降雨模拟实验设计与教学实践

李学行， 陈 娇

（中国气象局气象干部培训学院安徽分院业务培训部，合肥 230010）

0 引 言

降水观测是地面气象观测中的重要因素之一，掌握降水强度判识技能，理解降水观测与风速、温度之间的关系是教学中的难点之一。根据地面气象观测规范，降雨按照人工定性观测强度划分为小、中、大3种强度，分别表现为雨滴清晰可辨、雨落成线、迅速形成积水的特征。在自动化定量观测中，一般降雨强度0.1～4.0 mm／min不等，如何使学员掌握更为细致的直观判识技能成为一个棘手的难题。此外，降水量的观测受风速的影响较大，降水会引起气温的变化，通过天然降雨研究此类问题时，常常会受到时间、空间等条件的限制，给教学工作带来极大的困难，这也使得对降水量与风速及温度之间的关系仅停留在理论教学阶段。因此，在教学中如果能通过实验的方式让学员亲身体验，其培训效果定然会有显著提高。

调研发现，早在20世纪初，美国、日本、加拿大等国家就已经开始采用人工模拟降雨的方式研究土壤侵蚀、水土流失等问题［1］。在20世纪50年代后期，人工模拟降雨引起国内科学家的重视，目前国内已研制出了多种用于不同研究目的和实验条件的人工模拟降雨装置。例如，陈文亮课题组［2］研制的SR型人工降雨装置；吴长文等［1］使用的用于陡坡坡面流及坡面侵蚀的摆喷式人工模拟降雨装置；张光辉等［3］开发的槽式人工模拟降雨机；文献［4-6］中研究了室内降雨模拟装置。由于人工模拟降雨装置具有试验周期短，可调控，不受时间空间限制等优点，已广泛应用于农田水利、环境保护、农业等研究领域［7-11］。目前国内还未发现将人工模拟降雨用于气象行业的现场教学研究。

人工模拟降雨实验教学平台在气象培训中应用至少可以发挥如下作用：

(1)提升培训质量。通过降雨模拟实验教学平台，授课教师可以更加精准有效的传授降雨方面的知识，学员可以更加直观清晰地判识降雨强度。

(2)激发学员的主观能动性。通过实验式教学平台的现场操作模拟，引导学员从被动的接受课堂知识灌输到主动参与学习，加深学员对知识的理解和感知，拓宽学员的视野，完善对所学知识的构建。

(3)促进创新性培训方式的开发和应用。通过学员对实验式教学方式的反馈，激发授课老师开发更多的创新性培训方式，探索访谈、行动教学等其他教学方法的运用，从而进一步完善气象教育培训课程体系。

为了更好地提升培训效果，提高培训质量，开发新的教学方式，我院搭建了一套人工模拟降雨实验教学平台，用于气象教育培训和研究工作。

1 教学功能设计

从实验教学的角度，人工模拟降雨教学平台应实现如下功能。

1.1 实现对不同降雨强度的模拟、细微调控以及反馈监视

通过调节模拟舱中的喷头开度、叠加喷头个数，实现3级雨强（1、2、4 mm／min，简称小、中、大雨，与严格意义上的气象学分类无关，只作研究区分之用）的模拟及细微调控实现不同降雨强度模拟，降雨量通过双翻斗雨量传感器进行采集显示。

1.2 探究风场对降水量的影响

在降雨模拟舱外安装一套风速控制系统，可实现对不同风速的调控，控制范围在0～18 m／s，用来研究不同强度的风对降水量的影响。

1.3 研究不同降雨强度对温度的影响

模拟舱内外各安装一套铂电阻温度传感器，记录降雨过程中模拟舱内外的温度变化，探究不同强度的降水对温度的影响。

上述雨强、风速、温度通过上位机控制系统集中管理。

2 实验平台设计

2.1 硬件部分

整个模拟平台包括降雨控制、风速控制和温度监测系统3部分。其中降雨控制系统主要包括降雨模拟舱、水泵、喷头、水箱、阀门、雨量筒及控制器等；风速控制系统主要包括风机、变频器等设备实现4档位风速控制；温度控制系统主要包括两个温度模块。人工模拟降雨实验教学平台的实物图如图1所示，电气系统如图2所示。

图1 人工模拟降雨实验教学平台实物图

图2 人工模拟降雨实验教学平台电气系统

2.2 软件部分

人工模拟降雨平台软件部分主要包括雨量控制系统软件，可实现小、中、大雨3种降雨强度的模拟以及人工模拟降雨实验室系统软件（包括控制风机、调整风速、显示温度及管理雨量控制系统软件）两个部分。软件界面如图3所示。

图3 人工模拟降雨平台软件界面

3 课程设计

人工模拟降雨实验式教学装置调控降雨控制面积8 m2，降雨高度为2.5 m，降雨强度通过计算机全自动调控，变化范围1～6 mm／min。采用喷淋技术，具有易安装、调控方便等优点，但存在产生的雨滴不够均匀的缺点。为了克服这一缺点，将双翻斗雨量传感器放置在6组喷淋装置的正中心位置，感受群体变化而非某1组喷头的变化，使降雨强度变化相对平稳，满足教学的需求。

教学设计大致包括30 min模拟实验、30 min讨论、120 min独立完成实验报告。通过教学，增强学员对不同降雨强度的直观感受，对风速影响降水量观测、降水对气温影响过程有量化的理解，培养学员对实验产生浓厚兴趣，对开展研究型业务起到催化作用。

实验过程中，从小雨、中雨、大雨3个级别递进展开，每个级别10 min，风速按静风、4.8 m／s、9.7 m／s、14.5 m／s、19.6 m／s 5级风速控制，每个风级2 min。

实验过程中及结束后的30 min，针对实验数据进行讨论。模拟过程中由于水压难以精准控制，降雨强度有微弱的波动，因此，去掉最大值与最小值后取平均值，实验结果如图4所示。由图可见，风速变化在不同降水强度水平下影响是不相同的。降雨强度较小时，风速影响不大，呈现出略正向影响；降雨强度中等时，风速增大对降水量有较明显正向影响，当风速达到14.5 m／s时达到最高，风速再增大，降水量反而下降；降雨强度较大时与中等时表现恰恰相反。该实验数据与自然降雨过程中风速对降水量观测的影响是不完全一致的，这是由于实验室较小，在一个封闭空间中，可能产生明显的涡旋气流。但实验表明，风速对降水量观测产生显著的影响，这是非常重要的。

图4 降水与风速之间的关系

降雨对气温的影响也是很显著的，从表1可见，降水强度较小时，降水对气温影响不大，降雨强度中等时气温下降了0.6℃，降雨强度较大时气温下降了0.5℃。由于模拟降雨的水是存放在水箱中的，在同一个房间内，与房间空气温度基本保持一致，因此，降雨过程中的空气温度下降主要由于水分蒸发降温所致。在实际降雨中，这种降温过程更明显，因为降雨来自更高的空中，雨滴本身温度比近地层气温低。

表1 不同降水强度对气温的影响

根据实验及讨论过程，学员根据自己的知识储备，着手写实验报告，这一过程是一个理论认识的提升过程。不仅熟悉了组织实验的科学方法，更要综合理论知识、实践经验，思考实验中的数据为什么是这样的变化规律，与实际业务有哪些不同。

4 教学实践

人工模拟降雨实验教学平台主要针对参加地面气象观测培训人员，培训目的为提高相关人员观测业务能力。利用人工降水模拟实验平台，可逼真地模拟并构建真实的不同强度的降雨，不受时间、空间、天气等因素的限制，实现了降雨观测业务培训的及时性。

人工模拟降雨实验室教学平台综合了多项技术，构建了具有实时操作、研究的现场模拟场景，通过实时现场演示和探讨，学员可身临其境地观测不同强度的降水过程、不同风速对不同降水强度的影响以及不同降水强度对观测温度的影响，激发了学员的学习兴趣，培养学员主动思考解决问题的能力，强化了培训效果。

该平台在全国观测人员业务素质与能力培训班中应用，因为培训形式新颖，得到学员的好评。

5 结 语

随着气象事业的快速发展，对气象工作者提出了更高的要求。观测自动化，不是不要观测人员了，而是对观测人员提出了更高的要求。降水模拟实验教学平台，开启了实验教学的一种培训新形式，为更高深层次的业务培训探索了道路，同时为学员开启了气象科学性、业务研究型的思考新模式。

虽然人工模拟降雨实验教学平台解决了降雨观测培训中可视化问题，学员可以更加直观清晰地判识降雨强度、了解风速与降雨、降雨与气温之间的影响关系，但因为平台规模较小，限制了学员主动性设计实验的可能性。关于降雨与风场、降雨观测仪器的研究方向有很多实际问题待探索，比如区域站降雨桶布设在楼顶对降雨观测的影响、观测场内不同降雨仪器之间的测量差别等［12-15］。学员可能存在很多疑问，可以带着问题在平台上自主设计实验环境，例如改变雨量桶的高度、位置，增加障碍物，改变风向等，通过实验，自己寻找答案。

实验教学已经在部分高校以及环境监测、安全工程等行业培训领域开展实践探索［16-18］，展望未来，这种有益于开放思维、主动学习、学以致用的实验研究型培训形式将会成为未来气象培训的重要形式，为发展研究型气象业务提供智力支撑。

·名人名言·

懒于思索，不愿意钻研和深入理解，自满或满足于微不足道的知识，都是智力贫乏的原因。这种贫乏通常用一个字来称呼，这就是“愚蠢”。

——高尔基