二維視頻雨滴譜儀的毫秒世界
二維視頻雨滴譜儀的毫秒世界
鄧偉豪
2024年3月
大家或多或少經歷過落雨沒有帶備雨傘的時候,並可能感受到夏天與冬天降雨的分別。夏天降雨主要來自大氣對流活動引發的積雨雲,雨滴因而較大顆;冬天降雨則一般來自層狀雲,綿綿細雨的情況較常見。現時量度或估算降雨量的兩個主要方法分別為雨量計及天氣雷達,但它們均未能提供雨滴大小分佈的觀測數據,而雨滴譜儀正好可以提供這方面的資料。
天文台安裝於赤鱲角機場氣象站的雨滴譜儀是二維視頻雨滴譜儀(圖一)。儀器最重要的部分是中央長闊各約10厘米貌似「天井」的測量區,兩側安裝有高速的掃描攝影機。當雨滴下墜穿過測量區,過程中不同高度的截面會被拍攝,觀測數據經軟件處理後可得出雨滴的下落速度甚至重構出其三維形狀(圖二)等資料。降雨過程中雨滴譜儀能夠以毫秒級數(千分之一秒)的速度測量每顆雨滴。以2023年9月7日晚上的大雨個案為例,當時位於赤鱲角的香港國際機場正受降雨率達每小時30毫米的雨區影響(圖三),而在晚上9時54分至10時00分短短6分鐘之間雨滴譜儀便測量得超過14萬顆雨滴。將14萬多顆雨滴的直徑與其下降速度或扁率數據繪製成二維直方圖(圖四),會發現數據並非隨機分佈,而是大概遵循特定關係—雨滴愈大顆,下落速度愈高,扁率亦愈少於1(即雨滴呈扁狀,垂直高度較小而水平長度較大)。
每次降雨過程獲得雨滴譜數據後,除了能夠得出降雨率及累積降雨量等傳統觀測資料與地面雨量計作相互比對外,更可由基本物理原理推算出雷達反射率,並與雷達數據作比較,幫助研究不同季節和不同降雨機制下的雨點特性。

圖一 安裝於赤鱲角機場氣象站的二維視頻雨滴譜儀。

圖二 等效球直徑分別為5毫米(左)及6毫米(右)的雨滴三維重構圖像。

圖三 2023年9月7日晚上10時的雷達圖像顯示降雨率達每小時30毫米的雨區正影響位於赤鱲角的香港國際機場。

圖四 雨滴下落速度(左)及扁率(右)與其直徑的二維直方圖。區間內顏色愈近紅色表示範圍內雨滴數量愈多。雨滴愈大時,扁率愈少於1(即雨滴愈呈扁平狀,水平長度比垂直高度大)。
參考資料:
[1] Kruger, A. and Krajewski, W. (2002). Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 19(5) pp. 602-617.(只以英文發表)
[1] Kruger, A. and Krajewski, W. (2002). Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 19(5) pp. 602-617.(只以英文發表)