基于近红外前向散射技术光学雨量计与研究.pdfVIP

∗ 基于近红外前向散射技术的光学雨量计研究 1 1 2 1 1 魏国栓 ，王国新 ，李肖霞 李易航 蔡春献 1.凯迈（洛阳）环测有限公司，洛阳，471009 2.中国气象局气象探测中心，北京，100081 摘 要 利用光学原理监测降水，可以有效克服传统的翻斗式雨量计人工维护量大、不能分辨降水类型和对固态降 水监测存在一定的滞后性等缺点。本研究基于国内成熟的前向散射能见度仪研制技术技术的基础上，利用近红 外光的前向散射原理进行光学雨量计的研究，实现对降水类型的分辨和降水量的监测。该设备通过测定降水颗 粒的下落速度，根据不同颗粒的速度谱分布特征反演降水类型；根据降水颗粒的前向散射信号和下落速度综合 判定颗粒的粒径大小，从而统计降水量。本文试验时间2009年4月22日、23日和5月10日两场降水，该降 水分别为持续性降水和对流性降水，对比数据为英国Biral公司的VPF-730天气现象仪。本文主要对比了样机 对降水降水现象的捕捉和对降水量的监测能力，实验数据表明设备对降水的起始和结束时间判断准确，与 VPF-730的设备误差在两分钟以内。该次试验中对持续性降水的监测误差为5%左右，对流性降水的监测误差在 10%左右。结果表明该原理样机可以很好的对降水现象进行捕捉，对降水的误差基本达到了国外通用产品的水 平，与VPF-730的十分钟数据相关性达到了95%以上，能够对整个降水过程进行高时间分辨率的监测。 关键词：前向散射；光学雨量计；降水 1 前言： 随着社会经济的发展，对降水的实时监测在气象、高速公路、机场、水文等领域起着越来 越重要的作用。气象领域根据降水的监测分析天气形势以及统计各地的气候特点；机场、高速 等交通部门根据降水状况制定各种应急措施；水文部门根据降水信息进行水土流失方面的监测 和治理等等，可以说对降水的监测已经成为人们日常生活的重要组成部分。 目前，国内各气象观测站和无人气象站对降水的监测主要以翻斗式或者称重式雨量计为 主。采用翻斗式雨量进行降水量的统计主要存在以下问题：首先，野外应用环境比较恶劣，由 于沙尘的沉降、鸟粪以及树枝、树叶的累积，易将雨量筒堵塞，影响正常使用。解决这一问题 需要大量的人力物力对设备进行定期的维护。其次，雨量筒所测雨量为降水累积值，在雨量非 常小情况下，不能够对降水和降水量进行有效监测。再次使用雨量筒不能够对降水类型进行区 分，更不能对降水的微物理结构，比如降水颗粒的大小和下降速度进行实时监测。还有，在固 态降水情况下，比如降雪或者冰雹，雨量筒对雨量的监测具有很大的滞后性。另外在雨量器受 ∗资助项目：中国气象局公益性行业专项 作者简介：魏国栓，男，1981 年出生，硕士，工程师，主要从事天气现象自动化观测设备的研发。E-mail:robins_wei@126.com 1 [1] 水口上方，由于系统的风场变形而导致的误差一般对降水为 2%-10%，对降雪为 10%-50% 。以 上几点都非常不利于各气象场站和无人气象站对降水的实时监测。 除了传统的翻斗式雨量筒外，目前正在研究的对降水的监测还有光学探测、声波探测和 雷达探测等多种类型的探测技术[2~3]，其中以光学原理为基础的天气现象识别技术研究最为广 泛。具有代表性的基于光学原理的光学雨量计主要有以下三种[4~7]，第一种是以美国 OSI公司 OWI430系列传感器为代表的降水粒子光强闪烁法，不同降水会产生不同的闪烁信号，通过对 探测到的闪烁信号进行处理，即可获得对降水类型和降水量的监测。第二种以英国 Biral公司 HSS系列天气现象仪为代表的通过测定降水颗粒速度来获取天气现象的降水粒子下落速度法， 另外利用此类技术其它代表性产品还有德国 PMTech 公司的 PARSIVEL M300 、德国 Thies 公司 生产的激光降水探测器以及加拿大 GENEQ公司生产的