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SPEC机载云探测系统及其云物理研究进展

发布时间:2021-05-21 15:44所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近年来国内外相关研究进展。随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度要求的日

  摘要:在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近年来国内外相关研究进展。随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度要求的日益提高,以往使用的粒子观测系统(PMS)等云探测系统已无法满足一些科学试验的需求;SPEC与很多其他云探测系统相比,在精密程度、探测粒子的信息量、分辨率等方面具有很大的探测优势,这对于云物理更深入的研究是非常重要的。国外研发并应用SPEC系统已有几十年的时间,而我国近年开始引进并越来越多地使用这套探测系统来探究云的宏微观物理特性,这必将使得对云物理的理解更加深入。

  关键词:机载云探测系统;机载探头;云探测;云物理;粒子观测系统

云物理

  引言

  云通过其微物理参量(云粒子大小和相态等)、宏观参量(覆盖范围、高度、厚度等)与太阳短波辐射和地气的长波辐射发生作用,使其成为影响地气辐射能量收支平衡最重要的参量(傅云飞和冼桃,2017)。云降水不仅是全球及区域水循环过程的重要环节,也是气候变化的重要指示剂,为此各国科学家从不同方面对云降水进行了广泛的研究(傅云飞,2018)。其中了解降水云水平分布和垂直结构及其微物理特性十分重要(傅云飞等,2007),而可靠的云微物理探测设备可以帮助更好地理解云结构、云降水和云辐射过程。

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  飞机探测通过在飞机上搭载云微物理探测设备对云进行直接探测,可获得较可信的高时空分辨率的云参数。为此我国近年来陆续引进多套机载云物理探测系统,大体分为三代:PMS(ParticleMeasuringSystems)、DMT(DropletMeasurementTechnologies)和SPEC(StrattonParkEngineeringCompany)。机载PMS粒子测量系统是20世纪70年代后期开始在世界各地逐步被广泛采用的云微物理观测仪器(Knollenbergetal.,1981)。该套设备能够实时测量大气中0.5~6400μm的粒子的谱分布,并可以给出25~6200μm的粒子的二维图像。中国气象科学研究院人工影响天气中心于1981年开始引进这一系统,并逐步运用到一些外场试验中,取得了很多有价值的云微物理观测资料。

  很多气象工作者通过对PMS探测资料的深入分析,研究了人工影响天气的相关科学问题(游来光,1991,1994;段英等,1998;胡志晋,2001;陶树旺等,2001;孙玉稳,2015;Yangetal.,2019;Dongetal.,2020)。例如,黄梦宇等(2005)利用PMS观测对华北地区春秋两季层状云及降水的微物理特征进行了统计分析,给出了相关云参数;Zhao等(2019)利用PMS观测揭示了华北地区个例层状云的微物理垂直结构。在应用PMS仪器过程中,一些问题也逐渐被发现和改进,包括因资料不能在飞机上实时处理和显示、磁带容量有限等问题(刘卫国,2001),然而虚假粒子等问题依然存在。

  随着研究人员对探测精细程度要求的日益提高,PMS系统已无法满足一些科学试验的需求(Bau⁃mardneretal.,1985;Cooper,1988;Brenguier,1989;Law⁃son,1995)。因PMS探头的诸多不足,NCAR大气技术部的研究人员于1988年成立了一个新的公司DMT,并于2006年5月收购了美国PMI(PorousMaterialsInc)公司中大气物理测量设备的生产线,依靠最新的电子技术,推出了一系列革新探头(马新成,2006),其产品广泛应用于大气物理观测研究、人工影响天气观测研究等领域。

  DMT探测系统能够实时测量出大气中0.055~6200μm的各种粒子的谱分布,并能给出25~6200μm的粒子二维图像,其最显著的优点是采用了光电集成新技术,使仪器在使用中的稳定性明显提高,同时也更易于维护和操作使用。该套探测设备在中国得到了广泛应用。彭冲等(2016)通过对山西一次低槽冷锋层状云DMT探测,结合卫星、雷达、探空等多种探测资料,对云微结构的进行精细分析。孙鸿娉等(2014)对64架次山西飞机DMT云物理观测结果进行研究,分析了降水云和非降水云系的微物理特征量的显著差异并给出了云的微物理参数。蔡兆鑫等(2019)利用山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展的国内首次大陆性积云飞机穿云探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性。

  在近年的对比试验分析中,Baumgard和Korolev(1997)、Strapp等(2001)研究结果表明2D-C(OpticalAr⁃rayGreyProbe)探头的时间响应受到光电二极管阵列和一级放大器的时间常数限制,导致在空速高于120m·s-1的情况下,探头对小于100μm粒子的灵敏度显著降低。光电尺寸与计数的组合误差会导致小于100μm粒子的尺度分布(particlesizedistribution,PSD)出现较大的数量级误差。此外,2D-C探头相对较粗的有效像素(约25~75μm,取决于空速),无法提供足够的空间分辨率来确定大多数小于300μm粒子的形状和相态。

  SPEC云粒子探测系统作为一种新的光学成像系统,克服了上述局限性。Lawson等(2006)进行了相关对比试验,NCAR在科罗拉多前山脉以东利用C-130搭载2D-C、2D-S(TheTwoDimensional,StereoParticleImag⁃ingProbe)和CPI(theCloudParticleImager)在-13℃处的混合相态的上坡云中收集的粒子图像进行对比,发现2D-S显示出更多的冰晶结构细节,其立体视图也揭示了其优越性,因为从粒子的单个阴影图像中无法确定粒子三维结构的详细信息。CPI很容易看到云滴,导致其成像激光探头响应主要由高浓度云滴所主 导,因此当较大的冰晶颗粒进入样品体积时,它通常是无效的。

  相比较而言,2D-S检测“更早”进入波云横断面小冰晶的能力可以为更好地了解云中冰的成核过程提供基础。在冷云的一次对比观测中,2D-S观测到了卷云(-45℃)中小颗粒的冰晶向玫瑰状冰晶的转化过程,而2D-C几乎没有反应;当CPI图像已确认探测到许多较大的(大于100μm)可辨别的莲座状粒子,且在2D-S图像中可以识别为莲座状时,2D-C仅看到1~5个像素的图像,其形状无法确认。在40s的时间内2D-S记录的总颗粒数为268897颗,而2D-C为264颗。这些观测对比结果均表明了SPEC云粒子探测系统的优势。本文将详细介绍SPEC云粒子探测系统及其在云物理研究中的应用进展。

  1SPEC云粒子探测系统概述

  SPEC探测系统是由美国StrattonParkEngineer⁃ingCompany(SPEC)公司研发生产的。1989年SPEC得到美国国家科学基金会(NSF)的项目资助,研发了第一个云粒子探头-高容量降水粒子光谱仪(TheHighVol⁃umePrecipitationSpectrometer,HVPS)。此后,SPEC不断参加大型科学项目试验,在实践探索中不断创新提高探测系统的探测能力。在过去30a中,SPEC科学家、工程师和技术人员参与了100多个研究项目,一直处于云粒子探测器开发的最前沿,从而使其仪器得到了越来越广泛的应用和认可。

  SPEC机载云探测系统将二极管升级到128个(DMT64个,PMS32个),并保留单个粒子的电信号。这虽然使得数据量很大,但为后续数据的质控带来方便,而质控是飞机探测云物理试验的关键环节。该系统主要包括:FFSSP(FastFor⁃wardScatteringSpectrometerProbe)、FCDP(TheFastCloudDropletProbe)、HVPS(TheHighVolumePrecipi⁃tationSpectrometer)、2D-S组合探头、3V-CPI(3-ViewCloudParticleImager)组合探头等。由于FFSSP主要由老的PMS系统中的FSSP(ForwardScatteringSpectrom⁃eterProbe)改装电路板等得到,探测原理等与熟知的FSSP大致相同,故本文不再对其赘述。

  2SPEC云粒子探测系统的探测原理

  2.1FCDP

  FCDP是一种前向散射探头,探测范围是1~50μm,共有21个通道,前20个通道的分辨率约为3μm,最后一个通道为超大通道,可探测粒子风速范围为10~200m·s-1。它通过测量粒子通过探测器聚焦激光束时散射到探测器的光信号大小来计算粒子的大小和浓度。

  FCDP由发射和接收臂(内部包含发射和接受光学器件、探测器和探测放大板)、主机(由数据采集系统组成)、支架(主要由电源、激光和加热控制板构成)三个主要部分组成。FCDP可以获取每个粒子详细的信息数据,当想获取更复杂的粒子信息时,可以进行数据的后处理。该仪器可由机舱内的计算机控制,也可设置为在开机时自动运行、收集和存储数据。SPEC公司的FCDP英文技术说明书上给出了它的探测原理:一束准直的光纤耦合激光投射在FCDP的发射和接收臂之间的采样体积上,其中的云粒子使激光束散射。接收臂上的转储点(dumpspot)接收被云粒子散射的光。这束光在两个检测器之间被分割:质量检测器和信号检测器。

  当两个探测器都聚焦一个粒子时,电压会产生一个峰值。由于使用的是50∶50的分束器,如果经过质量检测器检测的粒子电压峰(QualifierVoltage)高于信号电压峰(SignalVoltage),则粒子是“合格”的(WellQualifiedParticles)。数据采集系统记录每个粒子的特性,如运行时间、传输时间、信号电压、限定电压、面积(伏特总和)和到达峰值的时间。

  2.22D-S

  2D-S是一种机载光学仪器,分辨率为10μm,测量范围为10~1280μm,用于测量粒子的大小、形状和浓度。2D-S有两个完全相同的垂直于粒子流的正交光学通道,通道内的激光器可以产生约1.3×61mm大小的激光束,这束光被定向到一个由128个单元组成的 线性阵列上,其放大倍数可以在采样体积中产生大约10微米的像素。阵列以与粒子速度成比例的速率采样从而以像素分辨率拍摄图像。图像压缩后发送到数据采集系统(DAS)进行记录和显示。该探头具有两个特点:一是它可以测出粒子通过采样体积时的立体图像;二是它提高了粒子图像的空间分辨率。

  3基于SPEC系统的云物理研究进展

  3.1国外研究进展

  Lawson博士主持研发了SPEC系统,多年来利用该系统进行了许多云物理相关方面的研究,并在研究过程中不断发现问题继而提升SPEC系统的探测性能。在1992年1月15日—3月15日的第二次加拿大大西洋风暴项目试验(thesecondCanadianAtlanticStormsProgramfieldexperiment,CASPII)中,仪器第一次被搭载在飞机上并进行风暴观测,试验观测到了非常大的雪花,这与很强的雷达反射率以及地面观测到的强降雪相一致(Lawsonetal.,1993)。

  该仪器还给出强风暴雪花发生发展的云物理特征,取得了良好的观测效果(Lawsonetal.,1993)。将该探测资料与MM5模式的对比研究(Lawsonetal.,1998b)表明,模式与观测到的结果相一致。在加拿大冻毛毛雨试验中(theCanadianFreez⁃ingDrizzleExperiment),CPI仪器被搭载在探测飞机上,获取了毛毛雨滴和冰晶的图像(Lawsonetal.,1998a)。

  在ISCCP(theFirstInternationalSatelliteCloudClimatol⁃ogyProject)的区域试验FIREACE(ArcticCloudExperi⁃ment)中,CPI在不同区域观测到了小的过冷云滴、过冷毛毛雨(在-25℃)和霰粒子,并且发现在卷云中测量到的平均冰粒浓度是每升几百到几千个,比文献中常见 的要高得多(Lawsonetal.,2001)。Lawson和Baker(2006a)利用CPI数据研究了冰粒子质量和形状的关系,增加冰粒子的宽度、面积和周长三个参数代替单一使用冰粒子长度计算冰粒子质量的方法,使测量质量的均方根误差减少50%,且该方法不需要预先进行冰晶粒子分类。另外,研究还对波状云和卷云进行了多架次探测,深入并细致分析了它们的云微物理特性(BakerandLawson,2006;Lawsonetal.,2006b)。

  Lawson和Zuidema(2009)还将地面毫米波多普勒雷达与飞机探测资料进行对比,发现雷达反射率和飞机测量的微物理参数在全水和全冰的情况下具有一致性,然而在混合相态时一致性通常较差,并认为这是由于仪器平台不同和反演参数算法两种原因造成的,仅靠单波长雷达可能无法准确地检测出混合云中云滴和毛毛雨的微物理特性,特别是例如消光、反照率和光学厚度等辐射特性。

  2015年,他研究了热带积云中冰和降水发展的微物理过程,发现小冰粒子与大的过冷液滴(直径数百微米至毫米)碰撞,产生了一种级联过程,导致上升气流中的水滴迅速冰化(Lawsonetal.,2015)。经过整理和分析,Lawson等(2019)对利用2D-S和CIP进行卷云中的冰粒子形状的研究进行了综合评述。

  4总结与讨论

  本文在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近些年国内外相关研究进展。

  (1)随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度的要求日益提高,以往使用的PMS等云探测系统已无法满足一些科学试验的需求。

  (2)SPEC与很多其它云探测系统相比具有很大的探测优势。它分辨率高,配有128个二极管,是DMT的2倍、PMS的4倍,且保留了单个粒子的电信号。这虽然使得数据量很大,但为后续的质控带来方便,这对于云物理研究是非常重要的环节。

  (3)国外研发并应用SPEC系统已有几十年的时间,而我国仅仅于近些年引进并应用,但现在越来越多的科学工作者开始使用这套系统,从而使对云物理的理解更加深入。需要指出的是,尽管SPEC系统具有很强的探测能力,但仍有缺点,例如CPI为了获取高清图像而使采样空间较小的问题。针对SPEC系统可能存在的问题,学术界仍需更深入地研究中加以解决。

  参考文献:

  蔡兆鑫,蔡淼,李培仁,等.2019.大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究[J].大气科学,43(6):1191-1203常祎.2019.

  青藏高原那曲地区夏季云微物理特征和降水形成机制的飞机观测研究[D].北京:中国科学院大学段英,吴志会,石立新.1998.

  飞机人工增雨催化条件的研究[J].生态农业研究,6(1):80-83傅云飞.2018.

  云-降水遥感研究现状及夏季东亚云-降水研究思考[J].暴雨灾害,37(6):493-501傅云飞,冼桃.2017.

  副热带高压中心区域内云和降水气候特征研究回顾与展望[J].暴雨灾害,36(6):489-497傅云飞,宇如聪,崔春光,等.2007.

  基于热带测雨卫星探测的东亚降水云结构特征的研究[J].暴雨灾害,26(1):11-22

  作者:刘思瑶1,赵传峰1,周毓荃2

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