馮 慧，李松奎，樊錦濤，魯物婷，李秀琳，徐頌捷

(1.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710016；3.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

降水現(xiàn)象儀是地面氣象觀測(cè)主要設(shè)備之一[1]，根據(jù)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，可輸出雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等多種降水類型。陜西省11個(gè)市(區(qū))共99個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站均已配備雨滴譜式降水現(xiàn)象儀[2-7]。在城市建設(shè)、水利、機(jī)場(chǎng)等部門也廣泛使用雨滴譜式降水現(xiàn)象儀。由于雨滴譜式降水現(xiàn)象儀在使用中受安裝精度、透鏡老化、外界抖動(dòng)干擾等各種因素的影響，常常影響觀測(cè)的準(zhǔn)確性。目前，針對(duì)雨滴譜式降水現(xiàn)象儀的計(jì)量需求，還沒(méi)有形成規(guī)范的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)業(yè)務(wù)。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，以推進(jìn)雨滴譜式降水現(xiàn)象儀的計(jì)量業(yè)務(wù)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

1 雨滴譜式降水現(xiàn)象儀

1.1 工作原理

雨滴譜式降水現(xiàn)象儀主要由雨滴譜傳感器、數(shù)據(jù)采集器及其外圍設(shè)備和軟件構(gòu)成，其中雨滴譜傳感器包括激光發(fā)射器、激光接收器和處理單元[8-9]。它可以全天候自動(dòng)捕獲大氣中降落的雨、雨夾雪、雪、冰雹等水凝物，因水凝物物理特性的差異，在粒子直徑和下落末速度的分布上有各自對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)降水粒子對(duì)激光信號(hào)的衰減影響程度，檢測(cè)降水粒子的粒徑和下落末速度，確定降水粒子的圖譜分布，判定并輸出降水現(xiàn)象類型。雨滴譜式降水現(xiàn)象儀既可作為單獨(dú)的傳感器掛接在自動(dòng)氣象站或綜合觀測(cè)系統(tǒng)中，又可配備采集器作為觀測(cè)儀獨(dú)立使用。

1.2 計(jì)量特性

雨滴譜式降水現(xiàn)象儀計(jì)量特性見(jiàn)表1，技術(shù)指標(biāo)不用于合格性判別，僅供參考。

表1 雨滴譜式降水現(xiàn)象儀計(jì)量特性

2 降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置

2.1 降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置，在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的透明轉(zhuǎn)盤(pán)上粘貼不同尺寸的圓形不透光遮擋物，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)被校降水現(xiàn)象儀的激光檢測(cè)區(qū)。利用不同尺寸的遮擋物模擬不同尺寸的降水粒子，不透光遮擋物中心處轉(zhuǎn)盤(pán)的線速度即為該模擬粒子下落的末速度。主要技術(shù)指標(biāo)如下：粒子直徑范圍為2.1～21 mm，直徑誤差±0.06 mm；粒子速度范圍為0.6～16 m/s，速度誤差±0.03 m/s。

2.2 降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置安裝方法

將降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置放入降水現(xiàn)象儀收發(fā)光路中間，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)裝置高度，確保降水現(xiàn)象儀的激光束處在降水粒子模擬單元透光孔的中心位置，并連接好通信線和電源線。降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置開(kāi)始測(cè)試前，必須保證轉(zhuǎn)盤(pán)的潔凈。如果轉(zhuǎn)盤(pán)表面劃傷，請(qǐng)及時(shí)更換。

2.3 降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置溯源

降水粒子直徑用游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量，并對(duì)游標(biāo)卡尺進(jìn)行溯源；速度用轉(zhuǎn)速表來(lái)測(cè)量，并對(duì)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行溯源。

3 校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇

3.1 降水粒子直徑

校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇：根據(jù)雨滴譜圖，模擬降水粒子直徑結(jié)合速度需覆蓋雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等降水現(xiàn)象，并使其落在可明顯區(qū)分降水類型的區(qū)域。降水粒子標(biāo)準(zhǔn)直徑一般選擇包含降水現(xiàn)象儀下限、上限和中間點(diǎn)在內(nèi)的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。降水粒子標(biāo)準(zhǔn)直徑校準(zhǔn)點(diǎn)：2.4、4.3、9.5、21 mm，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑應(yīng)配合4個(gè)降水粒子標(biāo)稱速度(2.0、3.4、7.0、12.0 m/s)分別進(jìn)行測(cè)量。

降水粒子直徑的校準(zhǔn)：采用降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬特定大小的粒子下落，對(duì)選取的不同降水粒子直徑進(jìn)行校準(zhǔn)，選取1種標(biāo)稱速度對(duì)直徑進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，取10次測(cè)量平均值作為校準(zhǔn)結(jié)果。按相同方法，在其他3種速度下對(duì)粒徑進(jìn)行測(cè)量。

降水粒子直徑示值誤差數(shù)據(jù)處理見(jiàn)公式(1)。

Δd=d-ds，

(1)

式(1)中，Δd為各校準(zhǔn)點(diǎn)直徑示值誤差，單位為mm；d為各校準(zhǔn)點(diǎn)直徑平均值，單位為mm；ds為各校準(zhǔn)點(diǎn)直徑標(biāo)準(zhǔn)值，單位為mm。

3.2 降水粒子速度

校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇和測(cè)量方法與3.1相同，在測(cè)量降水粒子直徑的同時(shí)得出降水粒子速度。降水粒子速度示值誤差數(shù)據(jù)處理見(jiàn)公式(2)。

Δv=v-vs，

(2)

式(2)中，Δv為各校準(zhǔn)點(diǎn)速度示值誤差，單位為m/s；v為各校準(zhǔn)點(diǎn)速度平均值，單位為m/s；vs為各校準(zhǔn)點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)值，單位為m/s。

4 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證本方法的可行性，選取3種型號(hào)的降水現(xiàn)象儀各1臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，分別為A、B、C型。為方便降水現(xiàn)象儀校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直徑和速度的記錄，校準(zhǔn)點(diǎn)和序號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 校準(zhǔn)點(diǎn)與序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

測(cè)量結(jié)果如下：A型降水現(xiàn)象儀降水粒子直徑示值誤差最大值為0.20 mm，最小值為0.18 mm；B型降水現(xiàn)象儀的最大值為0.21 mm，最小值為0.19 mm；C型降水現(xiàn)象儀的最大值為0.26 mm，最小值為0.25 mm。3臺(tái)降水現(xiàn)象儀降水粒子直徑示值誤差對(duì)比如圖1所示，可以看出，A型降水現(xiàn)象儀降水粒子直徑示值誤差偏小，C降水現(xiàn)象儀降水粒子直徑示值誤差最大。

圖1 3臺(tái)降水現(xiàn)象儀降水粒子直徑示值誤差對(duì)比

A型降水現(xiàn)象儀的降水粒子速度示值誤差最大值為0.05 m/s，最小值為0.02 m/s；B型降水現(xiàn)象儀的最大值為0.08 m/s，最小值為0.04 m/s；C型降水現(xiàn)象儀的為0.15 m/s，最小值為0.09 m/s。3臺(tái)降水現(xiàn)象儀降水粒子速度示值誤差對(duì)比如圖2所示，可以看出，A型降水現(xiàn)象儀降水粒子速度示值誤差偏小，C型降水現(xiàn)象儀降水粒子速度示值誤差最大。

圖2 3臺(tái)降水現(xiàn)象儀降水粒子速度示值誤差對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

研究表明，用降水模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置選取4個(gè)降水粒子分別配合4個(gè)標(biāo)稱速度依次進(jìn)行10次測(cè)量，分別得出被校降水現(xiàn)象儀2個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目的誤差，作為儀器準(zhǔn)確性的識(shí)別依據(jù)是可行的。此標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確，輸出結(jié)果可信，可以作為降水現(xiàn)象儀的計(jì)量業(yè)務(wù)校準(zhǔn)方法之一，可在業(yè)務(wù)中推廣使用。