的云微物理观测仪器(Knollenberg et al.，1981)。该套设备能够实时测量大气中0.5~6 400μm的粒子的谱分布，并可以给出25~6 200μm的粒子的二维图像。中国气象科学研究院人工影响天气中心于1981年开始引进这一系统，并逐步运用到一些外场试验中，取得了很多有价值的云微物理观测资料。很多气象工作者通过对PMS探测资料的深入分析，研究了人工影响天气的相关科学问题(游来光，1991，1994；段英等，1998；胡志晋，2001；陶树旺等，2001；孙玉稳，2015；Yang et al.，2019；Dong et al.，2020)。例如，黄梦宇等(2005)利用PMS观测对华北地区春秋两季层状云及降水的微物理特征进行了统计分析，给出了相关云参数；Zhao等(2019)利用PMS观测揭示了华北地区个例层状云的微物理垂直结构。在应用PMS仪器过程中，一些问题也逐渐被发现和改进，包括因资料不能在飞机上实时处理和显示、磁带容量有限等问题(刘卫国，2001)，然而虚假粒子等问题依然存在。随着研究人员对探测精细程度要求的日益提高，PMS系统已无法满足一些科学试验的需求(Bau⁃mardner et al.，1985；Cooper，1988；Brenguier，1989；Law⁃son，1995)。

因PMS探头的诸多不足，NCAR大气技术部的研究人员于1988年成立了一个新的公司DMT，并于2006年5月收购了美国PMI(Porous Materials Inc)公司中大气物理测量设备的生产线，依靠最新的电子技术，推出了一系列革新探头(马新成，2006)，其产品广泛应用于大气物理观测研究、人工影响天气观测研究等领域。DMT探测系统能够实时测量出大气中0.055~6 200μm的各种粒子的谱分布，并能给出25~6 200μm的粒子二维图像，其最显著的优点是采用了光电集成新技术，使仪器在使用中的稳定性明显提高，同时也更易于维护和操作使用。该套探测设备在中国得到了广泛应用。彭冲等(2016)通过对山西一次低槽冷锋层状云DMT探测，结合卫星、雷达、探空等多种探测资料，对云微结构的进行精细分析。孙鸿娉等(2014)对64架次山西飞机DMT云物理观测结果进行研究，分析了降水云和非降水云系的微物理特征量的显著差异并给出了云的微物理参数。蔡兆鑫等(2019)利用山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展的国内首次大陆性积云飞机穿云探测资料，分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性。

在近年的对比试验分析中，Baumgard和Korolev(1997)、Strapp等(2001)研究结果表明2D-C(Optical Ar⁃ray Grey Probe)探头的时间响应受到光电二极管阵列和一级放大器的时间常数限制，导致在空速高于120 m·s-1的情况下，探头对小于100μm粒子的灵敏度显著降低。光电尺寸与计数的组合误差会导致小于100μm粒子的尺度分布(particle size distribution，PSD)出现较大的数量级误差。此外，2D-C探头相对较粗的有效像素(约25~75μm，取决于空速)，无法提供足够的空间分辨率来确定大多数小于300μm粒子的形状和相态。SPEC云粒子探测系统作为一种新的光学成像系统，克服了上述局限性。Lawson等(2006)进行了相关对比试验，NCAR在科罗拉多前山脉以东利用C-130搭载2D-C、2D-S(The Two Dimensional,Stereo Particle Imag⁃ing Probe)和CPI(the Cloud Particle Imager)在-13℃处的混合相态的上坡云中收集的粒子图像进行对比，发现2D-S显示出更多的冰晶结构细节，其立体视图也揭示了其优越性，因为从粒子的单个阴影图像中无法确定粒子三维结构的详细信息。CPI很容易看到云滴，导致其成像激光探头响应主要由高浓度云滴所主导，因此当较大的冰晶颗粒进入样品体积时，它通常是无效的。相比较而言，2D-S检测“更早”进入波云横断面小冰晶的能力可以为更好地了解云中冰的成核过程提供基础。在冷云的一次对比观测中，2D-S观测到了卷云(-45℃)中小颗粒的冰晶向玫瑰状冰晶的转化过程，而2D-C几乎没有反应；当CPI图像已确认探测到许多较大的(大于100μm)可辨别的莲座状粒子，且在2D-S图像中可以识别为莲座状时，2D-C仅看到1~5个像素的图像，其形状无法确认。在40 s的时间内2D-S记录的总颗粒数为268 897颗，而2D-C为264颗。这些观测对比结果均表明了SPEC云粒子探测系统的优势。本文将详细介绍SPEC云粒子探测系统及其在云物理研究中的应用进展。

1 SPEC云粒子探测系统概述

SPEC探测系统是由美国Stratton Park Engineer⁃ing Company(SPEC)公司研发生产的。1989年SPEC得到美国国家科学基金会(NSF)的项目资助，研发了第一个云粒子探头-高容量降水粒子光谱仪(The High Vol⁃ume Precipitation Spectrometer，HVPS)。此后，SPEC不断参加大型科学项目试验，在实践探索中不断创新提高探测系统的探测能力。在过去30 a中，SPEC科学家、工程师和技术人员参与了100多个研究项目，一直处于云粒子探测器开发的最前沿，从而使其仪器得到了越来越广泛的应用和认可。SPEC机载云探测系统将二极管升级到128个(DMT 64个，PMS 32个)，并保留单个粒子的电信号。这虽然使得数据量很大，但为后续数据的质控带来方便，而质控是飞机探测云物理试验的关键环节。该系统主要包括：FFSSP(Fast For⁃ward Scattering Spectrometer Probe)、FCDP(The Fast Cloud Droplet Probe)、HVPS(The High Volume Precipi⁃tation Spectrometer)、2D-S组合探头、3V-CPI(3-View Cloud Particle Imager)组合探头等。由于FFSSP主要由老的PMS系统中的FSSP(Forward Scattering Spectrom⁃eter Probe)改装电路板等得到，探测原理等与熟知的FSSP大致相同，故本文不再对其赘述。

2 SPEC云粒子探测系统的探测原理

2.1 FCDP

FCDP是一种前向散射探头，探测范围是1~50μm，共有21个通道，前20个通道的分辨率约为3μm，最后一个通道为超大通道，可探测粒子风速范围为10~200 m·s-1。它通过测量粒子通过探测器聚焦激光束时散射到探测器的光信号大小来计算粒子的大小和浓度。如图1所示，FCDP由发射和接收臂(内部包含发射和接受光学器件、探测器和探测放大板)、主机(由数据采集系统组成)、支架(主要由电源、激光和加热控制板构成)三个主要部分组成。FCDP可以获取每个粒子详细的信息数据，当想获取更复杂的粒子信息时，可以进行数据的后处理。该仪器可由机舱内的计算机控制，也可设置为在开机时自动运行、收集和存储数据。

图1 FCDP探头(摘自《FCDP英文技术手册》)Fig.1 FCDP probe(Adopted from FCDP Technical Manual).

SPEC公司的FCDP英文技术说明书上给出了它的探测原理：一束准直的光纤耦合激光投射在FCDP的发射和接收臂之间的采样体积上，其中的云粒子使激光束散射。接收臂上的转储点(dump spot)接收被云粒子散射的光。这束光在两个检测器之间被分割：质量检测器和信号检测器。图2是FCDP光学路径示意图。当两个探测器都聚焦一个粒子时，电压会产生一个峰值。由于使用的是50∶50的分束器，如果经过质量检测器检测的粒子电压峰(Qualifier Voltage)高于信号电压峰(Signal Voltage)，则粒子是“合格”的(Well Qualified Particles)。数据采集系统记录每个粒子的特性，如运行时间、传输时间、信号电压、限定电压、面积(伏特总和)和到达峰值的时间。

图2 FCDP光学路径示意图(摘自《FCDP英文技术手册》)Fig.2 Diagram of the FCDP optical path(Adopted from FCDP Technical Manual).

2.2 2D-S

2D-S是一种机载光学仪器，分辨率为10μm，测量范围为10~1 280μm，用于测量粒子的大小、形状和浓度。图3是2D-S探头及其探测原理图。2D-S有两个完全相同的垂直于粒子流的正交光学通道，通道内的激光器可以产生约1.3×61 mm大小的激光束(图3a)，这束光被定向到一个由128个单元组成的线性阵列上(图3c)，其放大倍数可以在采样体积中产生大约10微米的像素。阵列以与粒子速度成比例的速率采样从而以像素分辨率拍摄图像。图像压缩后发送到数据采集系统(DAS)进行记录和显示。该探头具有两个特点：一是它可以测出粒子通过采样体积时的立体图像；二是它提高了粒子图像的空间分辨率。

图3 2D-S探头(a、b)及其光学路径示意图(c)(摘自《2D-S英文技术手册》)Fig.3 2D-S probe and the diagram of its optical path(Adopted from 2D-S Technical Manual).

2.3 HVPS

HVPS是一种机载光学探测器，用于测量大气中水滴和冰晶的大小、形状和浓度，探测范围为150~19 200μm，分辨率为150μm。图4是HVPS探头及其激光光束，其探测原理与2D-S相同。HVPS的主要组成部分是一个激光源，它可以产生大约19.2 mm×162 mm的光束并从位于光学臂内侧的窗口之间通过。其光学成像原理与2D-S光学成像原理相同，但其采样体积中光学系统的放大倍数为150μm像素分辨率。HVPS的图像拍摄、压缩传输和记录显示方法也与2D-S相同。

图4 HVPS探头(a)及其激光光束(b)(摘自《HVPS英文技术手册》)Fig.4 HVPS probe and its laser(Adopted from HVPS Technical Manual).

2.4 3V-CPI

如图5所示，SPEC公司研发了3V-CPI来提高CPI的探测性能。图5a、b为CPI外观图，它是一种可以捕捉到通过它的粒子的高分辨率图像的大气机载探测仪器，像素分辨率2.3μm，最高可探测200 m·s-1飞行速度的粒子。它提供了两种相机帧速率：

2.0版本的闪烁速率为每秒74帧，2.5版本的图像粒子速率高达每秒400帧。每一帧可以有超过25个粒子成像。CPI使用单光电二极管作为粒子检测系统(the Parti⁃cle Detection System，PDS)，由于激光束强度的不均匀性和不可预测的小冰晶粒子的散射特性，使得其灵敏度和对于小于100μm粒子的探测效率存在问题，这导致了小于100μm粒子谱分布的不确定性。为了改善这一问题，SPEC公司将其2D-S探头的光学和电子元件集成到3V-CPI中，图5c、d分别为CPI和3V-CPI的光电原理图，其中3V-CPI的光学配置显示，128光电二极管线性阵列取代了CPI的单光电二极管。3V-CPI实际上是一个集成了2D-S的每秒400帧的CPI。3V-CPI可以分为两个基本部分：第一部分，数据采集系统，安装在机架式计算机机箱内，通常安装在探测飞机的机舱里；第二部分是传感器头(the Sensor Head，也称为Pylon)，它位于飞机外部的机身或机翼上。

SPEC公司的3V-CPI官方说明书(英文版)上给出了它的探测原理：两个完全相同的垂直于粒子流的正交光学通道，通道内的激光器能产生一束大约1.3×50 mm的激光并从位于光学臂内侧的窗口之间通过，这束光被定向到一个由128个单元组成的线性阵列上，在采样体积中像素可以达到10μm左右。其图像拍摄、压缩传输和记录显示方法也与2D-S相同。当激光阵列在成像系统的目标平面中探测到粒子时，将发射一个高功率的激光闪烁。CCD相机记录粒子图像，含有粒子的帧被发送到图像处理系统，该系统在图像中定位粒子，并切出目标区域(regions of inter⁃est，ROI)进行显示和记录。GUI用于控制CCD相机的众多参数。该成像系统采用了一个1 024×1 024像素的单色数码相机，具有8位分辨率(256级)，有效像素为2.3μm。该相机每秒可以下载大约380帧(取决于探测粒子的浓度)，这使得该仪器可以把探测到的小云粒子快速成像。

图5 CVI探头(a)、3V-CPI探头(b)以及CPI(c)、集成了2D-S的128个单元组成的线性阵列的CPI(d)光电原理图(摘自SPEC公司网站)Fig.5(a)Schematic diagram of CPI and(b)3V-CPI electro-optics.(c)Photoelectric schematic diagram of CPI and(d)Optical schematic diagram of CPI for a linear array of 128 units integrated with 2D-S(Adopted from website of the SPEC).

3 基于SPEC系统的云物理研究进展

3.1 国外研究进展

Lawson博士主持研发了SPEC系统，多年来利用该系统进行了许多云物理相关方面的研究，并在研究过程中不断发现问题继而提升SPEC系统的探测性能。在1992年1月15日—3月15日的第二次加拿大大西洋风暴项目试验(the second Canadian Atlantic Storms Program field experiment，CASP II)中，仪器第一次被搭载在飞机上并进行风暴观测，试验观测到了非常大的雪花，这与很强的雷达反射率以及地面观测到的强降雪相一致(Lawson et al.，1993)。该仪器还给出强风暴雪花发生发展的云物理特征，取得了良好的观测效果(Lawson et al.，1993)。将该探测资料与MM5模式的对比研究(Lawson et al.，1998b)表明，模式与观测到的结果相一致。在加拿大冻毛毛雨试验中(the Canadian Freez⁃ing Drizzle Experiment)，CPI仪器被搭载在探测飞机上，获取了毛毛雨滴和冰晶的图像(Lawson et al.，1998a)。在ISCCP(the First International Satellite Cloud Climatol⁃ogy Project)的区域试验FIRE ACE(Arctic Cloud Experi⁃ment)中，CPI在不同区域观测到了小的过冷云滴、过冷毛毛雨(在-25℃)和霰粒子，并且发现在卷云中测量到的平均冰粒浓度是每升几百到几千个，比文献中常见的要高得多(Lawson et al.，2001)。Lawson和Baker(2006a)利用CPI数据研究了冰粒子质量和形状的关系，增加冰粒子的宽度、面积和周长三个参数代替单一使用冰粒子长度计算冰粒子质量的方法，使测量质量的均方根误差减少50%，且该方法不需要预先进行冰晶粒子分类。另外，研究还对波状云和卷云进行了多架次探测，深入并细致分析了它们的云微物理特性(Baker and Lawson，2006；Lawson et al.，2006b)。

Lawson和Zuidema(2009)还将地面毫米波多普勒雷达与飞机探测资料进行对比，发现雷达反射率和飞机测量的微物理参数在全水和全冰的情况下具有一致性，然而在混合相态时一致性通常较差，并认为这是由于仪器平台不同和反演参数算法两种原因造成的，仅靠单波长雷达可能无法准确地检测出混合云中云滴和毛毛雨的微物理特性，特别是例如消光、反照率和光学厚度等辐射特性。2015年，他研究了热带积云中冰和降水发展的微物理过程，发现小冰粒子与大的过冷液滴(直径数百微米至毫米)碰撞，产生了一种级联过程，导致上升气流中的水滴迅速冰化(Lawson et al.，2015)。经过整理和分析，Lawson等(2019)对利用2D-S和CIP进行卷云中的冰粒子形状的研究进行了综合评述。

此外，还有很多科学工作者利用SPEC观测数据开展了相关科学研究。Jensen等(2010)对热带对流层顶(TTL)卷云中的冰核和云微物理特性的飞机和遥感探测研究发现，极低温度下TTL中卷云特性与基于均质冻结假设的理论大体上不一致，TTL中几乎无处不在的重力波，使得根据均质成核理论进行的预测特别难以与测量结果相吻合，冰粒子数浓度远低于理论预测的数值；冰晶的尺寸分布比理论预测的要广得多；云的消散比理论预测的要低得多。Lance等(2011)对2008年4月在阿拉斯加北部进行的影响北极气候的气溶胶、辐射和云过程的航空观测(Aircraft observations from the Aerosol,Radiation,and Cloud Processes affecting Arctic Climate，ARCPAC)研究发现，通过改变液滴的大小分布，云凝结核(CCN)浓度对于调节北极混合云中冰的形成具有很重要的作用。Wood等(2018)利用SPEC数据，将对流云中冰的浓度、谱分布和冰特性的变化作为温度、高度和时间的方程，观测看到冰粒子主要是小的准球形，随着温度的降低，准球状的百分比增加，与准球状的冰粒子相比，多面形状(柱状、盘状等)数量较少，且与温度呈相反的相关性。Korolev等(2020)利用CIP数据研究小于100μm的典型尺寸的小面冰晶(六边形板或柱)来重新确定了二次冰过程的产生机理。

3.2 国内研究进展

我国最近几年才开始引进SPEC探测仪器，开展的云物理相关研究工作相比国外要少，机载云探测仍主要以DMT仪器探测为主，但SPEC仪器已逐渐获得应用并得到了越来越多的关注。常祎等(2019)利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验(TI⁃PEX-Ⅲ)期间那曲地区的飞机探测SPEC数据对高原云微物理参数和特征进行统计分析，得到高原对流云的参数特征、垂直分布特征，并在此基础上整体分析了高原云微物理特征及降水形成过程。黄钰(2019)利用飞机搭载SPEC云探头在降雪前进行垂直云探测，观测了高空云体的液水、冰水分布情况以及不同高度粒子谱分布特征，研究了北京海坨山冬季降雪云系垂直结构。亓鹏等(2019)利用SPEC和地面雷达观测数据，研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云的结构特征，分析了WRF(Weather Research and Forecasting)模式对此次积层混合云的模拟效果，初步讨论了太行山地形对其东麓地区云和降水的影响，孙玉稳(2019)等也利用SPEC对这次探测的人工增雨作业条件进行了深入的分析研究。Zhao等(2020)利用2D-S等对南大洋上空MODIS和Himawari-8云微物理特性卫星产品进行评估，发现与飞机探测结果相比，从MODIS得到的云滴有效半径和数浓度分别增大了33%和2%，卫星反演的云相态敏感性较差。汪洋等(2020)利用最新的SOCRATES(Southern Ocean Clouds Radiation Aerosol Transport Experimental Study)综合飞机观测2D-S等资料首次对南大洋地区层云和层积云中普遍存在的对流单体(GCs)进行了全面的宏观结构和微物理特征分析。刘香娥等(2020)利用3V-CPI等资料对一次积-层混合云系垂直结构和降水机制进行了分析研究。Xiao等(2019)利用CPI数据，研究提出了一种冰晶分类模型TL-ResNet152，对冰晶进行分类，结果表明TL-ResNet152模型在冰晶分类中能够达到96%的准确率，比传统分类方法的准确率高得多。