云雾降水物理学讲义

云降水物理学讲义 13 1 第十三章 云降水物理探测简介 云降水物理探测的目的在于探测自然云 降水过程的基本特征 深入了解 云 降水过程的各种尺度各种物理机制 进而建立相应的云和降水数值模式 在人影中的作用 探测施加人工影响后 云 降水动力学和微物理学的响 应变量的基本特征 进而研究对人工影响天气的预估和检验 1 直接测量方法直接测量方法 1 1 云凝结核计数器云凝结核计数器 最早出现的作为商品仪器是 20 世纪 70 年代初称作 Mee 一 130 型的云凝结 核计数器 其主体部分是平行板热力梯度扩散云室 结构 上下板间隔 1 1 5 厘米 两相对表面覆以潮湿的吸水海绵状物 并与 水室相通 以维持表面潮湿 上板平水面保持与环境温度一致 下板平水面温 度低于上板 原理 上 下板表面的水汽密度均分别为相应温度下的饱和状态 通过分 子扩散在两板之间形成温度和水汽密度的线性分布 由于水汽密度与温度之间的指数函数关系 在两板之间中心面的平均水汽 密度 高于该温度下的饱和水汽密度 从而在中心面形成过饱和 过饱和度决 定于上 下板之间的温度 温差 3 5 相应过饱和度为 0 5 1 2 冰核计数器冰核计数器 Mee 一 150 美国 Mee 公司 20 世纪 70 年代 是对冰核数浓度进行计数的商 品仪器 原理 主体为冷云室 把空气样本引人云室 在冰面过饱和条件下 空气中的冰 核活化成冰 再凝华长大 在云室底部引出含冰晶空气 用一束偏振光照射 冰晶产生的退偏振作用使正交偏振片后的光电元件接收后输出电信号 从其面 板上的计数获得冷云室内该温度条件下相应的冰核数浓度 连续流扩散云室 CFD 原理 样本空气在具有不同温度的两个冰面之间通过 中心部位过饱和 冰晶在 冰核上活化增长 在出口处通过光电检测系统计数 其它冰核计数方法 滤膜取样在静态热扩散云室中核化生长计数 动力云室中上升膨胀降温活化生长计数 滤膜在冷台上用去离子水检测接触冻结冰核等 云降水物理学讲义 13 2 1 3 云降水粒子的碰撞取样云降水粒子的碰撞取样 云降水粒子的取样云降水粒子的取样 涂油样片 小云滴 雾滴 要求取样后及时测量 熏盖氧化镁样片 水滴与斑痕尺度比在 20 240 m 范围内不随水滴大小变化 此法不受水滴 扩散影响 水滴也不会并合 样片可以保存 缺点是涂层质地脆弱 在气流冲 击下易破裂 同时 MgO 具有纹理和颗粒尺度 会干扰小云滴的测量准确性 碳膜样片 在玻片熏盖烟炱形成碳膜 质地好 可经受气流的冲击 将碳膜样片暴露 在云中 从斑痕大小测量水滴尺度 涂明胶样片 含水溶性染料的明胶涂在玻片上 云雾滴打在片上溶解明胶 留下一个中 间透明 边缘染色的圆环 灵敏度高 水滴的蒸发和合并问题不大 缺点是测 量范围有限 金属箔碰撞取样 水滴打在铅箔 铝箔等表面产生印痕 其大小是水滴尺度与碰撞速度的函 数 大滴数浓度低时 难取得代表性样本 增加取样体积又会使较小水滴暴露 过度 导致重叠 对混态云有时不能从印痕形状明确区分其为水滴或固态粒子 复制印模取样 采用易于固化的液态或粘质状物质做涂膜 将其暴露于云中 可以使云粒 子封存其中 随后进行固化处理 留下永久性的印模 便于测量和记数 它可 同时记录粒子的形态 且无渗透 蒸发和水滴合并问题 用低速飞行或使用减 速器 可获得冰晶的印模 国内研制了紫外光固印模仪 地面雨滴谱测量地面雨滴谱测量 滤纸色斑法 属于地面低速碰撞印痕取样器 简便 准确 事先确定水滴与斑痕尺度之 间的关系 取样后进行正确的测量和计数 给出谱分布 计算各类降水谱参数 和物理量 国内开发配制了涂敷滤纸的新型敏感显示剂 以适应计算机图像处 理 滤纸色斑法可作为雨滴谱自动化测量仪器的比较标准 GBPP 100 以 He Ne 激光束投射到按线性矩阵排列的 8 8 个硅光二极管阵列 粒子 穿过光束 阴影扫过光电管阵列 用透镜把阴影缩放得到不同分辨率 计量阴 影摭挡的已知尺度光电元件个数 便可转换出被测粒子尺度 其中光电元件被 遮挡与否的量化标准取为其面积的 50 这样只有粒子截面大于单个光电管接 收面积的一半时才能被探测到 而高浓度的小粒子的阴影仅构成背景噪声而不 会对测量结果造成影响 云降水物理学讲义 13 3 问题 重叠误差 地面雹谱测量地面雹谱测量 测雹板是观测地面雹谱的常用工具 优点是设备简便 成本低 可大量布 网 无需人值守 缺点是不能确切记录降雹起止时间 故无从了解降雹各参数 随时间的变化 原理与方法 测雹板法记录不同尺度雹块打击的凹痕 属于地面低速碰撞印痕取样器 凹痕的大小应与落雹的动能 质量 下降末速 有关 工作时先确定印痕的形 状 然后量取印痕大小 包括不同方向 经检定曲线订正后 换算得到地面冰 雹的尺度和数浓度 也可使用图像分析仪自动处理测雹板资料 测雹板法所得雹谱资料的准确性和代表性取决于对测雹板材料的标定质量 由于雹块末速在不同拔海高度有较大差别 每批次取样材料的特性也会有变化 应根据取样点拔海高度 材料批次分别进行标定 以提高观测结果的可靠性 直接取样准确度的影响因子直接取样准确度的影响因子 取样器的收集效率 绕流损失订正 样本的代表性 取样体积与粒子变化率 取样的暴露时间 减少并合误差 印痕 模 的标定 取样介质与采集对象的作用 破碎和积冰 直接取样的缺点 取样器干扰自然样本气流 引起非等动力效应 取样速度慢 效率低 取 样不连续 资料的处理和分析必须在飞行之后进行 既慢且烦琐 2 大气粒子的光学测量大气粒子的光学测量 2 1 气溶胶粒子的光学测量气溶胶粒子的光学测量 利用气溶胶粒子对光的散射 测量气溶胶粒子的数浓度和尺度 优点 测量中对气溶胶的干扰小 能实时 连续进行探测 缺点 散射对粒子折射指数的变化 散射角以及粒子的尺度和形状比较敏感 而 检定曲线使用已知尺度和折射指数的单分散球形粒子确定 故在实际测定中将 引起一定的测量误差 原理 气溶胶粒子流为洁净空气鞘包围 形成很细的束流 通过聚焦的光束 每 个粒子独自受光照射并产生散射脉冲 直达光电检测器转换为电讯号 不同脉 云降水物理学讲义 13 4 冲高度相应于不同的粒子尺度范围 脉冲数与该尺度范围内的粒子数相应 可 迅速提供空气样本中粒子尺度分布资料 分辨率 最常用的是 0 3 10 m 分成 10 15 道 美国粒子测量系统 PMS 公司生产的活性腔散射粒谱探头 ASASP 100 和前 向散射粒谱探头 FSSP 100 测量尺度范围分别为 0 12 3 12 m 间隔 0 2 m 和 0 5 0 8 m 间隔 0 5 m 2 2 云降水粒子的光学测量云降水粒子的光学测量 光散射对单个粒子的测量要求 光强稳定 光场均匀 合适的取样体积 且对云 降水粒子无障碍 自动化连续取样实时处理 通常采用激光器作为光源 其单色性和高平行度简化了光学组件的设计 可在 0 2mm 范围内获得了很高的光强 从而为使用固体光电器件创造了条件 FSSP 100 利用 Mie 散射原理测量气溶胶粒子的前向散射光强 从而获得粒子尺度谱 分布参数 局限性 既要使取样率最大 以达到良好的样本统计量 尤其是对于较大的水滴 而又要使取样体积最小 使水滴被单个地测量计数 二者相互矛盾 激光器的光源强度分布不完全均匀 在光束边缘 光强转弱 云滴穿过边 缘时散射光较弱 形成 边缘效应 误差 使测量出穿过边缘的云滴尺度偏小 优点 在测量过程中对测量平台外表边界层以外的自由气流作 等动力取样 而 不致干扰和改变自然含云 降水空气样本 并实现自动化连续取样 实现实时 记录 处理显示 云降水粒子的二维图象测量 PMS OAP 2D C OAP 2D P 原理 采用硅光电二极管线性矩阵 取其既有足够的灵敏度 又有极快的响应速 度 每个光电元件相应的尺度在 25 m 云 或 100 200 m 降水 测量粒 子尺度谱的原理同 GBPP 100 光电元件被遮挡与否的量化标准取为其载面被遮 挡 50 若以一定频率对每个光电元件的被遮档状态进行扫描采样 则可重现粒子 的二维投影图像 只要采样周期内飞机行进的距离与光电元件的尺度相等 就 可获得不产生畸变的再现二维图像 DMT 公司探头 CAPS 云 气溶胶和降水粒子谱仪 集成了温度 空速 含水量探测项目 CAS 云 气溶胶粒谱仪 CIP 云成像探头 云降水物理学讲义 13 5 3 其它大气要素机载测量其它大气要素机载测量 3 1 云含水量测量云含水量测量 热线含水量仪是常用的机载含水量仪 原理 用一根温度系数较大的金属丝 两端加固定电压 电流加热金属丝 使其温度升高 相应的阻值也随之升高 同时散热增强 最终与环境达到一定 的热平衡状态 一般设定金属丝的温度在 180 左右 当云中水滴碰撞在热线 上时 水滴被加热并蒸发 使热线温度降低 电阻值随之降低 在固定电压下 通过的电流增大 电流的增加值即可用作含水量的量度 一般认为热线测量系 统增加的电流能量等于所捕获水量使之增温和蒸发所消耗的热量 DMT 公司 LWC 100 热线含水量仪 LWC range 0 3gm m3 at 5 50 m droplet diameter 3 2 云中温度测量云中温度测量 在高速飞行中采样 应防止辐射和避开云粒子影响 还要考虑动力增温订 正 通常感温元件安置在逆流式整流罩内中心部位 可以减小动力增温的影响 由于惯性 云粒子不能随逆流进入整流罩深部 但由于感温元件与逆流空气的摩擦以及元件附近空气被压缩仍会产生动力 增温 仍然需要进行动力增温订正 新型超快飞机温度表 UFT F 感应元件为长 5mm 直径 2 5 m 的镀铂钨丝 可用于云或晴空测温 传感器安装在灵活旋转的风向标前方 位于垂直保护杆之后 保护感温元 件不受云滴和其它物体的碰撞 这种构造比起较大的感温元件 受的热扰动非 常小 涡旋分流分流保护杆装置最大的特点是能感应真实空气温度 无需事后 进行动力增温订正 保护杆重新设计后 使其后面的空气动力扰动作用减弱 它可用于直至 100m s 空速的晴空或暖云中 3 3 云中湿度测量云中湿度测量 露 霜 点仪 飞机探测空气湿度常用冷却镜面测露 霜 点温度法 露 霜 点仪主要由传感 器 温控装置和冷凝层光电监测装置 3 部分组成 测量原理 冷却镜面直到刚好形成稳定的露层或霜层 从而改变镜面反射率 反射率 由光学方法探测 此时的镜面温度即为露点温度或霜点温度 优点 露点仪测湿的灵敏度在低温时下降很少 是低温测湿唯一有效的方法 赖曼 阿尔法 Lyman 湿度计 云降水物理学讲义 13 6 利用比尔 朗伯定律 测量水汽对 Lyman 光波 125 56nm 的吸收衰减 此波长处的吸收气体还有氧和臭氧 前者吸收系数为水汽的千分之一 后者在 对流层中含量很小 优缺点 响应快 属于非接触式测量 灵敏度高 尤其在低湿条件下测量 光源和检测管使用寿命短 其它方法 湿敏电阻 湿敏电容等 NCAR C 130 飞机仪器配置 云降水物理学讲义 13 7 我我国国开开展展人人工工增增雨雨作作业业使使用用的的飞飞机机性性能能一一览览 机机型型 性性能能 安安 26 运运 7 运运 12 夏夏延延 IIIA 空空中中国国王王 B200 机机组组人人数数 8 9 5 5 1 2 2 最最大大载载重重量量 kg 8000 4700 1700 1979 2014 最最大大起起飞飞重重量量 kg 24000 21800 5300 5080 5670 机机长长 m 23 8 23 708 14 86 13 23 13 34 机机高高 m 8 57 8 553 5 675 4 5 4 57 翼翼展展 m 29 20 29 20 17 235 14 53 16 61 最最大大升升限限 m 9200 8750 7000 10925 10670 上上升升速速率率 m