[發明專利]強風條件下地面激光雨滴譜儀的數據質量控制方法

有效

• 申請號: 201811201067.6
• 申請日: 2018-10-16
• 公開（公告）號: CN109374484B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 林立旻;鮑旭煒
• 申請（專利權）人: 中國氣象局上海臺風研究所
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/10
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 馬旸

本發明提出了一種強風條件下地面激光雨滴譜儀的數據質量控制方法，該方法中根據當前采樣時的水平風速風向修正雨滴粒子的直徑和下落末速度，經修正的雨滴粒子直徑和下落末速度，得到優化的雨滴譜分布。本發明尤其適用于強風條件下的雨滴譜數據質量控制。

技術領域

本發明屬于氣象領域，涉及氣象觀測儀器的矯正技術，尤其涉及一種強風條件下地面激光雨滴譜儀的數據質量控制方法。

背景技術

降水粒子在受重力作用降落的過程中，由于受到雨滴表面張力、空氣動力和湍流等力的相互作用，其尺度、速度、形態、軸比、取向和譜分布等呈現出不同的微物理特征。其中，降水雨滴譜是降水微物理的基本特性，它描述的是降落雨滴的粒徑分布特征，即單位空間內雨滴粒徑和對應雨滴數濃度的分布。雨滴譜的精準觀測對于理解降水微物理過程、提高氣象雷達/衛星定量降水估計、改進數值天氣預報模式微物理參數化方案，并最終提高降水預報能力均具有重要的作用。

在真實降水情況中，雨滴形態受到破碎、碰并、蒸發、局地上升/下沉氣流等物理過程的影響而發生改變，很大程度的影響了降水雨滴譜的探測。因此，對于雨滴譜探測儀器在不同環境尤其是極端條件下的適用性和誤差分析，有助于研發更有效的雨滴譜數據質量控制方法，這是非常基礎而有必要的。

為了改進雨滴譜探測質量，材料技術、光電技術和數字信號技術被逐漸應用于本領域中，出現了以OTT's Particle Size and Velocity Disdrometer(PARSIVEL)為代表的光學雨滴譜儀。它通過測量雨滴的尺度和下落速度譜分布，并對雨滴形狀做出一定的假設，計算得到雨滴譜和其他降水參數。而由于這類雨滴譜儀大多無法測量雨滴和其他類型降水粒子(如雹、霰等)的真實形狀，而且存在較大的速度測量誤差，因此有必要對雨滴譜儀的原始數據(雨滴直徑-雨滴下落速度譜分布)進行質量控制。

下面對現有雨滴譜原始數據反演原理進行介紹(以PARSIVEL激光雨滴譜為例)：

1.測量粒子的基本假設

1)粒子為橢球形，且假設雨滴粒子的長短軸比滿足：

且有：其中A表示粒子長軸，B表示短軸；

2)粒子沿短對稱軸方向垂直下落(粒子長軸水平)；

3)從采集區域邊緣經過的粒子不能被儀器自動識別；

4)測量的粒子具有消光特性；

5)粒子信號的測量持續時間僅由粒子下落速度的垂直分量決定，即粒子在激光束內的水平運動對測量結果沒有影響；

6)在某一時刻的激光束里，信號遮擋物只能被識別成一個粒子。

2.雨滴粒子的直徑反演

當橢球形的雨滴粒子進入采樣空間時，將遮擋住一部分激光光束，因此可根據遮擋激光束的最大面積來反演雨滴粒子的等效直徑(圖1)，數學推導如下：

其中：激光束厚度h＝1mm

3.雨滴粒子的下落末速度反演

當橢球形的雨滴粒子進入采樣空間時，可根據遮擋激光束的時間和反演所得的雨滴粒子等效直徑來反演雨滴粒子的下落末速度，數學推導如下：

4.降水率和雨滴數濃度的計算

PARSIVEL激光雨滴譜儀的粒子直徑探測范圍為0-25mm，并將探測的粒徑范圍分成32檔間隔，且粒徑檔的寬度隨著粒子直徑的增大而從0.125mm增大至3mm；它的速度探測區間為0-22.4m/s，也分成32檔，分檔寬度隨著降落速度的增大而增大。儀器的原始輸出數據為32*32檔的雨滴粒徑—下落末速度的矩陣中的雨滴個數分布。