陳鳳琴，韓合忠，耿靈生，岳瀟靜

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟(jì)南 250001)

基于激光雨滴譜儀的降雨特征研究

陳鳳琴1,2，韓合忠1,2，耿靈生1,2，岳瀟靜3

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省水文局，山東 濟(jì)南 250001)

雨滴譜；激光雨滴譜儀；降雨動(dòng)能；雨滴總動(dòng)能

激光雨滴譜儀的應(yīng)用對于更清楚地認(rèn)識自然降水的發(fā)展演變過程具有重要意義。利用激光雨滴譜儀記錄不同模擬降雨條件下的降雨特征，分析雨滴譜，計(jì)算雨滴動(dòng)能，并與自動(dòng)氣象站的測量降雨裝置進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，激光雨滴譜儀測量值相對于自動(dòng)雨量計(jì)測量值整體偏低，但兩者觀測到的每分鐘降水量變化趨勢基本一致。雨滴譜分析結(jié)果顯示，雨滴平均直徑與總動(dòng)能、雨強(qiáng)相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；雨強(qiáng)與降雨總動(dòng)能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能對總動(dòng)能貢獻(xiàn)最大，占總動(dòng)能的99%以上；5 min總動(dòng)能與5 min雨強(qiáng)之間關(guān)系密切。

1 激光雨滴譜儀簡介

激光雨滴譜儀由內(nèi)置數(shù)據(jù)采集器、操作軟件、防風(fēng)部件、支架等組成，所有數(shù)據(jù)均以RS485協(xié)議傳輸，再通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接到其他設(shè)備。它是應(yīng)用激光原理對高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行測定，可測定運(yùn)動(dòng)物體的總量、大小、強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)速度，尤其是對微小物體的測定，測定對象最小直徑可達(dá)0.16 mm。它可以測量最小0.005 mm/h、最大250 mm/h雨強(qiáng)的降水；可以監(jiān)測區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球，以及各種介于雪花和冰雹之間的降水；可以計(jì)算各種降水類型的強(qiáng)度、總量、能見度，并且進(jìn)行必要的分析，繪出雨滴譜圖；還可以對氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。目前，激光雨滴譜儀廣泛應(yīng)用于交通控制、氣象監(jiān)測與服務(wù)、科學(xué)研究、機(jī)場觀測、公路氣象監(jiān)測、水文地理學(xué)等領(lǐng)域。

2 激光雨滴譜儀與自動(dòng)雨量計(jì)降雨量測量值比較

為了解激光雨滴譜儀在降雨量測量方面的準(zhǔn)確性與可靠性，在多次模擬降雨過程中，采用激光雨滴譜儀與自動(dòng)氣象站降雨測量裝置——自動(dòng)雨量計(jì)同步觀測降雨量，并進(jìn)行比較分析。兩種儀器均置于同一位置(把自動(dòng)雨量計(jì)放在激光雨滴譜儀下方，以消除降水不均勻引起的測量誤差)，認(rèn)為兩種儀器在觀測過程中空間和時(shí)間上的差異可以忽略。

對不同雨強(qiáng)下11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀和自動(dòng)雨量計(jì)測量數(shù)據(jù)(1 min降雨量)進(jìn)行分析，測量雨強(qiáng)范圍為10～81 mm/h，觀測到的降雨量變化趨勢基本一致，但激光雨滴譜儀精度更高，可以保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位，自動(dòng)雨量計(jì)僅保留小數(shù)點(diǎn)后一位。同時(shí)，激光雨滴譜儀測量值相對于自動(dòng)雨量計(jì)測量值存在整體偏低的情況，特別是30～60 mm/h雨強(qiáng)時(shí)，呈現(xiàn)出雨強(qiáng)越大，兩者測量值偏差越大的情況，這主要是由雨量計(jì)的殘水誤差引起的；60～81 mm/h大雨強(qiáng)時(shí)，長時(shí)間降雨條件下，兩儀器測定的降雨量幾乎無差別；20～30 mm/h雨強(qiáng)時(shí)，激光雨滴譜儀測量的降雨量數(shù)值比自動(dòng)雨量計(jì)大，但自動(dòng)雨量計(jì)測量值的變異系數(shù)比激光雨滴譜儀測量的大?？偟膩碚f，自動(dòng)雨量計(jì)測量的降雨量平均值和變異系數(shù)較激光雨滴譜儀測量的大，但兩者降水量趨勢變化基本一致。當(dāng)然，要詳細(xì)了解兩種儀器在測量降雨量準(zhǔn)確度上的差異，還需要收集大量樣本進(jìn)行論證，特別是自然降雨情況下的比較。

3 激光雨滴譜儀的應(yīng)用

3.1 雨滴譜分析

反映雨滴譜特性的參數(shù)主要有雨滴的直徑、組成分布、降落速度和動(dòng)能[1]。雨滴直徑的大小，決定了降落雨滴的質(zhì)量和速度的大小，從而決定了雨滴所具有動(dòng)能的大小，因此測量雨滴直徑是重要的。但是雨滴在下落過程中的大小形態(tài)是不規(guī)則的，測量其大小分布狀況在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的雨滴譜測量是通過人工采集大量的雨滴特性參數(shù)數(shù)據(jù)，對雨滴的直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類。該過程繁復(fù)耗時(shí)，實(shí)時(shí)性差，往往存在很大的誤差。激光雨滴譜儀實(shí)現(xiàn)了雨滴譜測量的自動(dòng)化，能實(shí)時(shí)地給出雨滴譜測量曲線，對降水粒子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，并給出瞬時(shí)降雨強(qiáng)度及累積降水量，這對研究降水過程、降水動(dòng)能，并指導(dǎo)人們提前預(yù)防洪澇災(zāi)害等極端惡劣天氣具有非常重要的意義。

3.2 雨滴動(dòng)能計(jì)算

降雨動(dòng)能是表征降雨侵蝕能力的一個(gè)重要指標(biāo)，廣泛地用于土壤侵蝕模型研究[2]。運(yùn)用降雨動(dòng)能經(jīng)驗(yàn)公式只能給出一定條件下的平均狀況，而無法對不同地形條件下降雨動(dòng)能的變異性和空間分布的不均衡性做出合理的估算，而基于雨滴譜函數(shù)和降雨微觀過程的計(jì)算模型，可以研究和分析坡度、風(fēng)速、風(fēng)向等外界條件對降雨動(dòng)能計(jì)算的影響[3]。激光雨滴譜儀可以測出每分鐘降雨量下的雨滴速度、雨滴直徑和雨滴數(shù)量，得出雨滴譜圖表，再根據(jù)雨滴譜圖表計(jì)算出雨滴動(dòng)能。

對不同雨強(qiáng)下11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀測量的1 min降雨量進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算出雨強(qiáng)在36.49～45.46 mm/h之間共48 min的每分鐘雨滴動(dòng)能、不同直徑雨滴數(shù)量，并對不同直徑雨滴對動(dòng)能的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。這48組數(shù)據(jù)平均雨強(qiáng)為39.25 mm/h，雨滴平均直徑為0.47 mm，雨滴數(shù)量約12 128個(gè)/min?？紤]到雨滴直徑過大、過小都不易發(fā)生強(qiáng)烈擊濺，所以對直徑0.25～6.00 mm的雨滴進(jìn)行分析。

(1)對每分鐘采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。雨滴平均直徑與總動(dòng)能、雨強(qiáng)相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.729；雨強(qiáng)與降雨總動(dòng)能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.831、0.826；直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能對總動(dòng)能貢獻(xiàn)最大，占總動(dòng)能的99%以上。

(2)整理每5 min數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。雨滴平均直徑與5 min總動(dòng)能、5 min雨強(qiáng)相關(guān)性不顯著；雨強(qiáng)與降雨總動(dòng)能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.850、0.804；5 min總動(dòng)能受陣風(fēng)風(fēng)速影響較大，兩者呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.848；對5 min總動(dòng)能與5 min雨強(qiáng)之間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析(圖1)，結(jié)果表明5 min總動(dòng)能與5 min雨強(qiáng)關(guān)系密切。

4 結(jié) 語

利用激光雨滴譜儀記錄不同模擬降雨條件下的降雨特征，分析雨滴譜，計(jì)算雨滴動(dòng)能，并與自動(dòng)氣象站的測量降雨裝置進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：

(1)利用11次連續(xù)模擬降雨，共約16.2 h、972組激光雨滴譜儀與氣象站雨量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測量雨強(qiáng)范圍為10～81 mm/h，結(jié)果顯示，存在激光雨滴譜儀測量值相對于自動(dòng)雨量計(jì)測量值整體偏低的情況，但兩者觀測到的每分鐘降雨量變化趨勢基本一致。

(2)整理激光雨滴譜儀測量數(shù)據(jù)，對模擬降雨條件下每分鐘采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：雨滴平均直徑與總動(dòng)能、雨強(qiáng)相關(guān)性甚微，與雨滴數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；雨強(qiáng)與降雨總動(dòng)能、直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；直徑0.25～6.00 mm雨滴動(dòng)能對總動(dòng)能貢獻(xiàn)最大，占總動(dòng)能的99%以上。對每5 min整理數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，5 min雨滴總動(dòng)能與5 min雨強(qiáng)之間關(guān)系密切。

[1] 徐文靜,蘇德斌,伽麗麗,等.利用激光降水粒子譜儀觀測北京夏季雨滴譜特征[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,1(3):49-56.

[2] 蔡麗君,王國棟,張社奇.黃土高原降雨雨滴動(dòng)能的分布律[J].水土保持通報(bào),2003,23(4):28-29.

[3] 馬延,周成虎.基于雨滴譜函數(shù)的降雨動(dòng)能理論計(jì)算模型[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2006,16(10):1251-1256.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

水利部“948”項(xiàng)目(201029)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201101057)；2012年山東省水利科研與技術(shù)推廣課題(SDSLKY201201)；山東省省級水利科研與技術(shù)推廣項(xiàng)目(SDSLKY201504)；山東省水利科學(xué)研究院自選課題(魯水科〔2013〕41號-5)

P426.62

A

1000-0941(2017)02-0042-02

陳鳳琴(1979—)，女，山東成武縣人，工程師，碩士，主要從事水土保持及水生態(tài)方面的研究工作。

2016-03-15