[发明专利]基于数字摄像的降水现象自动观测系统

说明书

技术领域

本发明涉及天气现象自动观测系统，特别是基于数字摄像的降水现象自动观测系统。

背景技术

降水现象观测一直是气象和水文站最基础的观测项目之一。在中国气象局颁布的《地面气象观测规范》中，降水现象包括11种，分别为：雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒和冰雹。

目前用于降水现象自动观测识别试验的仪器或系统大体有三类：

一、基于粒子运动的力学效应观测的感应器

这类感应器包括声感应器（Acoustic detector）、压电感应器（Piezoelectric detector）和冻雨感应器（Freezing Rain Sensor）等。

声感应器的工作原理为：当其水平感应器受到粒子撞击时，产生电脉冲，电脉冲的幅度与雨滴大小成比例，因而通过对电脉冲幅度的测量能够比较有效地测量雨滴的大小分布，故这类声感应器也被称为声学雨滴谱仪。但是，声感应器在检测雪晶粒子和小雨滴时，由于雪晶粒子落速小，容易将其与小雨滴撞击效应相互混淆。

压电感应器的工作原理为：当压电晶体元件受到降水粒子撞击时，出现压电效应，根据对压电效应的检测可以有效区分降雨和降雹。但是压电感应器不能鉴别其它类型的固态降水。

而冻雨感应器只对冻雨检测有效，其原理为：设置一根振动棒，当过冷雨滴撞击振动棒的棒体后会立即冻结，振动棒的超声振动频率与累积水量成比例，通过对振动棒超声振动频率的检测能够比较有效地对冻雨进行检测。

上述感应器对于降水类型的识别而言都只能属于辅助设备，它们受探测原理的局限，只能满足特定场合降水监测识别的要求。

二、微波粒子谱仪

微波粒子谱仪实际上是一种为地面布网观测识别降水现象而设计的小型化、连续波、低功率的多普勒雷达，因而也称为多普勒雨滴谱仪（Doppler rain-gauge disdrometer）。其天线波束指向垂直向上的方向，发射天线和接受天线彼此靠近，测量体积紧贴天线上方。微波粒子谱仪对回波信号进行频谱分析，获得天线上方大约1～3米高度范围内降水粒子群的多普勒速度谱。微波粒子谱仪的工作原理在于首先假定多普勒速度谱等于粒子末速度谱分布，再根据已知的雨、雪和雹粒子末速度-直径关系式来推断降水类型。

对比试验表明：利用微波粒子谱仪的系统能够一般地分辨降雨和降雪，也有过成功识别冰雹的实例，但是迄今为止这类系统对毛毛雨和混合型降水还没有提供过成功识别的实例。而且，此类系统对小雨降雨率的估计通常偏低，而对强降雨的降雨率的估计通常偏高。

一般而言，这类系统的优点在于可以直接测量降水粒子群的多普勒速度谱，仪器结构紧凑、适合野外露天长期观测。而它的局限性在于其仅仅依靠降水粒子群的多普勒速度谱以及已知的各种类型降水粒子末速度和谱形公式进行降水类型识别，由于不能直接获得降水粒子相态、大小、形状和空间姿态等信息，难以避免识别过程中存在的不确定性。例如，一些融化中的雪花和霰粒子的下落速度可能较大，使得多普勒频移可能处在较高的频移区间，而毛毛雨可能处在较低的多普勒频移区间；另外，水平风的影响可能导致飞越天线的粒子径向速度未必等于粒子末速度，等等。这种微波粒子谱仪探测识别降水类型的有效性取决于对降水微物理特性的认识程度。目前而言，这类技术还需要进行更多的试验研究进行改进，并且有待实践的检验。

三、光学感应器

这里光学感应器泛指基于粒子散射光和透射光测量以及粒子影像测量原理的一类降水粒子探测技术。

散射型降水感应器的基本工作原理是在某一散射角观测降水粒子的散射光，假设散射光的强度与降水粒子大小成比例，因而通过对散射光强度的检测能够实现降水粒子的探测。有些散射型降水感应器还附加了感应器表面温度和降水量的测量，作为鉴别粒子类型的重要参考依据。已有的对比试验结果表明，散射型降水感应器对于雨、雪的检测率可达70～90%，但是对于其他类型降水的识别效果却不太好。

比较简单的透射型降水感应器通常采用被整形为水平薄片状的平行激光光束，这些平行光束在接收端被聚焦在一个光电传感器上；由于降水粒子通过光束时会引起光电传感器输出信号的变化，因而通过对光电传感器输出信号的检测能够实现降水粒子的探测，其中降水粒子大小和信号变化幅度之间的关系可通过实验来标定，同时可用信号变化持续的时间来估计粒子的下落速度。但是，此类仪器能够有效识别的固态降水类型比较有限，对降水粒子微结构和动力学参数的测量也不全面。