[发明专利]强风条件下地面激光雨滴谱仪的数据质量控制方法

说明书

本发明提出了一种强风条件下地面激光雨滴谱仪的数据质量控制方法，该方法中根据当前采样时的水平风速风向修正雨滴粒子的直径和下落末速度，经修正的雨滴粒子直径和下落末速度，得到优化的雨滴谱分布。本发明尤其适用于强风条件下的雨滴谱数据质量控制。

技术领域

本发明属于气象领域，涉及气象观测仪器的矫正技术，尤其涉及一种强风条件下地面激光雨滴谱仪的数据质量控制方法。

背景技术

降水粒子在受重力作用降落的过程中，由于受到雨滴表面张力、空气动力和湍流等力的相互作用，其尺度、速度、形态、轴比、取向和谱分布等呈现出不同的微物理特征。其中，降水雨滴谱是降水微物理的基本特性，它描述的是降落雨滴的粒径分布特征，即单位空间内雨滴粒径和对应雨滴数浓度的分布。雨滴谱的精准观测对于理解降水微物理过程、提高气象雷达/卫星定量降水估计、改进数值天气预报模式微物理参数化方案，并最终提高降水预报能力均具有重要的作用。

在真实降水情况中，雨滴形态受到破碎、碰并、蒸发、局地上升/下沉气流等物理过程的影响而发生改变，很大程度的影响了降水雨滴谱的探测。因此，对于雨滴谱探测仪器在不同环境尤其是极端条件下的适用性和误差分析，有助于研发更有效的雨滴谱数据质量控制方法，这是非常基础而有必要的。

为了改进雨滴谱探测质量，材料技术、光电技术和数字信号技术被逐渐应用于本领域中，出现了以OTT's Particle Size and Velocity Disdrometer(PARSIVEL)为代表的光学雨滴谱仪。它通过测量雨滴的尺度和下落速度谱分布，并对雨滴形状做出一定的假设，计算得到雨滴谱和其他降水参数。而由于这类雨滴谱仪大多无法测量雨滴和其他类型降水粒子(如雹、霰等)的真实形状，而且存在较大的速度测量误差，因此有必要对雨滴谱仪的原始数据(雨滴直径-雨滴下落速度谱分布)进行质量控制。

下面对现有雨滴谱原始数据反演原理进行介绍(以PARSIVEL激光雨滴谱为例)：

1.测量粒子的基本假设

1)粒子为椭球形，且假设雨滴粒子的长短轴比满足：

且有：其中A表示粒子长轴，B表示短轴；

2)粒子沿短对称轴方向垂直下落(粒子长轴水平)；

3)从采集区域边缘经过的粒子不能被仪器自动识别；

4)测量的粒子具有消光特性；

5)粒子信号的测量持续时间仅由粒子下落速度的垂直分量决定，即粒子在激光束内的水平运动对测量结果没有影响；

6)在某一时刻的激光束里，信号遮挡物只能被识别成一个粒子。

2.雨滴粒子的直径反演

当椭球形的雨滴粒子进入采样空间时，将遮挡住一部分激光光束，因此可根据遮挡激光束的最大面积来反演雨滴粒子的等效直径(图1)，数学推导如下：

其中：激光束厚度h＝1mm

3.雨滴粒子的下落末速度反演

当椭球形的雨滴粒子进入采样空间时，可根据遮挡激光束的时间和反演所得的雨滴粒子等效直径来反演雨滴粒子的下落末速度，数学推导如下：

4.降水率和雨滴数浓度的计算

PARSIVEL激光雨滴谱仪的粒子直径探测范围为0-25mm，并将探测的粒径范围分成32档间隔，且粒径档的宽度随着粒子直径的增大而从0.125mm增大至3mm；它的速度探测区间为0-22.4m/s，也分成32档，分档宽度随着降落速度的增大而增大。仪器的原始输出数据为32*32档的雨滴粒径—下落末速度的矩阵中的雨滴个数分布。