降雨模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計與教學(xué)實(shí)踐

李學(xué)行， 陳 嬌

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院業(yè)務(wù)培訓(xùn)部，合肥 230010）

0 引 言

降水觀測是地面氣象觀測中的重要因素之一，掌握降水強(qiáng)度判識技能，理解降水觀測與風(fēng)速、溫度之間的關(guān)系是教學(xué)中的難點(diǎn)之一。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范，降雨按照人工定性觀測強(qiáng)度劃分為小、中、大3種強(qiáng)度，分別表現(xiàn)為雨滴清晰可辨、雨落成線、迅速形成積水的特征。在自動化定量觀測中，一般降雨強(qiáng)度0.1～4.0 mm／min不等，如何使學(xué)員掌握更為細(xì)致的直觀判識技能成為一個棘手的難題。此外，降水量的觀測受風(fēng)速的影響較大，降水會引起氣溫的變化，通過天然降雨研究此類問題時，常常會受到時間、空間等條件的限制，給教學(xué)工作帶來極大的困難，這也使得對降水量與風(fēng)速及溫度之間的關(guān)系僅停留在理論教學(xué)階段。因此，在教學(xué)中如果能通過實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)員親身體驗(yàn)，其培訓(xùn)效果定然會有顯著提高。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，早在20世紀(jì)初，美國、日本、加拿大等國家就已經(jīng)開始采用人工模擬降雨的方式研究土壤侵蝕、水土流失等問題［1］。在20世紀(jì)50年代后期，人工模擬降雨引起國內(nèi)科學(xué)家的重視，目前國內(nèi)已研制出了多種用于不同研究目的和實(shí)驗(yàn)條件的人工模擬降雨裝置。例如，陳文亮課題組［2］研制的SR型人工降雨裝置；吳長文等［1］使用的用于陡坡坡面流及坡面侵蝕的擺噴式人工模擬降雨裝置；張光輝等［3］開發(fā)的槽式人工模擬降雨機(jī)；文獻(xiàn)［4-6］中研究了室內(nèi)降雨模擬裝置。由于人工模擬降雨裝置具有試驗(yàn)周期短，可調(diào)控，不受時間空間限制等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水利、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等研究領(lǐng)域［7-11］。目前國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)將人工模擬降雨用于氣象行業(yè)的現(xiàn)場教學(xué)研究。

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在氣象培訓(xùn)中應(yīng)用至少可以發(fā)揮如下作用：

(1)提升培訓(xùn)質(zhì)量。通過降雨模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，授課教師可以更加精準(zhǔn)有效的傳授降雨方面的知識，學(xué)員可以更加直觀清晰地判識降雨強(qiáng)度。

(2)激發(fā)學(xué)員的主觀能動性。通過實(shí)驗(yàn)式教學(xué)平臺的現(xiàn)場操作模擬，引導(dǎo)學(xué)員從被動的接受課堂知識灌輸?shù)街鲃訁⑴c學(xué)習(xí)，加深學(xué)員對知識的理解和感知，拓寬學(xué)員的視野，完善對所學(xué)知識的構(gòu)建。

(3)促進(jìn)創(chuàng)新性培訓(xùn)方式的開發(fā)和應(yīng)用。通過學(xué)員對實(shí)驗(yàn)式教學(xué)方式的反饋，激發(fā)授課老師開發(fā)更多的創(chuàng)新性培訓(xùn)方式，探索訪談、行動教學(xué)等其他教學(xué)方法的運(yùn)用，從而進(jìn)一步完善氣象教育培訓(xùn)課程體系。

為了更好地提升培訓(xùn)效果，提高培訓(xùn)質(zhì)量，開發(fā)新的教學(xué)方式，我院搭建了一套人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，用于氣象教育培訓(xùn)和研究工作。

1 教學(xué)功能設(shè)計

從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度，人工模擬降雨教學(xué)平臺應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能。

1.1 實(shí)現(xiàn)對不同降雨強(qiáng)度的模擬、細(xì)微調(diào)控以及反饋監(jiān)視

通過調(diào)節(jié)模擬艙中的噴頭開度、疊加噴頭個數(shù)，實(shí)現(xiàn)3級雨強(qiáng)（1、2、4 mm／min，簡稱小、中、大雨，與嚴(yán)格意義上的氣象學(xué)分類無關(guān)，只作研究區(qū)分之用）的模擬及細(xì)微調(diào)控實(shí)現(xiàn)不同降雨強(qiáng)度模擬，降雨量通過雙翻斗雨量傳感器進(jìn)行采集顯示。

1.2 探究風(fēng)場對降水量的影響

在降雨模擬艙外安裝一套風(fēng)速控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對不同風(fēng)速的調(diào)控，控制范圍在0～18 m／s，用來研究不同強(qiáng)度的風(fēng)對降水量的影響。

1.3 研究不同降雨強(qiáng)度對溫度的影響

模擬艙內(nèi)外各安裝一套鉑電阻溫度傳感器，記錄降雨過程中模擬艙內(nèi)外的溫度變化，探究不同強(qiáng)度的降水對溫度的影響。

上述雨強(qiáng)、風(fēng)速、溫度通過上位機(jī)控制系統(tǒng)集中管理。

2 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

2.1 硬件部分

整個模擬平臺包括降雨控制、風(fēng)速控制和溫度監(jiān)測系統(tǒng)3部分。其中降雨控制系統(tǒng)主要包括降雨模擬艙、水泵、噴頭、水箱、閥門、雨量筒及控制器等；風(fēng)速控制系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)、變頻器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)4檔位風(fēng)速控制；溫度控制系統(tǒng)主要包括兩個溫度模塊。人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的實(shí)物圖如圖1所示，電氣系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺實(shí)物圖

圖2 人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺電氣系統(tǒng)

2.2 軟件部分

人工模擬降雨平臺軟件部分主要包括雨量控制系統(tǒng)軟件，可實(shí)現(xiàn)小、中、大雨3種降雨強(qiáng)度的模擬以及人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件（包括控制風(fēng)機(jī)、調(diào)整風(fēng)速、顯示溫度及管理雨量控制系統(tǒng)軟件）兩個部分。軟件界面如圖3所示。

圖3 人工模擬降雨平臺軟件界面

3 課程設(shè)計

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)式教學(xué)裝置調(diào)控降雨控制面積8 m2，降雨高度為2.5 m，降雨強(qiáng)度通過計算機(jī)全自動調(diào)控，變化范圍1～6 mm／min。采用噴淋技術(shù)，具有易安裝、調(diào)控方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在產(chǎn)生的雨滴不夠均勻的缺點(diǎn)。為了克服這一缺點(diǎn)，將雙翻斗雨量傳感器放置在6組噴淋裝置的正中心位置，感受群體變化而非某1組噴頭的變化，使降雨強(qiáng)度變化相對平穩(wěn)，滿足教學(xué)的需求。

教學(xué)設(shè)計大致包括30 min模擬實(shí)驗(yàn)、30 min討論、120 min獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報告。通過教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)員對不同降雨強(qiáng)度的直觀感受，對風(fēng)速影響降水量觀測、降水對氣溫影響過程有量化的理解，培養(yǎng)學(xué)員對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚興趣，對開展研究型業(yè)務(wù)起到催化作用。

實(shí)驗(yàn)過程中，從小雨、中雨、大雨3個級別遞進(jìn)展開，每個級別10 min，風(fēng)速按靜風(fēng)、4.8 m／s、9.7 m／s、14.5 m／s、19.6 m／s 5級風(fēng)速控制，每個風(fēng)級2 min。

實(shí)驗(yàn)過程中及結(jié)束后的30 min，針對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。模擬過程中由于水壓難以精準(zhǔn)控制，降雨強(qiáng)度有微弱的波動，因此，去掉最大值與最小值后取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖可見，風(fēng)速變化在不同降水強(qiáng)度水平下影響是不相同的。降雨強(qiáng)度較小時，風(fēng)速影響不大，呈現(xiàn)出略正向影響；降雨強(qiáng)度中等時，風(fēng)速增大對降水量有較明顯正向影響，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14.5 m／s時達(dá)到最高，風(fēng)速再增大，降水量反而下降；降雨強(qiáng)度較大時與中等時表現(xiàn)恰恰相反。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與自然降雨過程中風(fēng)速對降水量觀測的影響是不完全一致的，這是由于實(shí)驗(yàn)室較小，在一個封閉空間中，可能產(chǎn)生明顯的渦旋氣流。但實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)速對降水量觀測產(chǎn)生顯著的影響，這是非常重要的。

圖4 降水與風(fēng)速之間的關(guān)系

降雨對氣溫的影響也是很顯著的，從表1可見，降水強(qiáng)度較小時，降水對氣溫影響不大，降雨強(qiáng)度中等時氣溫下降了0.6℃，降雨強(qiáng)度較大時氣溫下降了0.5℃。由于模擬降雨的水是存放在水箱中的，在同一個房間內(nèi)，與房間空氣溫度基本保持一致，因此，降雨過程中的空氣溫度下降主要由于水分蒸發(fā)降溫所致。在實(shí)際降雨中，這種降溫過程更明顯，因?yàn)榻涤陙碜愿叩目罩?，雨滴本身溫度比近地層氣溫低?/p>

表1 不同降水強(qiáng)度對氣溫的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及討論過程，學(xué)員根據(jù)自己的知識儲備，著手寫實(shí)驗(yàn)報告，這一過程是一個理論認(rèn)識的提升過程。不僅熟悉了組織實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法，更要綜合理論知識、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，思考實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)為什么是這樣的變化規(guī)律，與實(shí)際業(yè)務(wù)有哪些不同。

4 教學(xué)實(shí)踐

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺主要針對參加地面氣象觀測培訓(xùn)人員，培訓(xùn)目的為提高相關(guān)人員觀測業(yè)務(wù)能力。利用人工降水模擬實(shí)驗(yàn)平臺，可逼真地模擬并構(gòu)建真實(shí)的不同強(qiáng)度的降雨，不受時間、空間、天氣等因素的限制，實(shí)現(xiàn)了降雨觀測業(yè)務(wù)培訓(xùn)的及時性。

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺綜合了多項(xiàng)技術(shù)，構(gòu)建了具有實(shí)時操作、研究的現(xiàn)場模擬場景，通過實(shí)時現(xiàn)場演示和探討，學(xué)員可身臨其境地觀測不同強(qiáng)度的降水過程、不同風(fēng)速對不同降水強(qiáng)度的影響以及不同降水強(qiáng)度對觀測溫度的影響，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)員主動思考解決問題的能力，強(qiáng)化了培訓(xùn)效果。

該平臺在全國觀測人員業(yè)務(wù)素質(zhì)與能力培訓(xùn)班中應(yīng)用，因?yàn)榕嘤?xùn)形式新穎，得到學(xué)員的好評。

5 結(jié) 語

隨著氣象事業(yè)的快速發(fā)展，對氣象工作者提出了更高的要求。觀測自動化，不是不要觀測人員了，而是對觀測人員提出了更高的要求。降水模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開啟了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種培訓(xùn)新形式，為更高深層次的業(yè)務(wù)培訓(xùn)探索了道路，同時為學(xué)員開啟了氣象科學(xué)性、業(yè)務(wù)研究型的思考新模式。

雖然人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺解決了降雨觀測培訓(xùn)中可視化問題，學(xué)員可以更加直觀清晰地判識降雨強(qiáng)度、了解風(fēng)速與降雨、降雨與氣溫之間的影響關(guān)系，但因?yàn)槠脚_規(guī)模較小，限制了學(xué)員主動性設(shè)計實(shí)驗(yàn)的可能性。關(guān)于降雨與風(fēng)場、降雨觀測儀器的研究方向有很多實(shí)際問題待探索，比如區(qū)域站降雨桶布設(shè)在樓頂對降雨觀測的影響、觀測場內(nèi)不同降雨儀器之間的測量差別等［12-15］。學(xué)員可能存在很多疑問，可以帶著問題在平臺上自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如改變雨量桶的高度、位置，增加障礙物，改變風(fēng)向等，通過實(shí)驗(yàn)，自己尋找答案。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在部分高校以及環(huán)境監(jiān)測、安全工程等行業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域開展實(shí)踐探索［16-18］，展望未來，這種有益于開放思維、主動學(xué)習(xí)、學(xué)以致用的實(shí)驗(yàn)研究型培訓(xùn)形式將會成為未來氣象培訓(xùn)的重要形式，為發(fā)展研究型氣象業(yè)務(wù)提供智力支撐。

·名人名言·

懶于思索，不愿意鉆研和深入理解，自滿或滿足于微不足道的知識，都是智力貧乏的原因。這種貧乏通常用一個字來稱呼，這就是“愚蠢”。

——高爾基