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AZ-MR101云雾降水特征观测系统

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1引言

单纯的降雨量监测已不能满足气象等科研领域的研究,对于降雨结构和类型的研究越来越成为研究人员关注的焦点,雨滴谱是深入了解降雨内部结构和演变的重要工具之一,可以为数值模式微物理过程参数化提供可靠的依据。

利用雨滴谱数据和云的结构特征,精确确定降雨类型,雨滴谱导出的Z-R关系或M-P分布能反演局地雷达波强,对降水估测、灾害性天气的监测和预警等有很好的指导意义。

降雨作为一个重要的扰动因子,对准确估算土壤呼吸具有重要影响,降雨事件、降雨量及降雨格局的响应过程与规律对"Birch效应"(降雨强烈激发土壤呼吸的现象)的影响尤为引人注意。降雨强度对于裸地及植被覆盖度高的土地不同深度土壤含水量的影响也是水土保持方面研究的重点。

传统的降水特征研究多采用试纸法,观测和读取数据全由人工控制,工作量大,精确度低。雨滴谱仪的出现改变了以往靠人工获取数据的方法,可以全方位无人值守测量,但一般的激光雨滴谱仪只能得到最初的雨滴谱数据,其软件无法进行进一步的气象因素分析,已渐渐不能满足研究应用。

 

2观测系统设计

2.1目标

 

采用激光发射源(激光二极管和光学器件)产生一组平行光束(红外线,非可见光),位于接收端的透镜光二极管测量光强并把它转换成电信号。当雨滴穿过激光束时产生接受信号,通过减小的振幅计算出雨滴直径。另外,通过减小信号的持续时间测得雨滴的下降速度。精确测定对象最小直径达到0.16mm。

AZ-MR101云雾降水特征观测系统可测量下落雨滴的总量、大小、强度、和运动速度。软件采用中文界面,可显示任意时段的雨滴谱图,还可计算雨滴谱的特征直径,为研究M-P 分布、Z-R关系提供基础数据。集合其他气象单元传感器,可分析局地或大范围区域的气候变化特征;结合其他土壤参数如土壤呼吸、含水量,可分析研究地点或区域土壤理化特性,从而估算碳排量或评估水土保持情况。

 

2.2观测点选择

 

观测点选择应考虑区域的环境特点,如地形、气象、工农业分布等,能代表当地典型环境。采样点应尽可能避开排放酸碱物质和粉尘的局地污染源、主要街道交通污染源的影响,四周应无遮挡雨、雪的高大树木或建筑物。对于水土保持监测,选择监测区域有代表性的样点,尽量周围空旷无遮挡物。

 

2.3观测指标

 

降雨量,降雨速度,降雨粒径大小,降雨强度,降雨等级,雨滴谱图,Z-R关系图。平均直径Dm, 众数直径Dd, 平均体积直径Dv, 优势直径Dp, 中数直径Dnd, 中数体积直径Dn,

 

2.4观测系统组成

 

  AZ-MR101云雾降水特征观测系统由雨滴谱仪及雨滴谱分析软件DA100组成。可选带加热功能的传感器,以适应极端恶劣的环境。可同时连接风速传感器、风向传感器、温湿度传感器

抗电磁支架,保证测量精度,数字信号,可长距离传输。

支持服务器和客户端工作模式,便于远程管理数据,支持网络数据读取,表格和图形化实时显示。

中文软件界面,显示任意时段的雨滴谱图,自动计算雨滴谱各种特征直径

 

3数据处理

 

实验完成后,DA100软件将给出如下图所示的数据图表和最终结果。包括采集日期;采集时间;每5分钟平均降雨强度;每分钟总降雨强度;每分钟液态降雨强度;每分钟固态降雨强度;总降雨量;每分钟雷达分辨率;总雨滴数等。

直接利用软件可以显示22种雨滴大小范围,20种降雨速度范围;中文软件界面,显示任意时段的雨滴谱图;自动计算雨滴谱的平均直径Dm,众数直径Dd,平均体积直径Dv,优势直径Dp,中数直径Dnd, 中数体积直径Dn。

通过雨滴谱数据软件可以直接进行二次产品反演功能和导出功能,直接对Z-R关系(雷达反射率与降雨强度)和M-P分布进行拟合。

通过软件可以同时控制监测多个地点多台仪器的运行情况,降雨强度和雨滴谱图直接导出。

 

 

4、应用实例

 

北京林业大学相关研究人员利用LNM 激光雨滴谱探测仪,连续不间断观测北京密云水库周边山区2006年8月-2007年1月的降水过程;结合以往研究雨滴所采用的方法和成果,从降雨产生能量的机理入手,观测分析了北京密云水库周边人工林林内外降雨雨滴特性和降雨动能的变化。结果表明:林外天然雨滴平均直径和雨滴中数直径都有随降雨强度的增加而增加的趋势;林外的雨滴直径较林内分布范围小,林外雨滴直径与累积雨量之间的关系曲线较林内平滑;小雨强( ≥0.35mm/h)气象条件下,林内降雨动能显著高于林外降雨动能,可初步认为在小雨强时林冠层对降雨能量有增大作用。

 

 

5、参考文献

 

(1)罗德,余新晓,董磊.密云山区油松人工林内外降雨特性初步研究[J]水土保持通报, 2008:28(2),67-70

(2)罗德.北京山区森林植被影响下的降雨动力学特性研究[M]北京林业大学,2008,6

 

 
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