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二维视频雨滴谱仪的毫秒世界

二维视频雨滴谱仪的毫秒世界

邓伟豪
2024年3月

大家或多或少经历过落雨没有带备雨伞的时候,并可能感受到夏天与冬天降雨的分别。夏天降雨主要来自大气对流活动引发的积雨云,雨滴因而较大颗;冬天降雨则一般来自层状云,绵绵细雨的情况较常见。现时量度或估算降雨量的两个主要方法分别为雨量计及天气雷达,但它们均未能提供雨滴大小分布的观测数据,而雨滴谱仪正好可以提供这方面的资料。
天文台安装于赤鱲角机场气象站的雨滴谱仪是二维视频雨滴谱仪(图一)。仪器最重要的部分是中央长阔各约10厘米貌似「天井」的测量区,两侧安装有高速的扫描摄影机。当雨滴下坠穿过测量区,过程中不同高度的截面会被拍摄,观测数据经软件处理后可得出雨滴的下落速度甚至重构出其三维形状(图二)等资料。降雨过程中雨滴谱仪能够以毫秒级数(千分之一秒)的速度测量每颗雨滴。以2023年9月7日晚上的大雨个案为例,当时位于赤鱲角的香港国际机场正受降雨率达每小时30毫米的雨区影响(图三),而在晚上9时54分至10时00分短短6分钟之间雨滴谱仪便测量得超过14万颗雨滴。将14万多颗雨滴的直径与其下降速度或扁率数据绘制成二维直方图(图四),会发现数据并非随机分布,而是大概遵循特定关系—雨滴愈大颗,下落速度愈高,扁率亦愈少于1(即雨滴呈扁状,垂直高度较小而水平长度较大)。
每次降雨过程获得雨滴谱数据后,除了能够得出降雨率及累积降雨量等传统观测资料与地面雨量计作相互比对外,更可由基本物理原理推算出雷达反射率,并与雷达数据作比较,帮助研究不同季节和不同降雨机制下的雨点特性。
图一
图一   安装于赤鱲角机场气象站的二维视频雨滴谱仪。

图二
图二   等效球直径分别为5毫米(左)及6毫米(右)的雨滴三维重构图像。

图三
图三   2023年9月7日晚上10时的雷达图像显示降雨率达每小时30毫米的雨区正影响位于赤鱲角的香港国际机场。

图四
图四   雨滴下落速度(左)及扁率(右)与其直径的二维直方图。区间内颜色愈近红色表示范围内雨滴数量愈多。雨滴愈大时,扁率愈少于1(即雨滴愈呈扁平状,水平长度比垂直高度大)。

参考资料:
[1] Kruger, A. and Krajewski, W. (2002). Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 19(5) pp. 602-617.(只以英文发表)