機載光陣探頭探測期間云粒子的破碎

黃敏松 雷恒池 陳家田 張曉慶

?

機載光陣探頭探測期間云粒子的破碎

黃敏松1, 2雷恒池1, 3陳家田1張曉慶1

1中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室，北京100029,2中國科學院大學， 北京100049,3南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

機載光陣探頭探測時，云粒子（液態(tài)和固態(tài)）進入二維光陣探頭的采樣區(qū)前，會因與探頭探測臂發(fā)生機械碰撞，或者與探頭外殼產生的湍流和風切變相互作用而破碎。破碎程度與粒子類型、大小、粒子密度、探頭入口設計以及飛行空速等有關。利用2008年7～9月探測飛機（Y-12）在山西省太原地區(qū)的航測資料并對飛機采樣期間的云粒子破碎現(xiàn)象進行介紹和分析，分析結果表明，粒子到達時間間隔分布具有雙模態(tài)特征：長時間模態(tài)是粒子空間分布的真實結構，短時間模態(tài)則是云粒子破碎的結果。提出用粒子到達時間間隔閾值作為粒子破碎的判定標準，給出適用于2008年太原地區(qū)航測資料的粒子破碎識別閾值，其中適合于探頭云粒子成像儀（CIP）的閾值是2×10?5s ，而探頭降水粒子成像儀（PIP）的閾值是1×10?4s。所提的閾值對于以Y-12為機載探測平臺，以CIP和PIP探頭為探測儀器所獲取的其它航次云微物理圖像資料的粒子破碎處理也是有一定的參考使用價值。

機載探測 光陣探頭 粒子破碎

1 引言

自從粒子測量系統(tǒng)（PMS）于20世紀70年代問世以來（Knollenberg, 1970, 1981），其已被廣泛地應用于地面和空中測量，以輔助云降水物理研究和衛(wèi)星遙感訂正等。在測量過程中，尤其在機載飛行條件下，云粒子（液態(tài)和固態(tài)）進入二維探頭的采樣區(qū)前，會因與探頭臂發(fā)生機械碰撞，或者與探頭外殼產生的湍流和風切變相互作用而破碎。一個云粒子可破碎為幾個甚至幾百個碎片，導致多計小云粒子數(shù)目，少計大的云粒子（Korolev and Isaac, 2005）。因此，過去的30多年里有相當多的科學家對PMS粒子測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中的粒子破碎現(xiàn)象進行了研究并給出了一些比較可行和有效的處理方法。Cooper（1978）對光電陣列探頭探測數(shù)據(jù)進行了分析，給出了一個用于二維光陣探頭探測數(shù)據(jù)中去除破碎粒子的方法，他認為如果粒子圖像的到達時間間隔所對應的空間距離小于2.5 cm，則第2個粒子應該被視為粒子碎片予以去除。在Cooper（1978）工作的基礎上，Heymsfield and Baumgardner（1985）提出了基于到達時間間隔的破碎粒子濾除算法。Korolev and Isaac（2005）對粒子破碎效應進行研究后指出，粒子破碎程度與粒子類型、大小、粒子密度、探頭入口設計以及飛行空速等有關。云粒子破碎可以影響從二維探頭測量結果計算得到的云粒子濃度、含水量、雷達反射率等。Field et al.（2006）分析了光電陣列探測儀所測粒子到達時間間隔的雙模態(tài)結構，認為長時間模態(tài)代表著真實云結構而短時間模態(tài)則代表著破碎的冰粒子，對四次航測資料中的三個航次資料處理分析，他采用2×10?4s作為粒子破碎的判斷閾值，剩下的一個航次資料則采用1×10?5s作為粒子破碎的判斷閾值。Korolev et al.（2011, 2013）利用標準結構的探頭和改進結構的探頭進行飛行探測實驗對比，結合Field et al.（2006）提出的破碎粒子濾除算法對粒子破碎的成因及其影響進行初步的量化分析。由于機載測量中粒子破碎不僅和粒子自身有關，還和測量儀器以及機載平臺有關，因此國內利用Y-12飛機進行機載探測時粒子破碎現(xiàn)象必然和國外不同類型飛機探測時粒子破碎現(xiàn)象存在差異，國外研究中所提的粒子破碎判斷閾值也不能直接運用到國內的探測資料研究中。但國內目前并未對粒子破碎進行任何相關研究，因此很有必要利用國內云微物理飛機探測資料進行粒子破碎的研究，以提出適合國內探測資料破碎粒子剔除的方法。本文介紹我們的云粒子破碎處理分析思路和方法，給出適合2008年山西太原飛行探測資料的粒子破碎閾值以及利用該閾值進行資料處理所獲取的一些結果。

2 二維光陣探頭

PMS粒子測量系統(tǒng)的二維光陣探頭主要有云粒子圖像探頭（OAP-2DC）和降水粒子圖像探頭（OAP-2DP）?，F(xiàn)在國內的探測飛機（主要是Y-12）上面均裝載了該類型探頭的升級版，即由美國粒子測量技術公司（DMT）所改進的儀器云粒子成像儀（CIP）和降水粒子成像儀（PIP）。這兩個成像儀器均屬于成像陣列探測儀，具有相同的工作原理。當一個粒子經過由一激光光束所照明的采樣空間時，其影子就會投射到一個線性光電二極管陣列上面。如果光電二極管所接收到的背景照明激光光強因粒子遮擋被削弱超過50%，則認為該光電二極管被遮擋了。光電二極管的狀態(tài)由儀器的電子電路以與空氣速度成正比的時鐘頻率進行掃描而獲取，因此每掃描一次，就會生成粒子圖像的一條線（slice），將一個粒子圖像的多條線合并一塊，最終會形成一幅二進制的粒子影子數(shù)字圖像，其中1表示未受遮擋的像素，0表示遮擋的像素。沿著光電二極管陣列（方向）的儀器像素精度由儀器的光學放大倍數(shù)所決定，而與光電二極管陣列相垂直方向的像素精度（例如，與氣流流向平行，方向）則由時鐘頻率和空氣速度所決定。對于CIP和PIP而言，經過適當?shù)念l率設置后，和方向的像素精度是一致的，分別為25 μm和100 μm。CIP和PIP的線性光電二極管陣列均含有64個光電二極管，其測量范圍分別是25～1550 μm（CIP）和100～6200 μm（PIP）。兩儀器的采樣面積位于儀器倆延伸臂之間分別為155 mm2和1550 mm2。兩臂距離分別是100 mm（CIP）和250 mm（PIP）。

文中數(shù)據(jù)來自2008年7～9月山西人影辦探測飛機Y-12在太原地區(qū)的全部航測 [其中，除20080705（2008年7月5日，為表示日期與航次方便，簡寫為20080705，下同）、20080714和20080717有CIP和PIP資料外，其余航次只有PIP資料] 結果。利用自主開發(fā)的云降水粒子圖像數(shù)據(jù)處理軟件對文中數(shù)據(jù)進行分析，該軟件可獲取CIP和PIP探頭圖像數(shù)據(jù)中的粒子大小、粒子的到達時間、粒徑分布等重要的粒子信息。

3 云粒子到達時間間隔

航測時，云粒子一旦進入儀器采樣區(qū)，儀器就會自動記錄下此時粒子的到達時刻，如果對前后兩個粒子到達儀器采樣區(qū)的時刻值作差，所得差值我們稱之為“云粒子到達時間間隔”。對某一航次或某段時間內探測到的云粒子到達時間間隔進行統(tǒng)計，則可獲得該時間段內的云粒子到達時間間隔頻率分布狀況。

結合粒子圖像數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了2008年7～9月山西太原Y-12上CIP和PIP探頭的航測資料，其中統(tǒng)計了CIP在7月份航測中8個時間段的資料，PIP則是7～9月中27個時間段的資料，這里取其中一個時長為2400 s的統(tǒng)計結果進行作圖分析，如圖1所示。圖1a、b是相應時間段內云粒子的到達時間間隔散點圖，橫坐標表示粒子序數(shù)，縱坐標表示每個粒子所對應的時間間隔；圖1c、d是上部時間段內云粒子到達時間間隔的出現(xiàn)頻率（階梯折線，實線是其最佳擬合曲線），橫坐標表示粒子時間間隔的統(tǒng)計量，縱坐標表示相應時間間隔內出現(xiàn)的粒子數(shù)占該時段內粒子總數(shù)的比值。從圖1可看出，不論是散點圖還是階梯折線圖，CIP數(shù)據(jù)和PIP數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出雙模態(tài)特征，但CIP數(shù)據(jù)的雙模態(tài)分布更為明顯。

圖1 20080705航次粒子到達時間間隔及其頻率分布：（a、c）CIP數(shù)據(jù)；（b、d）PIP數(shù)據(jù)。圖中時間為北京時間

對上述CIP8個時間段資料和PIP27個時間段的模態(tài)峰值進行統(tǒng)計列表，結果如表1和表2所示，其中表1為CIP探頭數(shù)據(jù)8個時間段的統(tǒng)計結果，表2為PIP探頭數(shù)據(jù)27個時間段的統(tǒng)計結果。從表1和表2中可看出，CIP統(tǒng)計資料中有5個時間段粒子到達時間間隔分布呈雙模態(tài)；PIP有6個雙模態(tài)，即使在共同的時間段內（7月份的6個時間段），CIP有3個時間段內呈現(xiàn)雙模態(tài)特征，而PIP僅有1次出現(xiàn)雙模態(tài)特征。可見CIP探頭出現(xiàn)雙模態(tài)的概率要比PIP探頭高許多，這個主要是由儀器的分辨率以及結構所決定的。此外，PIP探頭的長時間模態(tài)峰值變化較大，PIP：長時間模態(tài)峰值為8×10?5s～8×100s之間，相差5個數(shù)量級，短時間模態(tài)峰值為8×10?6s～1×10?4s，近一個數(shù)量級；CIP：長時間模態(tài)峰值9×10?4s～1×100s，近3個數(shù)量級，短時間模態(tài)峰值1×10?6s～2×10?5s，一個多數(shù)量級。長短時間模態(tài)不同變化反映出它們之間物理學上差異。長時間模態(tài)峰值變化大，正好反映云微物理特征，同一塊云的不同部位云粒子濃度是不同的，云與云之間的濃度差異就更大了。短時間模態(tài)峰值變化小則是另外一種物理機制（Field et al.，2003，2006）所致——云粒子破碎。

表1 云粒子到達時間間隔分布的峰值統(tǒng)計（CIP）

4 云粒子的破碎

在飛行測量過程中，云粒子與OAP探頭的探測臂等之間會發(fā)生碰撞，或者與探測臂等周圍產生的空氣動力，如湍流、切變力等相互作用而破碎 （Korolev and Isaac，2005）。云粒子破碎除了和空速以及OAP探頭的機械結構有關外，還和云粒子自身的物理結構相關，這里利用2008年山西太原Y-12航測的圖像資料分別對冰雪晶粒子、霰粒子和液滴的破碎進行分析并提出適合粒子破碎剔除的方法。

4.1 光陣探頭采樣時云粒子破碎

光陣探頭機載測量時云粒子破碎情況如圖2所示，圖2a是PIP探頭在20080705航次探測中所測量到的冰雪晶粒子破碎現(xiàn)象，圖2b是CIP探頭在20080705航次探測中所測量到的冰晶粒子破碎現(xiàn)象，從圖2a和b中均可看出一個冰粒子破碎后會產生大小和分布不同的粒子群。粒子群中的碎片數(shù)少則幾十、多則幾百，碎片的大小可以超越儀器的精度和量程范圍。圖2c、d則是PIP探頭在20080705航次探測中所測量到的霰粒子破碎現(xiàn)象，霰粒子的破碎多半是與探頭臂發(fā)生機械碰撞才能產生，而諸如探頭外殼產生的湍流和風切變等空氣動力學力不易使其破碎，從圖2c、d中可看出霰粒子破碎后也能形成大小和數(shù)量不一的粒子群。圖2e、f是PIP探頭在20080714航次探測中所測量到的液相粒子破碎現(xiàn)象。造成液態(tài)滴破碎的原因，除機械碰撞破碎外，空氣動力學力的作用也是一個重要原因。從圖2e、f中可看出測量過程中液滴因碰撞變形破碎，也可看到在空氣動力學力作用下發(fā)生的部分破碎和完全破碎等情況，因此液滴破碎狀況比固相粒子要復雜些。但不論粒子相態(tài)如何，也不論粒子破碎成因，從圖2中可看出粒子破碎總是形成一簇在空間中分布緊密的碎片粒子群，碎片之間的間隔和旁邊未破碎的粒子之間的間隔相比要緊密許多，從時間尺度來看就是碎片的到達時間間隔要短于未破碎粒子的到達時間間隔，而且會形成雙峰的模態(tài)結構。因此，如果碎片的到達時間間隔和未破碎粒子的到達時間間隔在頻率分布上能夠無重疊地分開，則可以采用到達時間間隔作為粒子破碎事件的判斷標記。

圖2 機載探頭測量中的粒子破碎現(xiàn)象：（a、b）冰雪晶粒子破碎；（c、d）霰粒子破碎；（e、f）液滴破碎

4.2 云粒子破碎判據(jù)

通常航測的一幅圖像由自然粒子（為與破碎粒子相區(qū)別，我們定義未破碎粒子為自然粒子，其中包括破碎粒子的母體）和破碎粒子組成。一般情況下，經過探頭采樣區(qū)的每個自然粒子均會被儀器所記錄并給以標記。一個云粒子破碎，可以產生許多個破碎的小粒子，當這些破碎粒子經過采樣區(qū)時，有些會被儀器一個一個記錄下來，從而形成許多幀圖像；而有些破碎粒子因其分布比較密集，粒子之間的距離小于采樣頻率所對應的空間距離時則一起被儀器以一個粒子形式記錄下來，這時在一幀圖像內會包括幾個甚至幾十上百個破碎粒子。而一幀內所含的粒子數(shù)除了和破碎的物理機制有關外，還和儀器的分辨率相關。因為粒子的碎片大小一旦小于儀器分辨率，即使其落入儀器采樣區(qū)內也無法由儀器所記錄。因此，儀器的分辨率越高，其往往會記錄下更多的小碎片數(shù)目。

對于云粒子破碎現(xiàn)象的識別，人眼判斷帶有主觀性，而且由于粒子圖像數(shù)量巨大，用人眼識別難以完成，因此必須找到一種客觀且能對大量資料進行自動處理的方法，以替代人眼的工作。由于粒子破碎后破碎粒子的到達時間間隔要短于自然粒子的到達時間間隔，因此可對粒子到達采樣區(qū)的時間進行分析，得到比較準確的數(shù)學判據(jù)，并對所給判據(jù)進行實際應用。

上節(jié)對粒子到達時間間隔統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，粒子到達時間間隔分布具有明顯的雙模態(tài)特征，而且結合具體的粒子圖像數(shù)據(jù)，可以確定，粒子到達時間間隔分布的長時間模態(tài)反映的是云中粒子真實的分 布狀況，短時間模態(tài)則是由粒子破碎的事件引起的。因此可以利用粒子到達時間間隔作為粒子破碎的判據(jù)。Field et al.（2003, 2006）和Korolev et al.（2011, 2013）等均利用兩個模態(tài)連接處的最小值作為破碎粒子識別的判據(jù)。考慮到長時間模態(tài)和短時間模態(tài)之間連接區(qū)域必有破碎粒子和自然粒子在到達時間間隔上的重疊，為了盡量減少將自然粒子誤判為破碎粒子，選擇短模峰值作為破碎粒子識別判據(jù)。同時，為了盡可能多將破碎粒子識別出來并考慮到所選判據(jù)的普適性，選擇統(tǒng)計表中短模峰值的最大值作為最終的破碎粒子識別判據(jù)。因此，分析表1和表2中的短時間模態(tài)。CIP和PIP短模態(tài)峰值范圍分別是1×10?6～2×10?5秒和8× 10?6～1×10?4秒。將短模峰值范圍的最大值2×10?5秒和1×10?4秒分別作為CIP和PIP探頭的粒子破碎閾值，當某一粒子的到達時間間隔小于等于該閾值時，連同其前一個粒子一起被認定為破碎粒子。

4.3 云粒子破碎判據(jù)的應用

4.3.1 云粒子破碎對測量的影響

根據(jù)粒子圖像資料，利用云粒子破碎時間閾值判據(jù)，即云粒子到達時間間隔T≤0.1 ms（PIP）和0.02 ms（CIP），對2008年山西太原的航測資料進行分析，并對與破碎相關的參量進行統(tǒng)計，表3和表4給出每次航測的一些時間段有關粒子破碎參數(shù)的統(tǒng)計結果。表中第一行符號意義如下：y和h兩列數(shù)字分別為左側時間段內粒子破碎進行訂正前后粒子尺度第一通道（CIP：25 μm；PIP：100 μm）粒子累計數(shù)。ps表示單個自然粒子破碎成粒子幀數(shù)范圍，t表示相應時間段內總的粒子幀數(shù)，p則表示該時間段內因破碎形成的粒子幀數(shù)，p/t則表示該時間段內破碎形成的粒子幀數(shù)與總的粒子幀數(shù)比值，也稱“破碎效率”（Korolev and Isaac，2005）。由于8月13日起沒有CIP探頭的有效數(shù)據(jù)，因此統(tǒng)計參數(shù)表格按照儀器分類進行統(tǒng)計。

表3 粒子破碎有關參數(shù)統(tǒng)計結果 (CIP)

（1）單個粒子破碎形成的碎片數(shù)量（ps）

每個粒子破碎后都能產生多個碎片（幀），對于同一個探頭CIP或者PIP，由于航速、風速以及探頭與風向夾角等因素的差別，使得粒子與探頭支撐臂碰撞破碎后產生的碎片個數(shù)和大小都有很大的差異。因此，表3和表4中ps可達幾十個。破碎形成碎片數(shù)的多少和大小還與采樣探頭結構有很大關系。對比分析表3和表4（20080705～20080717）的單個粒子破碎形成的碎片數(shù)（ps），CIP測量中產生的碎片數(shù)明顯高于PIP，這與兩者的碰撞條件差異有關，同時也與儀器的結構和分辨率大小有關。單從表4的ps數(shù)據(jù)來看，ps數(shù)最大值變動范圍較大，最大可達到60個，這個主要和測量環(huán)境有關。

（2）破碎粒子對測量粒子譜的貢獻

圖3a、b分別給出CIP和PIP探頭在20080705、20080714、20080717三個航次所測量破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)（p）及其與原始粒子出現(xiàn)次數(shù)（y）比值的尺度分布統(tǒng)計平均結果。圖中虛線表示破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)均值的尺度分布，實線表示p與y比值均值的尺度分布。由圖3a、b可見CIP 和PIP資料的統(tǒng)計結果均顯示破碎粒子出現(xiàn)次數(shù)的尺度分布呈現(xiàn)指數(shù)分布，而且覆蓋整個測量范圍。但是破碎形成小尺度粒子占絕大多數(shù)，這與Korolev et al.（2011，2013）的統(tǒng)計結果是一致的，從圖3a、b的p/y的尺度分布曲線看出，破碎粒子對粒子尺度分布的兩端貢獻較大。

圖3 20080705、20080714和20080717三個航次測量中破碎粒子均值的尺度分布及其與原始粒子比值均值的尺度分布：（a）CIP探頭數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果；（b）PIP探頭數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果

（3）破碎粒子總數(shù)p對測量粒子總數(shù)t的貢獻

從表3和表4中可以看出，p/t的比值變化范圍較大，CIP：4.5～42.9，數(shù)值大于10的有5個，占5/8；PIP：數(shù)值范圍2.9～36.7，10以上有17個，占17/26，破碎形成的粒子幀數(shù)占總的粒子幀數(shù)超過10%的在所選取的探測數(shù)據(jù)段內均超過了50%。Korolev and Isaac（2005）在分析粒子破碎時發(fā)現(xiàn)枝狀冰晶的破碎效率均在10%以上，而在分析到達時間間隔算法有效性時Korolev et al.（2013）發(fā)現(xiàn)CIP的破碎效率達到了43%。

4.3.2 粒子形狀對粒子破碎的影響

利用云粒子破碎時間閾值判據(jù)，對PIP探頭所測得的霰粒子和大粒子（主要是不規(guī)則形狀的冰雪晶粒子）的破碎現(xiàn)象進行研究，分析粒子形狀對粒子破碎的影響。所用霰粒子資料取自20080705航次時間09:40:11～09:47:16（北京時間，下同；PIP），共7分15秒；大粒子資料取自20080714航次時間10:41:01～10:41:30（PIP），共30秒測量記錄。

圖4給出了大粒子和霰粒子的一個粒子破碎后產生的幀數(shù)及其出現(xiàn)頻率。從圖中可以看到，大粒子和霰粒子破碎后產生的總幀數(shù)不超過20，但出現(xiàn)頻率較高的是生成幀數(shù)在2～6之間，而其中以形成2個粒子幀的出現(xiàn)頻率最高。

圖4 PIP探頭中大粒子和霰粒子破碎后產生的幀數(shù)與出現(xiàn)頻率

對PIP測量中兩種粒子破碎效率進行統(tǒng)計分析，結果如表5所示。從表中可看出大粒子的破碎效率大于霰粒子，接近2倍的關系，也就是在測量過程中PIP更容易受到大粒子破碎的影響。由于所選的大粒子主要是輻枝狀聚合物，因此從表中可以初步推斷：與輻枝狀聚合物相比，相同大小的霰粒子的破碎效率較低。輻枝粒子之間的連接較弱，除碰撞破碎之外，探頭臂周圍產生的湍流擾動以及粒子在探頭探測臂前的突然減速都可能造成粒子破碎；對于霰粒子而言，這些空氣動力很難使其破碎，一般來說機械碰撞是霰粒子破碎主要因素。

表5 PIP粒子破碎程度統(tǒng)計

4.3.3 粒子相態(tài)對粒子破碎影響

選用CIP探頭所測得的粒子資料研究粒子相態(tài)對粒子破碎的影響。固相粒子（以冰晶為例）數(shù)據(jù)選自20080705航次09:30:46～09:32:46兩分鐘長度數(shù)據(jù)，液相粒子（以液滴為例）數(shù)據(jù)選自20080714航次10:15:00～10:20:00五分鐘長度數(shù)據(jù)。

圖5是不同相態(tài)粒子破碎后產生的粒子幀數(shù)與其出現(xiàn)頻率的關系。除每個破碎粒子破碎成2幀為最高出現(xiàn)頻率外，就是破碎幀數(shù)范圍很大，兩個例子都展示出能夠破碎成20幀以上。這一點與PIP固態(tài)粒子情況有很大差別。而且從圖5還可看出液相粒子破碎后形成的粒子幀數(shù)要大于固相粒子破碎后形成的粒子幀數(shù)。

圖5 CIP探頭中冰晶粒子與液滴破碎后形成的粒子幀數(shù)及其頻率分布

同樣利用粒子破碎效率的概念，對兩種不同相態(tài)的粒子在CIP測量期間的破碎程度進行比較，具體如表6所示。從表6中可以看出無論是液相粒子還是固相粒子，和PIP的破碎程度相比（表5），在CIP測量期間都有比較大的破碎效率39.27%（固相粒子）和45.85%（液相粒子），尤其是液相粒子的破碎程度更加嚴重。當然CIP的破碎程度更重說明了“云”探頭CIP和“雨”探頭PIP相比，更易受到粒子破碎的影響，這和Korolev and Isaac（2005）的分析結果也是一致的。

表6 CIP粒子破碎程度統(tǒng)計

4.3.4 粒子譜數(shù)據(jù)的訂正

利用到達時間間隔閾值對航測圖像資料中的破碎粒子進行識別和剔除，這里選取20080705航次09:40:11～09:47:16時段探頭CIP和PIP所探測的資料進行破碎粒子的剔除，以獲取訂正后的粒子譜數(shù)據(jù)。訂正前（實線）和訂正后（虛線）的兩個探頭粒子譜如圖6所示。從圖中可以看出，粒子破碎對小粒子譜的貢獻比較大，運用到達時間間隔閾值的方法可以很好地把破碎粒子和自然粒子分開。此外，從圖中還可以看出運用到達時間間隔閾值方法對CIP粒子譜的改善比對PIP粒子譜的改善比較大，這也說明了粒子破碎對CIP的影響比對PIP的影響更大。

圖6 20080705航測時段利用到達時間間隔閾值對探頭所測粒子數(shù)據(jù)進行訂正前后對比，圖中縱坐標中F(D)表示粒子譜，：（a）CIP；（b）PIP

5 討論

（1）云粒子到達時間間隔分布的雙模態(tài)分布

粒子到達時間間隔分布曲線呈現(xiàn)雙模態(tài)分布特征：長時間模態(tài)和短時間模態(tài)。長時間模態(tài)體現(xiàn)了云中真實的微物理結構，是自然云粒子之間距離的反映，是云內粒子數(shù)密度不同造成的；短時間模態(tài)是云粒子破碎的結果。短時間模態(tài)峰值比長時間模態(tài)的峰值小3～5個數(shù)量級，這是由粒子破碎后形成的特有分布特征所決定的。粒子破碎形成破碎碎片，成片、密集地分散于空中，數(shù)密度遠大于云中自然粒子的數(shù)密度，相鄰碎片之間的距離也短于自然狀態(tài)下相鄰粒子之間的距離。因此，碎片的到達時間間隔必然短于自然粒子的到達時間間隔，時間分布狀態(tài)圖上就呈現(xiàn)出雙模態(tài)特征。

長時間模態(tài)峰值變化大和短時間模態(tài)峰值變化小是破碎粒子雙模態(tài)分布的另一個特征。前者反映云中粒子空間分布變化大，即云粒子數(shù)密度變化大，是自然現(xiàn)象。后者是粒子破碎機理所決定的。

粒子到達時間間隔的雙峰現(xiàn)象，主要取決于有否粒子破碎。但是，并不是只要存在粒子破碎就會有雙峰出現(xiàn)。例如，表2 PIP 20080705航次中09:20:31～09:53:55（2004 s）時間只有長時間模態(tài)峰值，沒有顯示出短時間模態(tài)峰值，但是在09:40:11～09:47:16（425 s）時間段，出現(xiàn)明顯的短時間模態(tài)峰值，這個和所測時間段內的自然云粒子分布狀態(tài)有關，如果所測的時間段內自然云粒子分布相對較密時則可能將短時間模態(tài)和長時間模態(tài)平滑上升連接起來，這樣就只有長時間模態(tài)而沒有明顯的短時間模態(tài)。

（2）不同儀器對粒子破碎的影響

表1和表2的統(tǒng)計分析結果以及對粒子譜數(shù)據(jù)的訂正均表明，“云”探頭CIP在測量過程中受粒子破碎的影響要遠大于“雨”探頭PIP。這里除了因為CIP探頭的分辨精度比較高，能看到更多破碎后的細小粒子外，還跟探頭的結構有很大關系。CIP探頭前端的兩根向前延伸的探測臂是垂直向前，長度比較短，同時兩臂之間的距離也比較短。PIP探頭前端的兩根向前延伸的探測臂是斜側著向前延伸，長度也比較長，采樣區(qū)內兩臂之間的距離也比較大。PIP探頭更寬大的采樣視場空間導致其對粒子產生的氣動壓迫效應要遠小于CIP探頭對粒子的氣動效應。因此改進OAP探頭的機械設計是很有必要的。

（3）粒子形狀和相態(tài)對自身破碎的影響

表5和表6分別表明粒子破碎和粒子自身的形狀與相態(tài)有很大的關系。不同相態(tài)的粒子中，液相粒子的破碎效率要高于固相粒子。而同為固相粒子，輻枝狀聚合物的破碎效率卻高于霰粒子。破碎效率不同表明粒子自身的物理結構對粒子破碎有很大的影響。不同的物理結構導致粒子破碎的難易程度不同以及破碎時形成的碎片數(shù)也不同。此外，不同物理結構的粒子所受的破碎機理也可能是不同的。

（4）云粒子破碎機制

航測時，對云粒子采樣期間，有時云粒子會產生破碎，原因有二：“靜止”的云粒子與采樣探頭的探測臂等之間發(fā)生碰撞，或者與支撐臂等周圍產生空氣動力，如湍流、切變力等相互作用，[見Korolev and Isaac（2005）的圖16]任何云粒子在被采樣期間的撞擊破碎，會由于其與碰撞物之間的相對角度不同，使得破碎效率和破碎程度可能有所不同。

對于液態(tài)粒子而言，除了跟固態(tài)粒子一樣，在“碰撞沖擊力”作用下可以產生破碎外，有時液態(tài)粒子會在采樣區(qū)內產生變形，或變形加上另一種破碎，這不能完全用“撞擊力”來解釋。這可能是在探測臂周圍存在某種空氣動力，如湍流、切變力等，在液態(tài)滴與這些力之間位置等適當條件下，產生此種現(xiàn)象。有時較大尺度輻枝狀聚合物，由于聚合單體之間的連接較弱，也可能在這些力的作用下變形甚至破碎。

（5）破碎粒子的識別以及識別算法的有效性

粒子破碎后產生的破碎粒子群對云粒子結構、粒子譜的確定有一定的影響，應該從資料中將它們剔出。在處理軟件中加入粒子破碎判據(jù)，對于兩幀或兩幀以上連續(xù)到達時間間隔T≤2×10?5s（CIP探頭資料）或者T≤1×10?4s（PIP探頭資料），加上它們前面通過時間較長的一幀，共同組成破碎粒子群，一并予以剔除。采用這種方法能夠識別出絕大部分的破碎粒子。由于到達時間間隔算法的有效性依賴于一個粒子破碎事件中至少要有兩個碎片粒子被記錄下來，因此，當一個粒子破碎事件僅有一個碎片被記錄下來或者整個破碎事件中進入儀器采樣區(qū)中的碎片被儀器以一個粒子圖象幀記錄下來，這時到達時間間隔算法是無效的。此外，在高密度場合，自然狀態(tài)下的兩個粒子以及枝狀粒子部分進入儀器采樣區(qū)或者偏焦導致一個粒子分為兩部分等則有可能被算法誤判為破碎的粒子碎片。而當一個碎片被彈射到一個自然粒子邊上時到達時間間隔算法在識別出破碎的碎片時也會將自然粒子誤判為破碎粒子。由于粒子破碎過程的隨機性和自然云粒子形態(tài)的多樣性，以及二維成像探頭有限的成像精度和灰度等級，再加上每次航測所得的粒子數(shù)很多，對到達時間間隔方法的破碎粒子識別率還無法進行準確確認。

在這里我們依靠儀器所記錄的粒子圖像，忽略掉僅一個破碎碎片被記錄下來的情形，以“到達時間間隔”方法識別出的破碎粒子數(shù)為總基數(shù)，利用人眼對20080705航次的到達時間間隔算法的識別結果進行驗證，并定義：

錯誤識別率＝錯誤識別的粒子數(shù)/總的粒子數(shù),（1）

準確識別率＝準確識別的粒子數(shù)/總的粒子數(shù),（2）

其中，總的粒子數(shù)為到達時間間隔方法識別出的總破碎粒子數(shù)；錯誤識別的粒子數(shù)為到達時間間隔方法識別出的破碎粒子數(shù)中的非破碎粒子數(shù)，識別方法為人眼判斷；準確識別的粒子數(shù)為到達時間間隔方法識別出的破碎粒子數(shù)中真實破碎碎片數(shù)，識別方法為人眼判斷。

算法從CIP和PIP探頭資料中識別出的破碎粒子總數(shù)分別是3719個和2801個，其中被誤判為破碎粒子的數(shù)目分別是597和317，分別占到了識別數(shù)的 16.1%和11.3%，準確的識別率分別是83.9%和88.7%。Korolev et al.（2013）經過實驗對比指出到達時間間隔算法無法完全濾除粒徑小于500 μm以下的碎片粒子，該算法的有效性取決于儀器的分辨率和電子系統(tǒng)的響應時間。到達時間間隔算法的準確識別率除了和儀器相關外，還和飛行測量時的具體情況相關，比如自然云內的粒子數(shù)濃度等，但綜合起來考慮，到達時間間隔方法能將絕大部分的破碎粒子碎片識別出來，而且和經過結構改進的探頭實際飛行實驗數(shù)據(jù)對比（Korolev et al.，2013）也表明該方法是比較有效的，因此保守估計的話80%以上的準確率是沒問題的。因此單純的到達時間間隔算法是無法完全識別出所有的破碎碎片，減少探測資料中碎片偽跡的途徑需從儀器本身和算法完善兩方面入手。

（6）所提閾值的適用性

粒子破碎除了和粒子本身物理結構有關，還和飛機的飛行速度、飛機和儀器的外形結構以及儀器掛載的位置等有關。本文所提出的閾值是從對山西Y-12探測飛機于2008年在太原航測資料的統(tǒng)計分析中獲取的，在統(tǒng)計過程中不考慮粒子的晶型和具體的大氣環(huán)境條件。因此利用此閾值對山西Y-12探測飛機在其它年份探測的資料進行處理分析也是適用的。此外，目前國內的云物理探測飛機主要是國產的Y-12飛機，飛機的改裝和儀器的掛載位置基本一樣，因此所提閾值對于國內以Y-12飛機為機載平臺，以CIP和PIP探頭為探測儀器，這樣組合所獲取的云物理探測圖像資料的處理分析也是有一定的參考使用價值。

6 總結

通過對2008年7月到9月太原地區(qū)飛行航測的云粒子圖像資料分析，我們得到如下結果：

（1）云粒子通過探頭采樣區(qū)時到達時間間隔T的出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)雙模態(tài)形式，長時間模態(tài)表示真實云結構，短時間模態(tài)是粒子破碎的結果。長時間模態(tài)峰值變化較大，短時間模態(tài)峰值變化較小。云粒子到達時間間隔T雙模態(tài)形式的出現(xiàn)頻率還表明CIP探頭比PIP探頭對云粒子破碎影響更嚴重。

（2）OAP探頭對云粒子采樣期間，有時云粒子會產生破碎，原因有二：“靜止”的云粒子與探頭的探測臂等之間發(fā)生碰撞，或者與探測臂等周圍產生空氣動力，如湍流、切變力等相互作用。粒子破碎程度不同，有的完全破碎，有的部分破碎，有的破碎成數(shù)量大、尺度小的粒子幀，有的破碎成數(shù)量小但尺度大的粒子幀；液態(tài)滴除破碎外還可能變形，有時伴隨部分破碎，等等。

（3）2008年7～9月所有航次隨機時間段內破碎粒子總數(shù)與測量粒子總數(shù)之比的數(shù)值范圍較大（CIP：4.5%～42.9%；PIP：2.9%～36.7%），反映了破碎的真實狀況；云粒子破碎形成的破碎粒子覆蓋整個測量尺度，改變了粒子譜分布。因此有必要濾除碎片偽跡。

（4）對于2008年山西Y-12飛機的航測資料，CIP探頭以粒子到達時間間隔≤2×10?5s，PIP探頭以粒子到達時間間隔≤1×10?4s作為云粒子破碎的判據(jù)進行處理是比較準確可靠的。

致謝 感謝山西省人影辦提供了2008年的太原航測資料，感謝中國科學院大氣物理研究所沈志來老師對本文方法研究中給予的幫助和指導。

（References）

Cooper W A. 1978. Cloud physics investigations by the University of Wyoming in HIPLEX 1977 [R]. Bureau of Reclamation Rep. No. AS119, Laramie, WY: Dept. of Atmospheric Science, University of Wyoming.

Field P R, Heymsfield A J, Bansemer A. 2006. Shattering and particle interarrival times measured by optical array probes in ice clouds [J]. J. Atmos. Oceanic Technol., 23: 1357–1371, doi:10.1175/JTECH1922.1.

Field P R, Wood R, Brown P R A, et al. 2003. Ice particle interarrival times measured with a fast FSSP [J]. J. Atmos. Oceanic Technol., 20: 249–261, doi:10.1175/1520-0426(2003)020<0249:IPITMW>2.0.CO;2.

Heymsfield A J, Baumgardner D. 1985. Summary of a workshop on processing 2-D probe data [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 66: 437–440.

Knollenberg R G. 1970. The optical array: An alternative to scattering or extinction for airborne particle size determination [J]. J. Appl. Meteor., 9: 86–103, doi:10.1175/1520-0450(1970)009<0086:TOAAAT>2.0.CO;2.

Knollenberg R G. 1981. Techniques for probing cloud microstructure [M]// Hobbs P. Clouds: Their Formation, Optical Properties and Effects. London: Academic Press, 15–91, doi:10.1016/B978-0-12-350720-4. 50007-7.

Korolev A, Isaac G A. 2005. Shattering during sampling by OAPs and HVPS. Part I: Snow particles [J]. J. Atmos. Oceanic Technol., 22: 528– 542, doi:10.1175/JTECH1720.1.

Korolev A V, Emery E F, Strapp J W, et al. 2011. Small ice particles in tropospheric clouds: Fact or artifact? Airborne icing instrumentation evaluation experiment [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 92: 967–973, doi:10.1175/2010BAMS3141.1.

Korolev A V, Emery E F, Strapp J W, et al. 2013. Quantification of the effects of shattering on airborne ice particle measurements [J]. J. Atmos. Oceanic Technol., 30: 2527–2553, doi:10.1175/JTECH-D-13-00115.1.

Cloud Particle Shattering during Sampling by Airborne Optical Array Probes

HUANG Minsong1, 2, LEI Hengchi1, 3, CHEN Jiatian1, and ZHANG Xiaoqing1

1,,100029,2,100049,3,,210044

During sampling by airborne optical array probes, cloud particles (droplets or ice crystals) will shatter before entering into the sampling area, either by mechanical impaction with the instrument arms or by interaction with turbulence and wind shear generated by the probe housing. The shattering efficiency depends on the habit, size, and density of particles, as well as the probe inlet design, and airspeed. The phenomenon of cloud particle shattering during airborne sampling is presented in this paper. The data analyzed were from the flights of the Shanxi Y-12 research plane in the Taiyuan area from July to September 2008. It is shown that the distribution characteristics of inter-arrival times of particles can be bimodal: the long-term mode reflects the true structure of cloud particles distributed in space, and the short-term mode is the result of cloud particle shattering. An inter-arrival time threshold is proposed as a criterion for particle shattering identification. For the data analyzed in this study, the value was 2×10?5s and 10?4s for Cloud Imaging Probe (CIP) and Precipitation Imaging Probe (PIP), respectively. These values might also serve as reference thresholds for data from other Y-12 research plane flights.

Airborne observation, Optical array probe, Particle shattering

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15106.

1006-9895(2016)03-0647-10

P426.5+1

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15106

2015-01-12；網(wǎng)絡預出版日期 2015-05-19

黃敏松，男，1983年出生，工程師，在職博士研究生，主要從事云降水物理、大氣探測研究。E-mail: mission@mail.iap.ac.cn

國家重大科研儀器設備研制專項 41327803

Founded by the National Major Program for Scientific Reasearch Instrument Development of China (Grant 41327803)

黃敏松，雷恒池，陳家田，等. 2016. 機載光陣探頭探測期間云粒子的破碎 [J]. 大氣科學, 40 (3): 647?656. Huang Minsong, Lei Hengchi, Chen Jiatian, et al. 2016. Cloud particle shattering during sampling by airborne optical array probes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 647?656,