張建云 張垚

(1 中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)公司,北京 100081；2 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司,北京 100094)

0 引言

雨滴譜觀(guān)測(cè)是云降水物理學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，它反映了云中成雨過(guò)程、云動(dòng)力學(xué)和微物理學(xué)之間的相互制約。激光雨滴譜儀是一類(lèi)以激光為探測(cè)媒介，基于降水粒子通過(guò)激光測(cè)量區(qū)域時(shí)的消光原理[1]，采用光電信號(hào)轉(zhuǎn)化的處理方法和算法，獲取降水粒子外形和通過(guò)激光區(qū)域的時(shí)間信息，進(jìn)而反演出豐富的降水產(chǎn)品。通過(guò)雨滴譜觀(guān)測(cè)可以得到多種降水物理參量（如粒子數(shù)密度、粒徑分布、雨量、雨強(qiáng)）和雨滴對(duì)微波的衰減（雷達(dá)反射率因子）等。在此基礎(chǔ)上，可以建立雷達(dá)反射率因子和降水強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系系數(shù)，用于改善天氣雷達(dá)的定量降水估測(cè)能力。此外，雨滴譜觀(guān)測(cè)對(duì)進(jìn)一步了解自然降水的物理過(guò)程、研究成雨機(jī)制、評(píng)估人工增雨的云水條件、檢驗(yàn)催化效果以及數(shù)值模擬等方面提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義[2-4]。

1 激光雨滴譜儀的研究進(jìn)展及應(yīng)用

1.1 激光雨滴譜儀的研究進(jìn)展

目前，國(guó)際激光雨滴譜儀領(lǐng)域，主要是按激光光束測(cè)量維度的原理劃分兩種類(lèi)型：1維（1D）激光雨滴譜儀和2維（2D）激光雨滴譜儀。以德國(guó)OTT的Parsivel系列激光雨滴譜儀和奧地利的2D視頻（2D Video）雨滴譜儀作為流行設(shè)備最具代表性。在測(cè)量原理方面，1D激光雨滴譜儀發(fā)射出一束平行激光測(cè)量降水粒子的截面直徑為基本原理；2D激光雨滴譜儀則可發(fā)出兩束正交的平行激光光束同時(shí)得到降水粒子在其正交方向上的截面輪廓為基本原理。該兩類(lèi)設(shè)備分別基于上述粒子截面數(shù)據(jù)作為降水的原始參數(shù)，1D雨滴譜儀可衍生降水粒子的雨滴譜（直徑、速度、個(gè)數(shù)）、降水強(qiáng)度、降水量、降水類(lèi)型和雷達(dá)校準(zhǔn)因子等降水信息；2D視頻雨滴譜儀除上述1D雨滴譜儀的所有降水信息外，還可繪出每個(gè)降水粒子的投影輪廓，產(chǎn)品更加豐富。但是，2D視頻雨滴譜儀在探測(cè)粒子的最大測(cè)量速度（10 m/s）[5]方面較1D雨滴譜儀（20 m/s）更低，這使其在測(cè)量速度過(guò)快的大雨滴和大冰雹方面表現(xiàn)較為遜色。此外，由于價(jià)格昂貴、標(biāo)校復(fù)雜和校準(zhǔn)頻次相對(duì)較多等因素，導(dǎo)致2D視頻雨滴譜儀僅應(yīng)用于一些降水相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究中，并沒(méi)有成為氣象業(yè)務(wù)設(shè)備。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）針對(duì)上述二者進(jìn)行了對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)[6]，主要關(guān)注雨滴直徑、直徑測(cè)量方差和降水量三個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在降水強(qiáng)度20 mm/h以?xún)?nèi)，二者差異不大；當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)30 mm/h，Parsivel對(duì)降水量高估過(guò)多；但在總體上，基于上述三個(gè)要素的評(píng)估，兩種設(shè)備相差不大。因此，1D測(cè)量原理的Parsivel激光雨滴譜儀，以?xún)r(jià)格低廉、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)量效果較好等諸多特點(diǎn)占據(jù)了絕大部分氣象領(lǐng)域的市場(chǎng)份額。

在測(cè)量精度方面，目前激光雨滴譜儀對(duì)強(qiáng)降水觀(guān)測(cè)時(shí)降水測(cè)量偏差較大。主要原因是自然環(huán)境中的干擾因素較多，例如自然光線(xiàn)明暗、霧霾造成的能見(jiàn)度降低、空氣中粉塵增加以及激光透射窗口沾水等。在眾多干擾因素之中，以降水過(guò)程中激光透射窗口沾水影響最為嚴(yán)重。通常自然界中的降雨過(guò)程是風(fēng)雨交加的，作為降雨探測(cè)設(shè)備，激光透射的玻璃窗口沾水會(huì)造成單個(gè)粒子測(cè)量值偏大，進(jìn)而導(dǎo)致降水量偏差增大的后果。Tokay等[7]的研究表明當(dāng)前流行的Parsivel激光雨滴譜儀對(duì)直徑小于0.76 mm的降雨低估，對(duì)直徑大于2.4 mm的降雨高估，尤其強(qiáng)降雨時(shí)高估更加嚴(yán)重；另外，新型Parsivel2在累積降水量50 mm以下的絕對(duì)偏差為6%。Graham等[8]表示Parsivel在探測(cè)小粒子方面表現(xiàn)遜色，其試驗(yàn)中Parsivel和翻斗式雨量計(jì)相比的絕對(duì)偏差是18%。

在速度測(cè)量方面，2D 視頻雨滴譜儀的速度測(cè)量上限是10 m/s，難以檢測(cè)速度過(guò)快的粒子。自然界中4 mm的大雨滴終端速度在9 m/s左右[9]，雨滴的尺度越大接近地面時(shí)外形呈橢球或饅頭狀，此時(shí)雨滴的長(zhǎng)短軸之比大于20%[10-11]。1D雨滴譜儀，由于其測(cè)量原理的局限性，使用長(zhǎng)軸反演速度造成測(cè)量值偏高——只能探測(cè)到降水粒子水平方向上的最大截面，由于不能區(qū)分粒子相態(tài)，使其不能識(shí)別固態(tài)液態(tài)，不能有效地修正長(zhǎng)短軸帶來(lái)的問(wèn)題。因此，1D雨滴譜儀對(duì)雨滴速度高估后與冰雹速度相近[12]，容易造成這兩類(lèi)降水現(xiàn)象的誤判。

1.2 激光雨滴譜儀標(biāo)定分析

目前激光雨滴譜儀設(shè)備無(wú)隨機(jī)裝配的標(biāo)定裝置，使得設(shè)備安裝后，在其長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，其測(cè)量精度是否變差處于未知狀態(tài)。而脫離數(shù)據(jù)的可靠性討論應(yīng)用就是無(wú)稽之談，激光雨滴譜儀的應(yīng)用局限性在于此。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，有兩種可適用于激光雨滴譜儀的標(biāo)定方法，分別是轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定法和鋼珠標(biāo)定法。

轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定法的裝置采用在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸向安裝透明亞克力板，其板上粘貼不透光的圓形遮擋片模擬被測(cè)粒子。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從靜止開(kāi)始加速到指定角速度，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，用激光雨滴譜儀測(cè)試遮擋片的直徑和線(xiàn)速度。轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定裝置采用參數(shù)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7823中規(guī)定標(biāo)稱(chēng)透光率大于92%、板厚公差±10 %的亞克力板。其介質(zhì)均勻度較空氣差，雖然在靜止?fàn)顟B(tài)下，激光透射強(qiáng)度較為穩(wěn)定。但電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，一方面，由于板的不均勻產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)的透光差異；另一方面，板在垂直電機(jī)軸向產(chǎn)生微小幅度的抖動(dòng)，其效果與板的不均勻產(chǎn)生的透光差異類(lèi)似，且該軸向抖動(dòng)幅度與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，即電機(jī)轉(zhuǎn)速越快激光透射強(qiáng)度越不穩(wěn)定。以上兩點(diǎn)都導(dǎo)致在轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定裝置工作時(shí)，被測(cè)的激光雨滴譜儀透射亞克力板后的激光強(qiáng)度在小幅度地不斷變化。目前流行的激光雨滴譜儀大都以激光能量強(qiáng)度作為探測(cè)原理，其接收激光遮擋能量強(qiáng)度最大值與被測(cè)粒子直徑成正比例關(guān)系，速度與遮擋粒子的時(shí)間成反比。在該情形下，即使轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定裝置上無(wú)粘貼遮擋片，以激光能量強(qiáng)度為測(cè)量原理的雨滴譜儀，仍然會(huì)產(chǎn)生0.3～0.5 mm的虛假粒子。因此，該轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定裝置只有在遮擋片直徑遠(yuǎn)大于0.3～0.5 mm時(shí)，虛假粒子對(duì)直徑測(cè)量造成的影響才可以忽略。若定義遠(yuǎn)大于為超過(guò)當(dāng)前尺度一個(gè)量級(jí)，則遮擋片為直徑3～5 mm以上的尺度。在速度測(cè)量方面，該方法仍然存在一定的影響因素。虛假粒子疊加在大尺度遮擋片上后，會(huì)延長(zhǎng)該遮擋片在測(cè)量中的通過(guò)時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量速度值偏小。此外，虛假粒子是由板的不均勻造成的變值，因此測(cè)出的粒子速度也是一系列變值。

轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）可通過(guò)粘貼不同尺度的遮擋片來(lái)改變測(cè)量粒子尺度；2）其速度可以涵蓋整個(gè)測(cè)試區(qū)間范圍。轉(zhuǎn)盤(pán)標(biāo)定裝置除了原理方面有上述局限性之外，在外形、使用等方面也存在制約因素，都導(dǎo)致其不適用于觀(guān)測(cè)站使用。

鋼珠標(biāo)定法是指在被測(cè)設(shè)備正上方，人為地投放標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠。該方法直徑標(biāo)定準(zhǔn)確，速度標(biāo)定存在局限性。在速度標(biāo)定方面，只能以固定高度做自由落體運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行標(biāo)定，不適合較高速度的標(biāo)定測(cè)試。

上述兩種標(biāo)定方法，主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或設(shè)備出廠(chǎng)測(cè)試檢驗(yàn)中，難以滿(mǎn)足在業(yè)務(wù)中已安裝的雨滴譜儀在線(xiàn)標(biāo)定的應(yīng)用需求。因此，研制一種臺(tái)站所需能掌控雨滴譜儀測(cè)量精度的標(biāo)定設(shè)備是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

2 LPA10激光雨滴譜儀

2.1 LPA10激光雨滴譜儀的技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 標(biāo)定技術(shù)

需求牽引和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)激光雨滴譜儀相關(guān)的技術(shù)不斷向前。LPA10激光雨滴譜儀[13-14］設(shè)計(jì)的適用于臺(tái)站的標(biāo)定裝置如圖1所示。該標(biāo)定配置清單包含：標(biāo)定裝置、6 mm以下標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠一套和標(biāo)定軟件——自然界的液態(tài)降水粒子絕大部分尺度小于6 mm。該專(zhuān)利技術(shù)的標(biāo)定設(shè)備，分解組裝簡(jiǎn)易；可在每年雨季來(lái)臨之前，對(duì)設(shè)備清潔維護(hù)后，按圖1的方式裝配在LPA10設(shè)備之上，使用出廠(chǎng)配送的標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠，進(jìn)行尺度和速度標(biāo)定，來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1 LPA10配備適用于臺(tái)站的標(biāo)定裝置Fig. 1 LPA10 equipped calibration device for weather stations

標(biāo)定裝置組裝好之后，固定好高度，在投放點(diǎn)處按順序投放標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠，通過(guò)標(biāo)定軟件讀取測(cè)得的尺度和速度數(shù)據(jù)。直徑和速度測(cè)量誤差在±20 %以?xún)?nèi)[15]，表征設(shè)備可信，超出范圍廠(chǎng)家維修。由粒子速度v＝(D＋l)/t（式中，D為粒子直徑，l為激光有效寬度，t為粒子經(jīng)過(guò)時(shí)間）的公式可知，直徑測(cè)量準(zhǔn)確是速度準(zhǔn)確測(cè)量的必要條件。所以在一定程度上，直徑的測(cè)量精度成為雨滴譜儀最為核心的標(biāo)定參數(shù)。受限于鋼珠標(biāo)定法的技術(shù)瓶頸，本標(biāo)定方案速度測(cè)量值，只是粗略驗(yàn)證測(cè)速是否可信，通過(guò)有限高度調(diào)節(jié)驗(yàn)證即可。

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

文獻(xiàn)[15]指出在以消光為原理的平行激光光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，球體液滴可等效為焦距為其半徑的小透鏡，折射效應(yīng)可忽略；前向散射光很少，也可忽略；并且小透鏡效應(yīng)形成的透射光聚焦在球體邊緣上的一個(gè)點(diǎn)上并以接近90°的角度發(fā)散，大部分發(fā)散到探測(cè)角度以外，在測(cè)量中也可忽略。LPA10激光雨滴譜儀是一個(gè)以平行光消光為原理的非成像光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，不僅避開(kāi)了成像系統(tǒng)物距和透鏡焦點(diǎn)之間的相關(guān)問(wèn)題，而且水滴的透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的折射、透射光產(chǎn)生的影響對(duì)量程內(nèi)的尺度測(cè)量影響甚微。LPA10激光雨滴譜儀的光學(xué)原理與Parsivel類(lèi)似，采用發(fā)射端產(chǎn)生脈沖激光、接收端以接收激光線(xiàn)長(zhǎng)上全部激光能量累積和作為探測(cè)基礎(chǔ)。由于粒子探測(cè)原理是基于單個(gè)降水粒子遮擋接收激光能量強(qiáng)度最大值與被測(cè)粒子直徑成正比例關(guān)系，因此是不能確定降水粒子所處測(cè)量區(qū)域中具體位置的。由測(cè)量原理局限性導(dǎo)致該類(lèi)激光雨滴譜儀不能區(qū)分多個(gè)粒子是否重疊以及粒子是否處于采樣區(qū)邊緣。但是，降水粒子重疊或邊緣截?cái)鄷?huì)對(duì)直徑測(cè)量值產(chǎn)生較大的測(cè)量偏差，進(jìn)而導(dǎo)致粒子速度測(cè)量值與相應(yīng)尺寸粒子的理論速度產(chǎn)生較大的偏差，從而可通過(guò)質(zhì)量控制進(jìn)行濾除。另外，該雨滴譜儀的粒徑測(cè)量原理不是基于傳統(tǒng)線(xiàn)陣CCD成像原理，不是通過(guò)成像判定粒子尺寸，不能識(shí)別雨滴形變，只能測(cè)量雨滴形變的長(zhǎng)軸[16］，并通過(guò)雨滴長(zhǎng)短軸的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)其他形變參數(shù)進(jìn)行修正。

LPA10的激光接收窗口帶有激光增透膜，對(duì)工作的660 nm波長(zhǎng)激光增透，對(duì)中心波長(zhǎng)兩側(cè)波長(zhǎng)的光產(chǎn)生衰減，從而實(shí)現(xiàn)降低外界光線(xiàn)造成的影響。而外界自然光線(xiàn)以及激光器自身綜合形成的背景噪聲，則淹沒(méi)在脈沖激光的眾多激光能量脈沖尖峰抖動(dòng)中。由于相鄰激光能量脈沖電壓幅度差小于8 mV，而設(shè)備測(cè)量最大量程為3 V。假如以8 mV作為最大背景噪聲值進(jìn)行計(jì)算，其能量脈沖抖動(dòng)折算出的虛擬降水粒子最大直徑為0.08 mm。因此背景噪聲影響都淹沒(méi)在測(cè)量范圍之外的0.1 mm粒子以下，通過(guò)參數(shù)設(shè)定不予測(cè)量。另外，LPA10采用動(dòng)態(tài)能量基準(zhǔn)[17]、激光測(cè)量光柵[18]等專(zhuān)利技術(shù)，解決了一般激光雨滴譜儀由于激光透射窗口沾水、附著灰塵和空氣中有霧霾顆粒等造成測(cè)量精度降低的問(wèn)題。使其在強(qiáng)降雨的情況下，仍可保持較好的測(cè)量精確度。

2.2 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表1給出了LPA10激光雨滴譜儀與國(guó)際流行的Parsivel系列（Parsivel與Parsivel2在測(cè)量基本參數(shù)、尺度范圍和數(shù)據(jù)分級(jí)方面保持一致）激光雨滴譜儀主要性能參數(shù)的數(shù)據(jù)。從表1中數(shù)據(jù)可知：在采樣區(qū)域上，LPA10比當(dāng)前流行的1D激光雨滴譜儀更大；在粒子尺度測(cè)量范圍上，LPA10較之更廣；在粒子尺度分級(jí)上，LPA10較之更多。其中，采樣區(qū)域參數(shù)表征著激光雨滴譜儀在降水空間的一個(gè)抽樣。理論上，采樣區(qū)域越大測(cè)量越能反映真實(shí)情況。參數(shù)的提升需要用實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)——實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)和降水實(shí)際觀(guān)測(cè)檢驗(yàn)。

表1 LPA10激光雨滴譜儀與國(guó)際流行激光雨滴譜儀參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main parameters between LPA10 laser disdrometer and an international popular laser disdrometer

表2和表3分別給出了LPA10和Parsivel在其測(cè)量范圍內(nèi)粒子尺度分級(jí)的詳細(xì)說(shuō)明。從表1和表2中可知，LPA10的標(biāo)稱(chēng)測(cè)量尺度范圍是0.1～30 mm，在0.0～30 mm的區(qū)間上用64個(gè)不同的尺度等級(jí)表示；將粒子的尺度分成4組，4個(gè)組的分辨率分別是0.125，0.25，0.5，1.0 mm。從表1和表3中可知，Parsivel的標(biāo)稱(chēng)粒子測(cè)量尺度范圍是0.2～26 mm，在0.0～26 mm的區(qū)間上用32個(gè)不同的尺度等級(jí)表示；將粒子的尺度分成6組，6個(gè)組的分辨率分別是0.125，0.25，0.5，1.0，2.0，3.0 mm。

表2 LPA10尺度測(cè)量等級(jí)分級(jí)Table 2 Size classifications of LPA10

表3 Parsivel尺度測(cè)量等級(jí)分級(jí)Table 3 Size classifications of Parsivel

經(jīng)過(guò)對(duì)比可以得出，LPA10有以下三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

1）分辨率高。LPA10在2.0 mm以下的分辨率是0.125 mm；Parsivel在1.25 mm以下的分辨率是0.125 mm；LPA10在2～6.0 mm的分辨率是0. 25 mm；Parsivel在2.5～5.0 mm以下的分辨率是0.5 mm；LPA10的最大分辨率是1.0 mm，Parsivel的最大分辨率是3.0 mm。

2）測(cè)量范圍大，對(duì)小粒子和大粒子的測(cè)量能力強(qiáng)。LPA10的標(biāo)稱(chēng)測(cè)量范圍為0.1～30 mm的粒子尺度；而Parsivel的標(biāo)稱(chēng)測(cè)量范圍為0.2～26 mm。

3）粒子尺度分級(jí)多。LPA10的粒子尺度分為64級(jí)，而Parsivel僅32級(jí)。分級(jí)多表征數(shù)據(jù)分辨率高，測(cè)量數(shù)據(jù)不確定性小，測(cè)量準(zhǔn)確率更高。

2.3 實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)評(píng)估

實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)評(píng)估方法采用0.1～30 mm標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠作為尺度檢測(cè)標(biāo)桿。分別對(duì)LPA10和Parsivel設(shè)備做固定高度自由落體投放測(cè)試。鋼珠具體尺度詳見(jiàn)表4，尺度精度為0.01 mm。

表4 標(biāo)定使用的標(biāo)準(zhǔn)尺度鋼珠T(mén)able 4 Standard size calibration steel balls

圖2是在相同條件下，選取表4所列的41種不同尺度的鋼珠作為尺度測(cè)試對(duì)象，分別對(duì)LPA10和Parsivel每個(gè)尺寸粒子進(jìn)行10次測(cè)試，得出的關(guān)于粒子尺度等級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。圖2中的橫坐標(biāo)表示粒子尺度的期望值，縱坐標(biāo)表示兩種雨滴譜儀對(duì)粒子尺度的測(cè)量值。圖中的矩形框的右邊線(xiàn)表示粒子的實(shí)際尺寸，矩形框的縱向尺寸表示測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性，即矩形框的縱向尺寸越大，表示粒子尺度的不確定性越大。矩形框的橫向尺寸表示10次測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，即矩形框的橫向尺寸越大，測(cè)量的一致性越好，每次測(cè)量結(jié)果在橫向上的長(zhǎng)度為橫向總長(zhǎng)度的十分之一。圖中藍(lán)色和紅色矩形表示LPA10產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)，藍(lán)色和紅色矩形的尺度定義參見(jiàn)表2；圖中黑色和綠色矩形表示Parsivel產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)，黑色和綠色矩形的尺度定義參見(jiàn)表3。藍(lán)色和黑色矩形表示測(cè)試數(shù)據(jù)偏離期望值較小，紅色和綠色矩形表示測(cè)試數(shù)據(jù)偏離期望值較大。

圖2 LPA10和Parsivel標(biāo)準(zhǔn)鋼珠測(cè)試Fig. 2 Comparing tests with standard steel balls between LPA10 and Parsivel

雨滴譜儀的尺度等級(jí)產(chǎn)品是按表2和表3對(duì)粒子尺度進(jìn)行等級(jí)分級(jí)。下面是對(duì)鋼珠測(cè)量過(guò)程中由于尺度分級(jí)帶來(lái)的分級(jí)誤差分析。從圖2a、圖2b可以得出，LAP10可測(cè)量的大粒子尺寸可達(dá)28.6 mm，而Parsivel激光雨滴譜儀最大測(cè)量粒子尺寸為26 mm。從圖2c、圖2d可以得出， LAP10可測(cè)量0.1 mm以上尺寸的粒子，而Parsivel僅能對(duì)大于0.4 mm的粒子進(jìn)行測(cè)量。分析圖2，可以得出LAP10在粒子尺寸0.1～2.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為0.25 mm；在粒子尺寸2.0～6.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為0.5 mm；在粒子尺寸6.0～14.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為1.0 mm；在粒子尺寸為14～28.6 mm時(shí)，測(cè)量誤差為2.0 mm。而Parsivel在粒子尺寸0.4～1.0 mm情況下，測(cè)量誤差為0.25 mm；在粒子尺寸為1.0～5.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為0.75 mm；在粒子尺寸為5.0～10.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為2.0 mm；在粒子尺度為10.0～19.0 mm時(shí)，測(cè)量誤差為4.0 mm；在粒子尺度為20～26.8 mm時(shí)，測(cè)量誤差為5.0 mm。當(dāng)粒子尺度小于1 mm時(shí)，LPA10和Parsivel具有同樣的測(cè)量誤差，都為0.25 mm；當(dāng)粒子尺度大于1 mm時(shí)，LPA10的測(cè)量誤差明顯小于Parsivel。在大粒子情況下，LPA10的最大測(cè)量誤差為2 mm，Parsivel的最大測(cè)量誤差為5 mm。

2.4 強(qiáng)降雨時(shí)的對(duì)比觀(guān)測(cè)

圖3記錄了2016—2017年在北京永豐的3次降水量較大的降水過(guò)程。降水過(guò)程全程采用LPA10雨滴譜儀、Parsivel雨滴譜儀和SL3-1翻斗式雨量計(jì)三種設(shè)備進(jìn)行對(duì)比觀(guān)測(cè)。雨量計(jì)作為目前地面觀(guān)測(cè)降水量的主流業(yè)務(wù)設(shè)備，國(guó)標(biāo)中規(guī)定翻斗式雨量計(jì)測(cè)量精度最大允許誤差為±4%[19]。以雨量計(jì)作為雨滴譜儀的測(cè)量降水量的對(duì)比并進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。

從圖3中的累積降水量上可以看到，LPA10在降水全過(guò)程累積降水量與雨量計(jì)測(cè)量值相接近，偏差較小；Parsivel在降水前期與雨量計(jì)比較接近，在降雨過(guò)程中后期測(cè)量值偏大，降水結(jié)束時(shí)與雨量計(jì)偏差較大。從圖3中的小時(shí)降水強(qiáng)度上可以看到，在整個(gè)降水過(guò)程中，LPA10的小時(shí)降水強(qiáng)度與雨量計(jì)的小時(shí)降水強(qiáng)度相差比較??；當(dāng)降水強(qiáng)度達(dá)10 mm/h以上時(shí)，Parsivel測(cè)量值較雨量計(jì)偏大，尤其是在2016年7月20日的13時(shí)，40 mm/h以上的降水強(qiáng)度時(shí)，測(cè)量值嚴(yán)重偏大，偏差為38.36%。表5是對(duì)上述三場(chǎng)降雨的累積誤差分析，Parsivel由于大尺度粒子測(cè)量偏差較大導(dǎo)致累積后的降水量偏差越大，Parsivel的測(cè)量絕對(duì)偏差在7.80%～34.32%；LPA10與雨量計(jì)的絕對(duì)偏差在0.28%～4.72%。

圖3 LPA10、Parsivel和SL3-1雨量計(jì)對(duì)比觀(guān)測(cè)Fig. 3 Comparing observation among LPA10, Parsivel and SL3-1 rain gauge

表6是廈門(mén)地區(qū)和廣州地區(qū)在2016—2017年雨季記錄完整的幾次降雨過(guò)程。對(duì)比設(shè)備為L(zhǎng)PA10激光雨滴譜儀和所在觀(guān)測(cè)站的翻斗式雨量計(jì)。從該表中誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在強(qiáng)降雨中，LPA10與雨量計(jì)測(cè)量值較為接近，整體上絕對(duì)值誤差在10%以?xún)?nèi)，絕大部分在絕對(duì)值5%以?xún)?nèi)。

2.5 弱降雨時(shí)的對(duì)比觀(guān)測(cè)

表7記錄了2016—2017年在北京永豐使用LPA10、Parsivel和SL3-1翻斗式雨量計(jì)，三種設(shè)備對(duì)比觀(guān)測(cè)累積降水量在20 mm以?xún)?nèi)的多次弱降水?dāng)?shù)據(jù)。由于翻斗式雨量計(jì)的最小測(cè)量分辨率為0.1 mm，濕潤(rùn)損失小于0.5 mm；而LPA10和Parsivel激光雨滴譜儀可以監(jiān)測(cè)小到0.001 mm/h強(qiáng)度的弱降水，并可輸出精確到0.01 mm的累積降水量。當(dāng)累積降水量小于1 mm時(shí)，雨量計(jì)的測(cè)量誤差大于10%，此時(shí)雨滴譜儀與雨量計(jì)的誤差對(duì)比意義不大。在表7中序號(hào)2～10次降水中，雨量計(jì)的測(cè)量范圍在5.9～17.6 mm。LPA10與雨量計(jì)的終點(diǎn)絕對(duì)值誤差在0.68%～6.83%；Parsivel與雨量計(jì)的終點(diǎn)絕對(duì)值誤差在2.29%～25.06%。Parsivel如除去誤差較大第2項(xiàng)，Parsivel與雨量計(jì)的終點(diǎn)絕對(duì)值誤差在2.29%～6.78%，此時(shí)Parsivel和LPA10的測(cè)量誤差數(shù)值相仿。在一般降水的誤差分析表明：LPA10和Parsivel絕對(duì)值誤差大部分都在5%左右，與雨量計(jì)的測(cè)量數(shù)值較為接近。

表5 2016—2017年北京永豐LPA10、Parsivel與雨量計(jì)強(qiáng)降雨對(duì)比觀(guān)測(cè)Table 5 Comparing observations for heavy rainfall among LPA10, Parsivel and the rain gauge in Yongfeng for 2016-2017

表6 2016—2017年廣州和廈門(mén)地區(qū)LPA10與雨量計(jì)強(qiáng)降雨對(duì)比觀(guān)測(cè)Table 6 Comparing observations between LPA10 and rain gauge in Gangzhou and Xiamen for 2016 - 2017

表7 2016—2017年北京永豐LPA10、Parsivel與雨量計(jì)一般降水對(duì)比觀(guān)測(cè)Table 7 Comparing observations for normal rainfall among LPA10, Parsivel and the rain gauge in Yongfeng for 2016-2017

2.6 強(qiáng)降雨時(shí)雨滴譜對(duì)比觀(guān)測(cè)

圖4記錄了位于北京永豐2015年7月22日的一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中LPA10和Parsivel的滴譜對(duì)比觀(guān)測(cè)情況。圖中橫坐標(biāo)為粒子直徑，單位為mm；縱坐標(biāo)為粒子速度，單位為m/s；顏色表示粒子濃度范圍數(shù)，單位為個(gè)；背景參照的“直徑vs速度理論曲線(xiàn)”為Atlas-Ulbrich修正曲線(xiàn)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“理論曲線(xiàn)”），它表征不同粒徑的降水粒子與終端速度關(guān)系，可作為滴譜分析的參照曲線(xiàn)。

本次降雨風(fēng)雨交加，記錄了強(qiáng)降雨過(guò)程中雨滴譜儀的激光透射窗口被淋或?yàn)R射到雨水后對(duì)滴譜觀(guān)測(cè)的影響情況。圖4a、圖4b分別為L(zhǎng)PA10和Parsivel在19:06的分鐘雨滴譜：兩設(shè)備傳感器狀態(tài)位“0”，表示狀態(tài)良好，激光透射窗口均未沾水；降水粒子直徑分布在0.2～6 mm；降水粒子的直徑、速度和數(shù)量的滴譜圍繞著理論曲線(xiàn)分布，呈現(xiàn)出中間粒子密集兩側(cè)逐漸稀疏的分布趨勢(shì)；除圖4b的個(gè)別粒子外，其余粒子最大速度值都在11.2 m/s以?xún)?nèi)。圖4c、圖4d為兩設(shè)備傳感器狀態(tài)位“1”，表示激光透射窗口沾水，即LPA10和Parsivel分別在19:15和19:09先后激光透射窗口沾水的分鐘雨滴譜，兩圖中畫(huà)圈的粒子為因窗口沾水造成的干擾粒子。雨滴譜儀的激光透射窗口沾水后會(huì)造成大粒子區(qū)域滴譜發(fā)散，呈現(xiàn)嚴(yán)重背離理論曲線(xiàn)的趨勢(shì)。圖4e、圖4f的設(shè)備傳感器狀態(tài)位仍然為“1”，表示在19:29兩設(shè)備窗口沾水持續(xù)一段時(shí)間后受影響的滴譜情況。通過(guò)理論曲線(xiàn)可知，6 mm雨滴的理論終端速度約為9.6 m/s。圖4e的滴譜緊湊地圍繞理論曲線(xiàn)分布，最大粒子速度在12.8 m/s左右，圖譜形狀與圖4a類(lèi)似，表明窗口沾水影響較小。圖4f的滴譜較為發(fā)散地圍繞理論曲線(xiàn)分布；2 mm以上粒子速度大于12 m/s；6 mm左右的粒子速度大于16 m/s；最大粒子直徑為10 mm；最大粒子速度大于18 m/s；通過(guò)滴譜觀(guān)察到Parsivel在窗口沾水后雨滴直徑和速度均被測(cè)大，測(cè)量誤差極大。

3 結(jié)論

圖4 LPA10（a、c、e）和Parsivel（b、d、f）強(qiáng)降雨的雨滴譜對(duì)比觀(guān)測(cè)Fig. 4 Comparison of the Drop Spectrum during heavy rain between LPA10 (a, c, e) and Parsivel (b, d, f)

LPA10激光雨滴譜儀采用接收能量與消光粒子能量對(duì)應(yīng)成比例的原理，避開(kāi)了由于光學(xué)成像測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的背景輻射、雨滴形變以及雨滴的透鏡效應(yīng)等諸多干擾因素，使得降水粒子測(cè)量簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)比檢驗(yàn)、降雨量和雨滴譜的實(shí)際對(duì)比觀(guān)測(cè)，LPA10在測(cè)量參數(shù)和探測(cè)性能方面表現(xiàn)較為出色：

1）測(cè)量面積大（63 cm2）；測(cè)量范圍廣（0.1～30 mm）；尺度分級(jí)細(xì)（64級(jí)）；測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性小。

2）降水量測(cè)量精度與雨量計(jì)偏差小，尤其是在強(qiáng)降雨情況下，整體絕對(duì)偏差在10%以?xún)?nèi)，大多數(shù)情況下絕對(duì)偏差在5%以?xún)?nèi)。

3）配備供臺(tái)站使用的標(biāo)定裝置可為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的可信性提供幫助。