为了实现对降水粒子尺度、形状、速度等微物理特征的同步测量, 提出了一种基于单帧双脉冲成像的降水粒子测量方法, 并搭建了降水微物理特征测量仪样机, 该样机由脉冲光源、面阵图像传感器、以数字信号处理(DSP)芯片为核心的采集与控制单元、数据处理单元组成。然后研究了利用点扩散函数进行图像复原的方法, 以及利用曝光参数进行粒子捕获概率修正的方法, 并利用定标小球进行了检验。最后使用该仪器在南京地区进行了降雨外场实验, 并与OTT雨滴谱仪进行对比。实验结果表明: 仪器可以同步测量雨滴的形状、轴比、速度与尺度等微物理特征, 与经验模型具有良好的一致性; 与OTT雨滴谱仪的雨滴谱分布和降雨强度有很好的一致性, 二者测量降雨强度的标准偏差为1.57 mm/h, 相关系数达到96 %。该仪器对降水微物理特征具有更好的测量效果, 可以在野外长期无人值守运行, 在大气物理研究、数值天气预报模式、水文学研究等领域有着广阔的应用前景。

日照时数是地面气象台站观测的基本项目。根据国内外日照计发展现状,设计了一种新型的日照计-光热型 电测日照计,该日照计利用热电偶原理,根据两热电偶的温度差来计算太阳直接辐射,从而可以得出日照 时数。主要分析了光热型电测日照计的原理结构、金属丝中能量传导和日照计性能,并做了初步试验。结果 显示,光热型电测日照计不仅结构简单,而且性能较为良好,随太阳辐射强度变化响应较快,无需人工操作,可 以完全实现自动化操作,对日照时数的测量比较准确。

降水现象是全球水循环和气候变化的重要研究对象。降水粒子谱资料在天气现象的自动观测、云微物理过 程研究和气象雷达回波订正等领域有重要应用。基于线阵图像传感器的降水观测系统可获取降水粒子图像信 息,为雨滴的微物理特性研究提供原始资料。在简述基于线阵图像传感器的降水测量系统工作原理基础上,分 析了线阵降水测量关键技术及线阵数据处理相关问题,分别从光学系统参数需求、线阵传感器高速扫描和线 阵数据处理等方面进行了讨论,以期线阵图像采集技术能更好地应用于降水测量。

采用平行光成像的方式, 研制了基于线阵图像传感器的降水现象自动测量系统, 用于揭示大气降水物理特征及本质。首先, 根据降水粒子微物理特征和降水现象业务观测的需求, 设计了光学系统及高速线阵图像数据采集处理平台。然后, 针对降水观测系统连续运行条件下线阵实时采集数据量大、不便于传输及处理的特点, 利用现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现片内线阵数据实时二值化处理及编码传输。为消除平行光源性能漂移及传感器光强响应非均匀性等对成像阈值设置的影响, 保证长期运行测量精度和一致性, 设计了基于微处理器软核MicroBlaze的自适应阈值设置方案。在室内定标实验的基础上, 与翻斗雨量计进行初步观测对比试验。实验室定标结果表明, 系统最小分辨率优于0.1 mm, 实际同步观测累加降水量误差在15%左右, 两者变化趋势大致相同, 有较好的线性相关性。提出的系统满足降水现象自动测量对稳定可靠、自动化、精细化的要求。