1 南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044
2 中国科学技术大学 地球与空间科学学院，安徽 合肥 230026
激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点，是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达，1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势，包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年，世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生，实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后，1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分，1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱），并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。
1.5 μm激光雷达 气溶胶和云 风廓线 湍流耗散率 气体浓度 雨滴谱 1.5 μm lidar aerosol and cloud wind profile TKEDR gas concentration raindrop size distribution 红外与激光工程
2021, 50(3): 20210079
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
用来描述降水粒子数浓度随粒子尺度变化函数的雨滴谱, 是降水最基本的微物理特征量, 利用雨滴谱信息可以更清楚地认识自然降水的发展演变过程。 从雨滴在矩形光束中的相对位置出发, 理论分析了不同尺寸条件下矩形光束透射强度随粒径的变化, 结果显示矩形光束的透过率与雨滴尺寸具有很好的线性关系; 数值模拟了不同粒径、 不同降落速度下雨滴在矩形光束中的渡越时间。 并指出利用测量的雨滴粒子大小和下落时间就可获得降水类型(毛毛雨、 普雨、 降雪、 降霰、 冰雹以及混合型降水)、 降水强度、 降水量和粒子波谱(在体积波谱上的粒子分布)等信息。
雨滴谱分布 矩形光束 雨滴粒径 下降速度 渡越时间 Raindrop spectrum distribution Rectangle beam Raindrop diameter Fall velocity Spanning time 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3952
国防科技大学气象海洋学院, 江苏 南京 211101
针对自主研制的降水微物理特征测量仪存在的成像质量问题,重点考虑与光源相关的散焦模糊,提出了基于点扩散函数的雨滴图像复原方法, 利用圆盘函数对雨滴图像进行复原,消除噪声和模糊,得到具有清晰轮廓的雨滴图像。利用与雨滴光学性质相近的玻璃球进行了定标实验, 确定了成像系统散焦模糊的半径和图像二值化的阈值。外场实测结果表明,图像复原可以有效修正雨滴尺度及其谱分布, 测量得到的雨滴谱和降雨强度与激光雨滴谱仪的结果具有很好的一致性。该方法应用于降水微物理特征测量仪,可以显著提高雨滴谱及其他微物理特征的测量性能。
雨滴 图像 点扩散函数 雨滴谱 raindrops images point spread function raindrop size distribution 大气与环境光学学报
2018, 13(4): 315
为了研究降雨对近红外辐射的衰减,定量评估降雨对近红外设备的影响,在雨滴谱分布二元函数模型建立的基础上,提出了一种雨滴谱分布数据库的建立方法,对LAWS和PARSONS在美国华盛顿地区测量的雨滴谱分布数据进行拟合,建立雨滴谱分布数据库。基于雨滴谱分布数据库,结合米散射理论和衰减系数公式,得到了1μm,2μm和3μm波长近红外辐射的消光效率因子与雨滴直径的关系曲线,并计算了在降雨量分别为0.25mm/h,1.25mm/h,2.5mm/h,12.5mm/h,25mm/h和50mm/h条件下的近红外辐射衰减系数。结果表明,不同降雨量条件下,对于雨滴谱分布的函数关系式,正态分布具有更好的拟合效果; 消光效率曲线的包络线随波长的增大而增大;拟合衰减系数和降雨强度的函数关系发现,指数函数具有很好的拟合效果。该计算结果对研究降雨对近红外辐射的衰减具有重要意义。
大气光学 近红外辐射 函数拟合 雨滴谱分布 数据库 正态分布 atmospheric optics near-infrared radiation function fitting distribution of raindrops database normal distribution
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国气象局气象探测中心,北京 100081
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
降水是气象观测的常规项目,是研究全球水热循环和气候变化的重要参数。实现降水现象自动观测是我国气象探测领域未来发展规划的一项重要内容。 介绍了一种基于光阻原理的降水现象测量系统,设计了激光对射式光学测量结构,实现对降水粒子遮光信号的精确捕获;研制了基于相关原理的微弱信号 检测系统,保证粒子速度、粒径等信息的准确测量;在数据信号处理上,采用数据平滑算法降低了系统噪声。研制的系统能够准确完成雨 滴谱分布、降水量、降水类型的测量,并且与国外同类仪器进行了观测比对,数据具有较好的一致性,能满足对降水现象自动观测的要求。
激光二极管 降水现象仪 雨滴谱 降水粒子 laser diode precipitation instrument raindrops spectrum precipitation particles 大气与环境光学学报
2017, 12(4): 260
1 中国气象局北京城市气象研究所, 北京 100089
2 成都信息工程大学, 四川 成都 610225
雨滴谱是云及降水物理学中重要的研究对象,基于北京2015年8月7日的强降水雨滴谱观测数据,计算得到该过程的雨滴谱、质量加权直径、平均直径等雨滴 尺寸分布特征,由雨滴谱观测数据计算得到降水强度、液态水含量和雷达反射率,分析这些降水参数在此次降水过程中的变化特征。综合分析雨滴谱参数 和S波段天气雷达反射率表明此次降水过程具有飑线特征,可划分为前端的引导对流性降水、过渡降水和尾部层状降水三个阶段。最后讨论不同降水阶段 雨滴谱参数及降水参量的变化及其对雷达定量降水估测Z-R关系的影响。结果表明对流性降水阶段的雨滴数浓度(大于4600个/m3)、 质量加权直径(2.69 mm)、最大直径(6.3 mm)均远高于过渡和层状降水阶段,对流降水阶段和过渡阶段雨滴直径分布范围类似(标准差均大于0.3 mm), 层状降水分布较窄(标准差0.24)。不同降水阶段拟合得到的Z-R关系明显不同,拟合得到此次降水整个过程的Z-R指数经验关系系数a=674.91,指数b=1.39。
雨滴谱 降水强度 雷达反射率因子 质量加权直径 drop size distribution rainfall rate radar reflectivity factor mass-weighted diameter
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
光学雨滴谱测量仪能够实时监测雨滴直径分布、雨滴降落速度等气象参数, 可应用于气象研究、环境监测、农业安全预警等领域。采用红外LED光源和线阵CCD, 搭建了雨滴谱测量光路, 并用水滴代替雨滴, 演示测量了通过采样空间的水滴的直径和速度, 验证了雨滴参数光学测量的可行性。实验中发现当较大雨滴紧贴CCD窗口通过采样空间时, 液体透镜效应十分明显, CCD对应区域的光强增强, 与通常的遮挡现象正好相反, 因此在后续的程序处理中需妥善处理这类异常信号。
光学测量 雨滴谱 光电探测 雨滴直径 线阵CCD 红外LED optical measurement raindrop spectrograph optoelectronic detection raindrop diameter linear CCD infrared LED
1 北京市气象局大气探测技术保障中心, 北京 100089
2 北京市观象台, 北京 100176
雨滴谱(DSD)反映了云及降水物理学特性,是推导降水强度、雷达反射率因子等物理参量的基本要素，取决于水凝物由冰晶或云水转化为地面降水这一复杂微物理过程。为更好地了解北京地区夏季降水雨滴谱特征，利用Parsivel激光降水粒子谱仪于2007年7月至8月间在北京市观象台进行观测，得出不同降水类型的雨滴谱分布以及雨滴质量加权平均直径、最大直径和降水强度等微物理参量，对观测数据进行拟合确定不同降水类型M-P谱分布函数参数值。结果表明北京夏季降水过程中直径在0.2~1.5 mm之间的小雨滴对雨滴数密度贡献均大于直径超过2.0 mm的大雨滴，对流云降水的雨滴谱比层云的更宽，大雨滴所占比例更大。并在此基础上计算得出不同降水类型雷达反射率因子与降水强度的关系参数。
大气光学 雨滴谱 降水强度 雷达反射率因子 质量加权平均直径 激光与光电子学进展
2012, 49(12): 120103
安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
雨滴粒子直径和速度实时测量是雨滴谱参数计算的关键, 为了实时、连续得到精确、可靠的统计雨滴样本数据, 采用基于高速线阵 CCD的光阵排列法对雨滴速度和直径进行非接触测量, 通过 FPGA构造雨滴图像乒乓操作缓存单元, 存储两行连续一维动态雨滴图像, 发挥 FPGA的并行运算能力, 利用 FPGA快速实现雨滴动态图像连通域检测及连通域标记算法, 进而实现雨滴粒子的直径和速度检测。实验证明, 该方法能自动连续测量记录雨滴数量、粒径大小和收尾速度, 为雨滴谱参数计算提供可靠样本数据。
雨滴谱 连通域 raindrop spectrum CCD CCD connected domain FPGA FPGA
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
对激光雨滴谱仪监测的降水粒子粒径、末速度、粒子数等信息进行分析,得到降水粒子的粒径-末速度函数和雨滴 谱等关系函数。通过计算得到的降水强度与气象数据对比,得到误差函数；根据误差函数建立降水量反演 算法,对降水强度进行修正得到修正后降水强度和降水量,修正后降水量误差减少了10%以上,最后给出降水类型的判断方法。
激光雨滴谱仪 雨滴谱 降水强度 降水量反演 曲线 laser raindrop monitor drop size distribution rainfall intensity precipitation inversion curve
