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基于粒子成像测速技术的雨滴微物理特性研究

刘西川 高太长 刘磊 翟东力

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基于粒子成像测速技术的雨滴微物理特性研究

刘西川, 高太长, 刘磊, 翟东力

Research on microphysical property of raindrops based on particle imaging velocimetry technology

Liu Xi-Chuan, Gao Tai-Chang, Liu Lei, Zhai Dong-Li
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  • 为了获取自然环境条件下的雨滴形状、尺度、速度、取向等微物理特性,基于粒子成像测速的瞬态测量可视化技术,研究基于点扩散函数的图像复原算法和自相关图像的速度提取算法,设计并研制了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降水成像测速系统. 通过外场观测试验研究了雨滴的直径、速度、轴比和空间取向及其谱分布等微观物理特性;雨滴的速度随直径的增大呈指数增大,轴比随直径的增大呈线性减小,空间取向易受环境风的影响,倾斜角的平均值在2.1°左右,标准偏差为11.5°;基于实测数据拟合了雨滴速度和轴比随直径的变化关系. 与国外已有模型相比,本文进一步得出了具有本地化特征的雨滴微物理特性. 所得到的结论对于云降水物理学研究、天气雷达地面定标、雨致微波衰减评估等方面的应用具有重要的意义.
    In order to obtain the shapes, sizes, fall velocities, orientations of raindrops in the natural condition, starting from the particle imaging velocimetry transient visual measurement technology, an image restoration algorithm based on point spread function and a velocity calculation algorithm based on auto-correlation image are investigated, and a natural precipitation imaging velocimetry system based on a CCD sensor is designed and developed in this paper. The diameters, terminal velocities, axis ratios, orientations and their distributions of raindrops are investigated by the field experiment. The velocities of raindrops increase exponentially with the diameter, and axis ratios of raindrops decrease linearly with the diameter, the orientations of raindrops are easily affected by the wind, the average canting angle for all drops tends to be nearly symmetric 2.1° with a standard deviation of 11.5°. The empirical relations between velocity and diameter, between axis ratio and diameter are fitted by nonlinear fitting and linear fitting of observed data. In this paper we further provide microphysical characteristics of raindrops with local features. compared with those from the existing model. These conclusions are of important significance for the research on cloud precipitation physics, ground calibration of weather radar, assessment of rain induced microwave attenuation, etc.
    • 基金项目: 国家自然科学基金科学仪器基础研究专款(批准号:41327003)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Special Fund for Basic Research on Scientific Instruments of the National Natural Science Fundation of China (Grant No. 41327003).
    [1]

    Sheng P X, Mao J T, Li J G, Zhang A C, Sang J G, Pan N X 2003 Atmospheric Physics (Beijing: Beijing University Press) p304 (in Chinese) [盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 张霭琛, 桑建国, 潘乃先 2003 大气物理学 (北京: 北京大学出版社) 第304页]

    [2]

    Szakall M, Mitra S K, Diehl K, Borrmann S 2010 Atmos. Res. 97 416

    [3]

    Schuur T J, Ryzhkov A V, Zrnic D S, Schonhuber M 2001 J. Appl. Meteo. 40 1019

    [4]

    Liu X C, Gao T C, Qin J, Liu L 2010 Acta Phys. Sin. 59 2156 (in Chinese) [刘西川, 高太长, 秦健, 刘磊 2010 物理学报 59 2156]

    [5]

    Zhou X, Yang X F, Li Z W, Yu Y, Ma S 2012 Acta Phys. Sin. 61 149202 (in Chinese) [周旋, 杨晓峰, 李紫薇, 于暘, 马胜 2012 物理学报 61 149202]

    [6]

    Jiang S T, Gao T C, Liu X C, Liu L, Liu Z T 2013 Acta Phys. Sin. 62 154303 (in Chinese) [姜世泰, 高太长, 刘西川, 刘磊, 刘志田 2013 物理学报 62 154303]

    [7]

    Gao T C 2012 Meteo. Hydro. Equip. 23 1 (in Chinese) [高太长 2012 气象水文装备 23 1]

    [8]

    Joss J, Waldvogel A 1967 Pure Appl. Geophys. 68 240

    [9]

    Tokay A, Kruger A, Krajewski W F 2001 J. Appl. Meteo. 40 2083

    [10]

    Loffler-Mang M, Joss J 2000 J. Atmos. Ocean. Technol. 17 130

    [11]

    Gao T C, Jiang Z D, Liu X C, Su X Y, Zhai D L 2012 Opt. Pre. Eng. 20 2184 (in Chinese) [高太长, 江志东, 刘西川, 苏小勇, 翟东力 2012 光学 精密工程 20 2184]

    [12]

    Nespor V, Krajewski W F, Kruger A 2000 J. Atmos. Ocean. Technol. 17 1483

    [13]

    Saylor J R, Jones B K, Bliven L F 2002 Rev. Sci. Ins. 73 2422

    [14]

    Szakall M, Diehl K, Mitra S K, Borrmann S 2009 J. Atmos. Sci. 66 755

    [15]

    Tang Y H, Xie G Y, Liu H C, Shao J B, Ma Q, Liu H P, Ning H, Yang Y, Yan C H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2257 (in Chinese) [唐远河, 解光勇, 刘汉臣, 邵建斌, 马琦, 刘会平, 宁辉, 杨彧, 严成海 2006 物理学报 55 2257]

    [16]

    Hanesch M, Waldvogel A, Schonhuber M, Randeu L 1998 American Meteorological Society Conference on Cloud Physics Everett Washington, August 17–21,1998 p407

    [17]

    Xu L F, Chen G, Li J Z, Shao J B 2003 Adv. Mech. 33 533 (in Chinese) [许联锋, 陈刚, 李建中, 邵建斌 2003 力学进展 33 533]

    [18]

    Atlas D, Ulbrich C W 1977 J. Appl. Meteor. 16 1322

    [19]

    Habib E, Krajewski W F, Nespor V, Kruger A 1999 J. Geophys. Res. 104 19723

    [20]

    Nespor V, Sevruk B 1999 J. Atmos. Ocean. Technol. 16 450

    [21]

    Beard K V, Chuang C 1987 J. Atmos. Sci. 44 1509

    [22]

    Huang G J, Bringi V N, Thurai M 2008 J. Atmos. Ocean. Technol. 25 1717

  • [1]

    Sheng P X, Mao J T, Li J G, Zhang A C, Sang J G, Pan N X 2003 Atmospheric Physics (Beijing: Beijing University Press) p304 (in Chinese) [盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 张霭琛, 桑建国, 潘乃先 2003 大气物理学 (北京: 北京大学出版社) 第304页]

    [2]

    Szakall M, Mitra S K, Diehl K, Borrmann S 2010 Atmos. Res. 97 416

    [3]

    Schuur T J, Ryzhkov A V, Zrnic D S, Schonhuber M 2001 J. Appl. Meteo. 40 1019

    [4]

    Liu X C, Gao T C, Qin J, Liu L 2010 Acta Phys. Sin. 59 2156 (in Chinese) [刘西川, 高太长, 秦健, 刘磊 2010 物理学报 59 2156]

    [5]

    Zhou X, Yang X F, Li Z W, Yu Y, Ma S 2012 Acta Phys. Sin. 61 149202 (in Chinese) [周旋, 杨晓峰, 李紫薇, 于暘, 马胜 2012 物理学报 61 149202]

    [6]

    Jiang S T, Gao T C, Liu X C, Liu L, Liu Z T 2013 Acta Phys. Sin. 62 154303 (in Chinese) [姜世泰, 高太长, 刘西川, 刘磊, 刘志田 2013 物理学报 62 154303]

    [7]

    Gao T C 2012 Meteo. Hydro. Equip. 23 1 (in Chinese) [高太长 2012 气象水文装备 23 1]

    [8]

    Joss J, Waldvogel A 1967 Pure Appl. Geophys. 68 240

    [9]

    Tokay A, Kruger A, Krajewski W F 2001 J. Appl. Meteo. 40 2083

    [10]

    Loffler-Mang M, Joss J 2000 J. Atmos. Ocean. Technol. 17 130

    [11]

    Gao T C, Jiang Z D, Liu X C, Su X Y, Zhai D L 2012 Opt. Pre. Eng. 20 2184 (in Chinese) [高太长, 江志东, 刘西川, 苏小勇, 翟东力 2012 光学 精密工程 20 2184]

    [12]

    Nespor V, Krajewski W F, Kruger A 2000 J. Atmos. Ocean. Technol. 17 1483

    [13]

    Saylor J R, Jones B K, Bliven L F 2002 Rev. Sci. Ins. 73 2422

    [14]

    Szakall M, Diehl K, Mitra S K, Borrmann S 2009 J. Atmos. Sci. 66 755

    [15]

    Tang Y H, Xie G Y, Liu H C, Shao J B, Ma Q, Liu H P, Ning H, Yang Y, Yan C H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2257 (in Chinese) [唐远河, 解光勇, 刘汉臣, 邵建斌, 马琦, 刘会平, 宁辉, 杨彧, 严成海 2006 物理学报 55 2257]

    [16]

    Hanesch M, Waldvogel A, Schonhuber M, Randeu L 1998 American Meteorological Society Conference on Cloud Physics Everett Washington, August 17–21,1998 p407

    [17]

    Xu L F, Chen G, Li J Z, Shao J B 2003 Adv. Mech. 33 533 (in Chinese) [许联锋, 陈刚, 李建中, 邵建斌 2003 力学进展 33 533]

    [18]

    Atlas D, Ulbrich C W 1977 J. Appl. Meteor. 16 1322

    [19]

    Habib E, Krajewski W F, Nespor V, Kruger A 1999 J. Geophys. Res. 104 19723

    [20]

    Nespor V, Sevruk B 1999 J. Atmos. Ocean. Technol. 16 450

    [21]

    Beard K V, Chuang C 1987 J. Atmos. Sci. 44 1509

    [22]

    Huang G J, Bringi V N, Thurai M 2008 J. Atmos. Ocean. Technol. 25 1717

  • [1] 李国倡, 郭孔英, 张家豪, 孙维鑫, 朱远惟, 李盛涛, 魏艳慧. 电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究. 物理学报, 2024, 73(7): 070701. doi: 10.7498/aps.73.20231869
    [2] 郭义丰, 王智彬, 贾莉斯, 莫松平, 陈颖. 液冷微通道内相变微胶囊的壁面温升抑制特性数值模拟. 物理学报, 2023, 72(10): 106501. doi: 10.7498/aps.72.20222400
    [3] 田晓俊, 孔繁芳, 经士浩, 郁云杰, 张尧, 张杨, 董振超. 单分子瞬时带电态中电子-振动耦合特性的亚纳米荧光成像研究. 物理学报, 2022, 71(6): 063301. doi: 10.7498/aps.71.20212003
    [4] 孙静静, 张磊, 甄胜来, 曹志刚, 张国生, 俞本立. 深海原位激光多普勒测速系统. 物理学报, 2021, 70(21): 214205. doi: 10.7498/aps.70.20210367
    [5] 褚培新, 张玉斌, 陈俊学. 开口狭缝调制的耦合微腔中表面等离激元诱导透明特性. 物理学报, 2020, 69(13): 134205. doi: 10.7498/aps.69.20200369
    [6] 严雄伟, 王振国, 蒋新颖, 郑建刚, 李敏, 荆玉峰. 基于微透镜阵列匀束的激光二极管面阵抽运耦合系统分析. 物理学报, 2018, 67(18): 184201. doi: 10.7498/aps.67.20172473
    [7] 朱辉, 孙小菡. 雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析. 物理学报, 2018, 67(2): 024211. doi: 10.7498/aps.67.20171440
    [8] 安莎, 彭彤, 周兴, 韩国霞, 黄张翔, 于湘华, 蔡亚楠, 姚保利, 张鹏. 光学微操纵过程的轴平面显微成像技术. 物理学报, 2017, 66(1): 010702. doi: 10.7498/aps.66.010702
    [9] 刘西川, 高太长, 刘磊, 翟东力. 基于粒子成像测速技术的降雪微物理特性研究. 物理学报, 2014, 63(19): 199201. doi: 10.7498/aps.63.199201
    [10] 韩丁, 严卫, 蔡丹, 杨汉乐. 基于最优估计理论、联合星载主被动传感器资料的液态云微物理特性反演研究. 物理学报, 2013, 62(14): 149201. doi: 10.7498/aps.62.149201
    [11] 王华英, 于梦杰, 江亚男, 宋修法, 朱巧芬, 刘飞飞. 利用小尺寸电荷耦合器件实现数字全息高分辨成像. 物理学报, 2013, 62(24): 244203. doi: 10.7498/aps.62.244203
    [12] 舒方杰. 微盘腔垂直耦合器特性的拓展分析. 物理学报, 2013, 62(6): 064212. doi: 10.7498/aps.62.064212
    [13] 辛璟焘, 高春清, 李辰, 王铮. 螺旋光束经过振幅型衍射光学元件的传输特性及其拓扑电荷数的测量. 物理学报, 2012, 61(17): 174202. doi: 10.7498/aps.61.174202
    [14] 邹文康, 陈林, 周良骥, 王勐, 杨礼兵, 谢卫平, 邓建军. Z箍缩驱动器与丝阵负载耦合特性研究. 物理学报, 2011, 60(11): 115204. doi: 10.7498/aps.60.115204
    [15] 陈丹妮, 刘磊, 于斌, 牛憨笨. HeLa细胞突起中微丝束的纳米分辨荧光成像. 物理学报, 2010, 59(10): 6948-6954. doi: 10.7498/aps.59.6948
    [16] 江斌, 刘安金, 陈微, 邢名欣, 周文君, 郑婉华. 立体耦合光子晶体薄板微腔的高Q值特性研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8548-8553. doi: 10.7498/aps.59.8548
    [17] 熊志铭, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 郭哲颖, 董凤良, 缪正宇, 李超波. 光学读出微梁阵列红外成像及性能分析. 物理学报, 2007, 56(5): 2529-2536. doi: 10.7498/aps.56.2529
    [18] 缪正宇, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 李超波, 郭哲颖, 董凤良, 熊志铭. 双材料微梁阵列室温物体红外成像. 物理学报, 2006, 55(7): 3208-3214. doi: 10.7498/aps.55.3208
    [19] 唐远河, 解光勇, 刘汉臣, 邵建斌, 马 琦, 刘会平, 宁 辉, 杨 彧, 严成海. 基于粒子成像测速技术的水中气泡界面的光学性质研究. 物理学报, 2006, 55(5): 2257-2262. doi: 10.7498/aps.55.2257
    [20] 吴汉华, 汪剑波, 龙北玉, 吕宪义, 龙北红, 金曾孙, 白亦真, 毕冬梅. 电流密度对铝合金微弧氧化膜物理化学特性的影响. 物理学报, 2005, 54(12): 5743-5749. doi: 10.7498/aps.54.5743
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-07-27
  • 修回日期:  2013-09-12
  • 刊出日期:  2014-01-05

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