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AZ-MR101云霧降水特征觀測(cè)系統(tǒng)

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詳細(xì)介紹

1引言

單純的降雨量監(jiān)測(cè)已不能滿足氣象等科研領(lǐng)域的研究，對(duì)于降雨結(jié)構(gòu)和類(lèi)型的研究越來(lái)越成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，雨滴譜是深入了解降雨內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演變的重要工具之一，可以為數(shù)值模式微物理過(guò)程參數(shù)化提供可靠的依據(jù)。

利用雨滴譜數(shù)據(jù)和云的結(jié)構(gòu)特征，精確確定降雨類(lèi)型，雨滴譜導(dǎo)出的Z-R關(guān)系或M-P分布能反演局地雷達(dá)波強(qiáng)，對(duì)降水估測(cè)、災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警等有很好的指導(dǎo)意義。

降雨作為一個(gè)重要的擾動(dòng)因子，對(duì)準(zhǔn)確估算土壤呼吸具有重要影響，降雨事件、降雨量及降雨格局的響應(yīng)過(guò)程與規(guī)律對(duì)"Birch效應(yīng)"(降雨強(qiáng)烈激發(fā)土壤呼吸的現(xiàn)象)的影響尤為引人注意。降雨強(qiáng)度對(duì)于裸地及植被覆蓋度高的土地不同深度土壤含水量的影響也是水土保持方面研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的降水特征研究多采用試紙法，觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)全由人工控制，工作量大，精確度低。雨滴譜儀的出現(xiàn)改變了以往靠人工獲取數(shù)據(jù)的方法，可以無(wú)人值守測(cè)量，但一般的激光雨滴譜儀只能得到最初的雨滴譜數(shù)據(jù)，其軟件無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的氣象因素分析，已漸漸不能滿足研究應(yīng)用。

2觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1目標(biāo)

采用激光發(fā)射源（激光二極管和光學(xué)器件）產(chǎn)生一組平行光束（紅外線，非可見(jiàn)光），位于接收端的透鏡光二極管測(cè)量光強(qiáng)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)雨滴穿過(guò)激光束時(shí)產(chǎn)生接受信號(hào)，通過(guò)減小的振幅計(jì)算出雨滴直徑。另外，通過(guò)減小信號(hào)的持續(xù)時(shí)間測(cè)得雨滴的下降速度。精確測(cè)定對(duì)象最小直徑達(dá)到0.16mm。

AZ-MR101云霧降水特征觀測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量下落雨滴的總量、大小、強(qiáng)度、和運(yùn)動(dòng)速度。軟件采用中文界面，可顯示任意時(shí)段的雨滴譜圖，還可計(jì)算雨滴譜的特征直徑，為研究M-P 分布、Z-R關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。集合其他氣象單元傳感器，可分析局地或大范圍區(qū)域的氣候變化特征；結(jié)合其他土壤參數(shù)如土壤呼吸、含水量，可分析研究地點(diǎn)或區(qū)域土壤理化特性，從而估算碳排量或評(píng)估水土保持情況。

2.2觀測(cè)點(diǎn)選擇

觀測(cè)點(diǎn)選擇應(yīng)考慮區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)，如地形、氣象、工農(nóng)業(yè)分布等，能代表當(dāng)?shù)氐湫铜h(huán)境。采樣點(diǎn)應(yīng)盡可能避開(kāi)排放酸堿物質(zhì)和粉塵的局地污染源、主要街道交通污染源的影響，四周應(yīng)無(wú)遮擋雨、雪的高大樹(shù)木或建筑物。對(duì)于水土保持監(jiān)測(cè)，選擇監(jiān)測(cè)區(qū)域有代表性的樣點(diǎn)，盡量周?chē)諘鐭o(wú)遮擋物。

2.3觀測(cè)指標(biāo)

降雨量，降雨速度，降雨粒徑大小，降雨強(qiáng)度，降雨等級(jí)，雨滴譜圖，Z-R關(guān)系圖。平均直徑Dm，眾數(shù)直徑Dd，平均體積直徑Dv，優(yōu)勢(shì)直徑Dp，中數(shù)直徑Dnd，中數(shù)體積直徑Dn，

2.4觀測(cè)系統(tǒng)組成

　　AZ-MR101云霧降水特征觀測(cè)系統(tǒng)由雨滴譜儀及雨滴譜分析軟件DA100組成?？蛇x帶加熱功能的傳感器，以適應(yīng)惡劣的環(huán)境?？赏瑫r(shí)連接風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器

抗電磁支架，保證測(cè)量精度，數(shù)字信號(hào)，可長(zhǎng)距離傳輸。

支持服務(wù)器和客戶(hù)端工作模式，便于遠(yuǎn)程管理數(shù)據(jù)，支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀取，表格和圖形化實(shí)時(shí)顯示。

中文軟件界面，顯示任意時(shí)段的雨滴譜圖，自動(dòng)計(jì)算雨滴譜各種特征直徑

3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)完成后，DA100軟件將給出如下圖所示的數(shù)據(jù)圖表和最終結(jié)果。包括采集日期；采集時(shí)間；每5分鐘平均降雨強(qiáng)度；每分鐘總降雨強(qiáng)度；每分鐘液態(tài)降雨強(qiáng)度；每分鐘固態(tài)降雨強(qiáng)度；總降雨量；每分鐘雷達(dá)分辨率；總雨滴數(shù)等。

直接利用軟件可以顯示22種雨滴大小范圍，20種降雨速度范圍；中文軟件界面，顯示任意時(shí)段的雨滴譜圖；自動(dòng)計(jì)算雨滴譜的平均直徑Dm，眾數(shù)直徑Dd，平均體積直徑Dv，優(yōu)勢(shì)直徑Dp，中數(shù)直徑Dnd，中數(shù)體積直徑Dn。

通過(guò)雨滴譜數(shù)據(jù)軟件可以直接進(jìn)行二次產(chǎn)品反演功能和導(dǎo)出功能，直接對(duì)Z-R關(guān)系(雷達(dá)反射率與降雨強(qiáng)度)和M-P分布進(jìn)行擬合。

通過(guò)軟件可以同時(shí)控制監(jiān)測(cè)多個(gè)地點(diǎn)多臺(tái)儀器的運(yùn)行情況，降雨強(qiáng)度和雨滴譜圖直接導(dǎo)出。

4、應(yīng)用實(shí)例

北京林業(yè)大學(xué)相關(guān)研究人員利用LNM 激光雨滴譜探測(cè)儀，連續(xù)不間斷觀測(cè)北京密云水庫(kù)周邊山區(qū)2006年8月-2007年1月的降水過(guò)程；結(jié)合以往研究雨滴所采用的方法和成果，從降雨產(chǎn)生能量的機(jī)理入手，觀測(cè)分析了北京密云水庫(kù)周邊人工林林內(nèi)外降雨雨滴特性和降雨動(dòng)能的變化。結(jié)果表明：林外天然雨滴平均直徑和雨滴中數(shù)直徑都有隨降雨強(qiáng)度的增加而增加的趨勢(shì)；林外的雨滴直徑較林內(nèi)分布范圍小，林外雨滴直徑與累積雨量之間的關(guān)系曲線較林內(nèi)平滑；小雨強(qiáng)( ≥0.35mm/h)氣象條件下，林內(nèi)降雨動(dòng)能顯著高于林外降雨動(dòng)能，可初步認(rèn)為在小雨強(qiáng)時(shí)林冠層對(duì)降雨能量有增大作用。