[实用新型]一种云粒子探测器

说明书

技术领域

    本实用新型具体涉及一种可区分云粒子相态的云粒子探测器。

背景技术

    云中小冰晶粒径谱信息在云辐射学和云物理科学研究中具有重要地位。云覆盖地球表面约60%-70%，云全球平均的净辐射强迫大约是二氧化碳增多可能引起的温室效应的4倍。众多种类云中，冷云对地球辐射收支的影响尤为重要。IPCC第四次评估报告中指出云在辐射强迫和气候变化中的作用还存在很大的不确定性，不确定性的一个最主要来源是冷云辐射导致的。冷云辐射特性不仅决定于冰水含量，还取决于其形状和尺度谱分布信息，为深入认识其辐射传输特性，云中的冰晶信息是必不可少的物理参量。特别是对在云中占多数的小于50μm的冰晶粒子的认识尤为重要。但目前由于缺乏相应的仪器，对云中小冰晶的观测还存在一定的困难。在云物理学研究中，冷云也是人工影响天气的主要对象，在降水的形成过程中扮演着重要角色。云中冰晶无论是在冷云静力催化还是在积云动力催化过程中，都直接影响着降水的形成。从四十年代首次进行机载收集冰晶试验至今，云物理的探测有了很大的进步，但在冷云中降水形成过程方面的理解上仍有很大的困难，对由过冷水到降水的微物理过程的认识不十分清晰。针对这一过程，人们使用一些复杂的数学模型对这一过程进行模拟，但至今没有相关的机载仪器，能够观测记录到这一现象发生、发展的过程。如果能够观测到云中冰晶早期的形成过程，将突破我们对混合云中冰晶形成过程的认识，深入了解云内的微物理变化过程与机制。总之，冷云中冰晶信息对云辐射和云物理研究十分重要，但由于缺乏相应的机载探测仪器，导致冷云辐射强迫的不确定性和对降水形成过程的认识不足。为此，开展冷云中小冰晶探测原理与方法方面的研究十分有必要，可在此基础上建立机载小冰晶探测器，实现冷云中小冰晶的有效探测，解决目前对冰晶在云辐射和云物理中认识的困难。

目前应用最广泛的云微物理特性观测机载仪器主要是基于单粒子散射和成像技术。其中50μm以内的云粒子主要使用散射法进行测量，不具有液态水与冰晶的区分能力。基于成像技术的二维粒子探头使用线阵探测器获取每个粒子经过激光光束时的投影，考虑到探测器空间分辨和AD转化带来的误差，该仪器探测云粒子的尺度下限为100μm。Baumgardaner 2001年报道了改进的散射式云粒子探测器，系统在接收云粒子前向散射同时，接收后向散射，根据前向散射和后向散射的比值判断云粒子的相态，但由于云粒子米散射的振荡性，导致前后向比值振荡，影响粒子相态判断的准确性。Lwason 2001年报道了一种高分辨云粒子成像系统，该系统利用脉冲微为20ns的激光器照射云粒子，使用CCD记录云粒子成像，该系统测量的下限为25μm，并且CCD曝光速度为40Hz。Fugal 2004年建立了用于在线云粒子测量的全息成像系统，由于CCD响应速度限制以及干涉过程中光场虚部引起的噪声以及复杂的全息成像算法，使该系统在云粒子数浓度较大时产生很大的测量误差。Hirst 2001年报道了基于散射条纹的小冰晶探测器（SID：Small Ice Detector），冰晶的散射条纹与云滴艾利条纹形状相差很大，据此来判断云粒子的相态根据，第一代SID使用6个探测器组成的线阵列，角分辨能力有限。Cotton 2010年报道了第二代冰晶探测器SID-2使用定制的同心圆分布的相函数探测器（32个探测器），探测器的灵敏度也有了很大的提高，但当云粒子浓度超过20/cm³时，SID-2不能分辨出单个粒子。第三代SID-3使用高分辨相机，对条纹进行二维成像得到高的角分辨，但由于相机的处理的速度较慢，当冰晶粒子浓度较大时，出现粒子兼并现象，实测粒子数小于实际粒子数。我国对云物理的试验研究大都以机载观测和云室研究为主，其中机载云粒子探头均为国外进口，在仪器维护及数据深入分析方面存在一定的困难。由于机载云粒子探测器对人工影响天气和大气物理学的重要性，国内在机载观测仪器技术、方法方面也开展了一系列的研究。胡敬2013报道完成了“中兵新型人工影响天气系统”，前向散射云粒子探测器是其人影系统的一部分。中国科学院大气物理研究所在气象行业专项的支持下，开展机载云粒子探测器技术方面研究，成功研制了二维云粒子探头。卜令兵2014年研制了基于前向散射技术的一维云粒子探测器，该仪器安装于山西省人工影响天气基地运-12飞机上，获得了云的粒径谱分布。伍波等也利用前向散射技术原理，开展了一维粒子探头研究。目前，国内还未见有使用机载设备进行50μm以下的冰晶粒子研究方面的报道。