云水含量传感器检定的关键科学与技术问题

　　云水含量在空中的分布和云的降水潜力与天气过程有密切的关系,测量云水含量对提高我国天气预报和灾害预警能力有重要意义。云水含量传感器可用于检验气象雷达和卫星测量云水含量的准确性,有利于提高气象雷达和卫星测量云水含量的能力。

　　云雾中存在大量微小水滴。云水含量是单位体积空气中的液态水滴的质量。利用雷达遥感、卫星遥感和微波辐射计间接测算云水含量的技术尚不成熟,难以获得云中各个部位云水含量的分布。云水含量多少和云的相态结构是决定人工增雨条件的前提,而如何探测云的微物理结构和云水含量则是问题的关键所在。许多研究者利用双通道微波辐射计检测云认为:

　　云发生降水存在一个云水含量的降水临界阈值^[1], 当云中液态水含量超过这一阈值,该地区一般都会出现降水,在降水发生之前,水汽和云中液态水含量均会出现一个显著增加的过程,而在降水结束之后则会出现一个显著减少的过程^[2], 所以实时的测量云中液态水及水汽的含量就显得尤为重要,如不能实时测量云中各个区域的云水含量,就难以准确地把人工降雨剂投放到最合适的区域,也难以选择最优投放剂量。如果投放区域或剂量有偏差,就难以发挥人工影响天气的效率。因此,高精度人工影响天气作业需要用飞机携带云水含量传感器在云中不同部位测量云水含量,并根据测量结果选择最佳投放位置与投放剂量^[3] 。

　　目前云中液态水测量的主要方法有光学测量方法,微波测量方法,热线仪测量方法。

　　1、光学测量方法

　　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广泛采用的云微物理观测仪器。中国气象科学研究院人工影响天气研究中心于1981年开始引进这一系统,并逐步运用到一些省份的外场试验中,取得了很多有价值的云微物理资料。

　　云是不同尺度不同相态水凝物的集合体,其尺度大小从10-7米至10-1米,不可能用同一种仪器观测云中各种粒子,PMS采用不同的探头观测不同尺度范围内的粒子,目前国内的探头见表1。

　　前四种探头用于机载,后三种用于地面。

　　通过PMS二维粒子探头(2D-C,2D-P)的图像资料还可以进行粒子相态和形状的判别。利用PMS探头观测的粒子谱可以通过计算得到不同粒子群的含水量,FSSP探头观测到的粒子可以作为云的悬浮态含水量考虑,2D-P探头测量到的可以作为降水粒子含水量考虑,2D-C探头测量到的为过渡态粒子。云中各种粒子含水量可以通过求和或积分的方式计算得到^[4] 。粒子测量系统(PMS)的设备组成和各部分工作原理在文献[5][6]中有详细阐述。