光学降水传感器降雪监测与研究.pdfVIP

? 光学降水传感器的降雪监测研究 魏国栓 1 1 2 1 1 王国新 李肖霞 沙广军 佟增亮 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 光学降水传感器主要根据获取的降水粒子的散射信号来反演降水类型，并统计降水量。本文使用 CJY-2C/T 型光学降水传感器实时监测 2011 年 2 月 26 日和 27 日发生在北京的两场降雪，实验场地为北京 观象台等十个站点，主要分析了降雪的整点点监测数据，验证了国产光学降水传感器对降雪的监测水平。 试验结果表明该国产光学降水传感器能够很好的对降雪现象进行捕捉，对降雪的识别率达到 90%以上；设 备高时间分辨率的实时数据可以对降水过程进行很好的监测；通过对该类设备一定密度的布设，可以有效 的从空间和时间上对降水进行研究。在降水量的监测方面，该设备与人工监测数据具有很好的一致性，部 分站点的误差在随着降雪量的增大而增大。后续研究中必须加大对降雪样本的采集，并且加入风速等变量 对模型进行修正，进一步的细化模型，满足业务部门对降雪量的高精度监测要求。 关键词：天气现象?光学降水传感器? 降雪 1. 前言 中国气象局在“综合气象观测系统发展指导意见”中提出“开展云、能见度、天气现象、 固态降水等自动化观测业务化试验和试点，并逐步进入基本业务。”的指导方针，根据该指 导方针各科研单位及厂家陆续展开了天气现象自动化监测设备的研制。 [1~3] 对于降水的识别，目前存在光学探测、声波探测和雷达探测等多种类型的探测技术 ， 其中以光学原理为基础的降水类型识别技术研究较为广泛。具有代表性的基于光学原理的降 水识别技术主要有以下三种[4~7]，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，不同降水粒子通过光散射或反射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，即可获得不同的降水类型。第二种以凯迈（洛阳）环测有限公司的 CJY 系列和美 国 Campbell 公司的 PWS 系列天气现象仪为代表的通过测定降水颗粒速度来获取降水类型和 降水量的粒子下落速度法，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 TPI-885 降水现象传感器等等。第三种是以芬兰 Vaisala 公司生产的 PWD 系列为代表的通过 [8~14] 测定常规气象要素和光强衰减等多要素来判定降水类型的光强衰减多要素判断法 。 为了验证天气现象自动化观测设备的性能，探索天气现象自动化观测的业务流程，中 国气象局气象探测中心在北京气象局开展天气现象自动化组网观测。本次试验选取了北京 （南郊观象台）、朝阳、延庆、怀柔、密云、昌平、顺义、平谷、门头沟、大兴十个站作为 ?资助项目：中国气象局公益性行业专项 座机电话号码 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 试验站点，其中密云站是国家基准气候站，北京站、延庆站为国家基本气象站，其他为国家 一般气象站。布设了共十套天气现象自动化观测设备。 本次天气现象组网试验中使用凯迈（洛阳）环测有限公司的 CJY-2C/T 型光学降水传感 器进行降水监测，在 2011 年 2 月 26 和 27 日两次降雪过程中，传感器对整个降雪过程进行 监测，监测内容包括降水类型和降水量，对比数据为人工实测的等降水量数据。 2. 原理技术 CJY-2C/T 型光学降水传感器主要采用一体式的开放式结构，主要有发射组件和光电接 收组件组成，发射器与接收器的角度约为 45°，为了减小背景光干扰，在接收器对面设有 遮光头罩。 图1 CJY-2C/T型光学降水传感器结构总图 该设备主要利用近红外光的前向散射原理，根据监测降水颗粒通过采样区时的前向散射 信号，计算降水颗粒的降落速度和粒径大小，根据速度谱和雨滴谱理论反演降水类型和降水 量。 以雨滴为例，雨滴末速度是通过雨滴尺寸分布计算降雨率的一个重要参量，在重力作用 下，水滴的下落速度不断增加，与此同时，空气阻力也随之增加，重力和阻力很快达到平衡， 使水滴匀速下降。水滴的下落速度可以通过求解水滴在重力场中的运动方程得到，设外力为 重力、浮力和阻力，在静止介质中，运动方程为如下形式： 式中 m 为水滴质量，v 为水滴下落速度（与空气的相对速度）。 和 分别为空气和水 的密度，FD 表示阻力。雨滴的下落速度随雨滴尺寸的增加而增加，当雨滴直径超过 2 毫米时， 雨滴末速度的增加率逐渐减少。雨滴的直径