地球科学进展

地球科学进展, 2020, 35(7): 704-714 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.062

综述与评述

球载云降水粒子探测器研究现状及进展

王鹏,1, 刘磊,1,2, 刘西川1, 胡帅1,2, 赵世军1, 姬文明1, 高太长1,2

1.国防科技大学气象海洋学院，江苏 南京 211101

2.电磁环境效应与 光电工程国家级重点实验室，江苏 南京 211101

Research Status and Progress of Balloon-borne Cloud and Precipitation Particles Probe

Wang Peng,1, Liu Lei,1,2, Liu Xichuan1, Hu Shuai1,2, Zhao Shijun1, Ji Wenming1, Gao Taichang1,2

1.College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China

2.National Key Laboratory on Electromagnetic Environment and Electro-optical Engineering, Nanjing 211101, China

通讯作者: 刘磊(1983-)，男，山东日照人，副教授，主要从事大气物理学与大气环境研究. E-mail:liuleidll@gmail.com

收稿日期: 2020-05-06   修回日期: 2020-06-15   网络出版日期: 2020-08-20

基金资助: 国家自然科学基金面上项目“利用远红外—太赫兹波高光谱辐射反演冰云微物理参数”.  41875025
“地基红外高光谱辐射仪和偏振激光雷达联合反演薄云微物理参数”.  41575024

Corresponding authors: Liu Lei (1983-), male, Rizhao City, Shandong Province, Associate professor. Research areas include atmospheric physics and atmospheric environment. E-mail:liuleidll@gmail.com

Received: 2020-05-06   Revised: 2020-06-15   Online: 2020-08-20

作者简介 About authors

王鹏(1996-)，男，山东枣庄人，硕士研究生，主要从事大气物理学与大气环境研究.E-mail:wangpengqx@163.com

WangPeng(1996-),male,ZaozhuangCity,ShandongProvince,Masterstudent.Researchareasincludeatmosphericphysicsandatmosphericenvironment.E-mail:wangpengqx@163.com

摘要

准确观测云和降水的微物理特征是理解云降水物理过程的关键。由气象气球搭载测量仪器升空进行现场探测是获取云和降水粒子微物理特征的有效方式，其作为机载云降水粒子测量设备的补充手段，在现场测量中发挥着越来越重要的作用。根据现有球载云降水粒子探测器工作原理的差异，将其分为碰撞取样式、直接成像式、光学散射式、光强衰减式和电荷测量式探测器。总结了典型仪器的工作原理、关键技术和主要优缺点；简要介绍了其在云层精细结构获取、云参数遥感方法建立、云降水物理过程研究和参数化以及雷暴云的科学观测等方面的应用；最后，对球载云降水粒子探测器的发展趋势进行了展望，为开展相关技术研究和设备研制提供参考。

关键词： 云粒子 ; 降水粒子 ; 原位测量 ; 视频探空仪 ; 球载测量仪器

Abstract

The accurate observation of the microphysical structure of cloud and precipitation plays an important role in understanding the formation of clouds and precipitation. In-situ measurement using measuring instruments carried by meteorological balloons is an effective way to obtain the microphysical properties of cloud and precipitation particles, which is a supplementary means for aircraft to observe cloud and precipitation particles. This observation method plays a more and more important role in in-situ measurement. According to the difference of the working principle of the existing balloon-borne cloud and precipitation particles probes, the detectors can be divided into particle impact-sampling sensors, particle imaging sensors, light-scattering sensors, light intensity attenuation sensors and charge measurement sensors. The working principles, key technologies and main advantages and disadvantages of typical instruments were summarized, and their applications to detailed cloud structure acquisition, cloud remote sensing method establishment, cloud and precipitation physical process research and parameterization, and scientific observation of thunderstorm clouds were briefly introduced. Finally, the development trend of balloon-borne cloud precipitation particle detectors was prospected, which will provide reference for related technical research and equipment development.

Keywords： Cloud particle ; Precipitation particle ; In-situ measurement ; Videosonde ; Balloon-borne measurement instruments

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王鹏, 刘磊, 刘西川, 胡帅, 赵世军, 姬文明, 高太长. 球载云降水粒子探测器研究现状及进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(7): 704-714 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.062

Wang Peng, Liu Lei, Liu Xichuan, Hu Shuai, Zhao Shijun, Ji Wenming, Gao Taichang. Research Status and Progress of Balloon-borne Cloud and Precipitation Particles Probe. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(7): 704-714 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.062

1 引 言

云和降水的微物理特征研究一直是大气科学领域的热点之一。云和降水粒子的相态、形状、粒径分布、粒子数浓度和含水量等参数对气候变化、天气预测、人工影响天气、飞行安全等众多领域都有重要影响 [ 1]，对云和降水粒子的准确测量是深入理解云降水物理过程的关键和基础 [ 2, 3]。为了研究云和降水的微物理特征已经开发并应用了多种遥感技术 [ 4, 5]，地基和天基遥感仪器可以通过反演得到云和降水的微物理参数，但遥感反演过程需要建立云滴和降水粒子特性的假设 [ 6]，这些假设通常是分析现场测量结果得到的。机载云降水粒子现场测量设备通常被认为可以较为准确地获取云和降水的微物理特性 [ 7]，已被广泛地应用于云降水物理、人工影响天气研究和卫星、雷达等设备遥感结果的验证中。但由飞机本身引起的粒子破碎和流场剧烈改变会导致粒子谱的测量结果出现较大误差 [ 8, 9]。此外，考虑到安全问题，观测飞机不能在雷暴、风暴中心和超级单体等恶劣环境下工作。因此，一些学者提出利用球载云降水粒子探测系统进行观测以克服上述部分问题 [ 10]。

球载云降水粒子探测系统主要由气象气球、云降水粒子探测器、数据传输装置和数据处理软件等组成。大部分探测系统同时搭载常规探空仪，用于测量气压、气温和湿度廓线。根据云降水粒子探测器是否回收可分为抛弃式测量系统和回收式测量系统。其中抛弃式测量系统主要采用常规探空气球携带重量轻、成本低的云降水粒子探测器，在气球升空过程中实时采集、传输和数据处理，并且不需要回收云降水粒子探测器。回收式测量系统主要分为两类：一类由于技术限制难以实现空中实时处理回传，需要将探测设备回收后再进行数据处理；另一类由于采用的云降水粒子探测器较为精密贵重，需要基于系留气球搭载才能使用，此类仪器一般是在现有机载/球载云粒子探测设备的基础上改造而来的，不在本文中讨论。最早的球载云降水粒子探测器是20世纪60年代出现的碰撞取样式探测器 [ 11]，由于技术的限制，这一时期的设备主要是回收式测量系统。到了80年代，出现了可以在飞行过程中测量云降水粒子微物理特性并将数据实时传输到地面的电荷测量式探测器 [ 12]和普通成像式探测器 [ 13]。进入90年代，又出现了能够测量粒子散射特性的探测器 [ 14]。近年来，随着技术的发展，一些新的测量方法，如全息成像式探测方法 [ 15]已在球载云降水粒子探测器上试验。经过几十年的发展，球载云降水粒子探测器的种类已经比较丰富，测量准确性也有了很大提升。尽管其存在测量轨迹不受控制、抛弃式测量消耗大等问题，但这一操作灵活的测量方式作为飞机探测云降水粒子的补充手段，在原位测量中发挥着越来越重要的作用 [ 16]。

球载云降水粒子探测器在测量过程中直接接触云中水滴、冰晶和降水粒子，且环境参数变化范围和变化速率都比地面参数要大得多。此外，受限于气球载荷，探测器还应该尽可能满足体积小、重量轻、功耗低等要求，这些都给仪器的设计制造增加了困难。近年来，随着微电子技术的发展，越来越多的球载云降水粒子探测器被研制出来，并得到了广泛的应用。本文在分析现有球载云降水粒子探测器技术现状的基础上，简要介绍了各种类型探测器的工作原理、优缺点和典型应用，最后分析了可能的发展趋势并讨论了开展相关研究值得关注的问题，从而为发展球载云降水粒子探测器提供参考。

2 典型球载云降水粒子探测器

目前，球载云降水粒子探测系统可以测量的参数包括云降水粒子形状、相态、尺寸、下落速度、粒子谱、光学特性和电荷等，典型的测量仪器有碰撞取样式、直接成像式、光学散射式、光强衰减式和电荷测量式球载云降水粒子器。一些典型仪器的名称、测量参数、测量范围和主要技术指标如 表1所列。

表1   典型球载云降水粒子测量仪器

Table 1  The typical balloon-borne cloud and precipitation particles measurement instruments

测量方式仪器名称测量要素主要指标
碰撞取样式Snow Crystal Sondes [ 11]粒子形状、粒子尺寸粒径：大于20 μm；仪器尺寸：14 cm×7 cm×5.5 cm；仪器重量：1.5 kg
碰撞取样式Cloud Particle Replicator [ 17]粒子形状、粒子尺寸粒径：大于7 μm；仪器尺寸：91 cm×17 cm×8 cm；仪器重量：2.2 kg
碰撞取样式Cloud Particle Video Sonde [ 13]粒子形状、粒子尺寸粒径：7 μm~1 mm；粒径分辨率：5 μm；仪器尺寸：16 cm×16 cm×53 cm；仪器重量：3 kg
碰撞取样式Hydrometeor Videosonde [ 18]粒子形状、粒子尺寸粒径：7 μm~2 mm；仪器尺寸：22.5 cm×15.2 cm×41 cm；仪器重量：1.3 kg
碰撞取样式New Hydrometeor Videosonde [ 19]粒子形状、粒子尺寸粒径：7 μm~5 mm；仪器尺寸：28 cm×10.6 cm×50 cm；仪器重量：2.4 kg
碰撞取样式Balloon-Borne Ice Particle Imaging [ 20]粒子形状、粒子尺寸粒径：7 μm~1 mm；粒径分辨率：4 μm；粒径测量不确定度：5%~17%；仪器重量：3 kg
直接成像式Precipitation Particle Image Sensor/Videosonde [ 21]粒子尺寸、粒子电荷粒径：0.5 mm~2 cm；电荷量：±1~±400 pC；仪器重量：3 kg
直接成像式New Videosonde [ 22]粒子尺寸、粒子电荷粒径：0.5 mm~2 cm；粒径测量不确定度：2.6%~13%；电荷量：±1~±400 pC；仪器重量：950 g
直接成像式Particle Size, Image, and Velocity [ 23]粒子尺寸、下落速度粒径：0.1 mm~10 mm；粒径测量不确定度：7%；仪器重量：2.72 kg
直接成像式Digital Holographic Imager [ 15]粒子形状、粒子尺寸粒径：大于5 μm
光学散射式Cloud Particle Sensor [ 24]粒子数，粒子尺寸，粒子相态粒径：2~80 μm；粒子计数：1 000个/秒；仪器尺寸：11.5 cm×14 cm×12 cm；仪器重量：200 g
光学散射式Universal Cloud and Aerosol Sounding System [ 25]粒子数，粒子尺寸粒径：0.4~17 μm或1~40 μm；粒子计数：10 000个/秒；仪器重量：280 g
光强衰减式Low-cost Laser Disdrometer [ 26, 27]粒子尺寸、下落速度粒径：0.5~6 mm或0.06~24.5 mm；像素分辨率：0.125 mm；仪器重量：450 g
电荷测量式Particle Charge Instrument [ 12]粒子电荷、下落速度电荷量：±10~±400 pC；电荷测量不确定度：15%；速度测量不确定度：10%
电荷测量式Charge q and Size d[ 28]粒子尺寸、粒子电荷直径：0.8~8.0 mm；粒径测量不确定度：5%~25%；电荷量：±4~±400 pC；电荷测量不确定度：14.3%

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2.1　碰撞取样式探测器

碰撞取样式探测器是一种利用胶片和涂层组成的采样面收集由粒子碰撞产生的印痕，并进一步进行人工或自动处理得到粒子形状、直径和尺度谱信息的球载云降水粒子测量仪器。碰撞取样式探测器可分为两类，一类需要待探测器落地后人工回收处理，代表性探测器有球载雪晶探空仪（Snow Crystal Sondes， SCS）、 [ 11]冰晶复制器（Cloud Particle Replicator，CPR） [ 17]和球载冰晶成像仪（Balloon-Borne Ice Particle Imaging，B-ICI） [ 20]；另一类则在飞行过程中直接对粒子印痕拍照回传处理，代表性探测器是云粒子视频探空仪（Cloud Particle Video Sonde，CPVS） [ 13]和水凝物视频探空仪（Hydrometeor Videosonde，HYVIS） [ 18]。

SCS和CPR探测器的本质是粒子印痕收集器。对碰撞到采样面上的粒子进行准确印痕是这类仪器的关键技术之一。印痕的过程是将碰撞到采样面的粒子包裹在不溶于水的溶液中，并在粒子蒸发或升华之前蒸发溶剂使溶液硬化 [ 29]，这种硬化必须在收集到粒子且粒子大小和形状发生显著改变之前进行 [ 30]。这样，硬化的溶液就可以很好地复现粒子的形状和大小等特性。能够实现印痕过程的采样面和溶液组合有很多，Takahashi等 [ 29]研究了普通塑料聚苯乙烯、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）和聚碳酸酯与多种溶液组合在冰晶复制印痕中的应用。结果表明，这些组合有的适合低温冰晶印痕，有的则更适合液滴印痕，采样面和溶液的具体选择主要取决于工作环境。此外，如何确保溶液涂层在恰当的时候涂抹在采样胶片上也非常重要。SCS仪器储存溶液的容器设计了渗漏孔，气球上升将导致气压下降从而使溶液通过渗漏孔释放出来，并覆盖在胶片的上表面，这种设计存在因溶剂快速蒸发而导致热塑树脂堵塞渗漏孔的隐患 [ 11]。为了避免这一问题，Miloshevich等 [ 17]设计的CPR使用了先在胶片表面涂上热塑树脂，仪器工作时再喷洒可以使树脂软化的溶剂的设计。CPR主要用于记录尺寸小于200 μm的晶体的形状，较大的粒子在撞击时可能会碎裂 [ 31]。用这类仪器得到的冰晶粒子印模可以保存几十年，在地面通过高分辨率成像可将其放大 [ 32]，是研究实际云层中冰晶形状和分布的有力工具。但对于液态云滴或雨滴而言，由于液滴可能会发生形变，其确切形状将取决于原始液滴大小、采样面材料以及涂层溶液在空气和液滴表面张力等因素。

随着技术的发展，逐渐出现了可以在飞行过程中对落到采样胶片上的粒子进行显微成像，并通过无线电信号将图像实时发送到地面的设备。1987年，Murakami等 [ 13]研制了CPVS，其主要部件包括照明用的光源、收集粒子的胶片、控制胶片转动的机械结构、光学放大系统和一个小型摄影机。云粒子经过仪器入口落到胶片上，视场0.8 mm×1.0 mm的摄影机通过物镜可以记录落在胶片上粒径为7 μm~1 mm的粒子图像，仪器的粒子尺度分辨率为5 μm。在CPVS的基础上，Murakami等 [ 18]于1990年开发了HYVIS，后来不断改进 [ 19, 33, 34]并进行了大量应用 [ 35]，HYVIS可以获得粒径为7 μm~5 mm的粒子图像。与CPVS不同的是，HYVIS有显微相机和精密相机2个摄影机，其中显微相机的视场为0.9 mm×1.2 mm，主要拍摄粒径小于300 μm的小粒子；精密相机的视场为5.25 mm×7 mm，用于拍摄粒径大于300 μm的大粒子。受限于成像分辨率，只有显微摄影机拍摄的图像能用来分析粒子的详细形状及其大小分布等信息 [ 36]。2012年之后，生产商对HYVIS做了进一步升级，从而使图像更清晰、重量更轻、成本更低 [ 32]。2016年，Kuhn等 [ 20]和Wolf等 [ 37]设计了B-ICI，由于使用了更窄的胶片，仪器对粒径25 μm粒子的采集效率可以达到80%，B-ICI同时搭载了视场2.1 mm×1.6 mm、像素1 280×960的高清CCD相机，图像的像素点大小仅为1.65 μm。但由于数据量太大，测量数据没有实时传输到地面，而是保存在高速存储卡中，待测量结束后根据GPS位置信息将仪器回收再进行数据处理。HYVIS和B-ICI等显微成像仪器，借助仪器的光学系统最大可将粒子尺寸放大，但由于大于100 μm的粒子在撞击胶卷时可能出现破碎，此类仪器只在测量粒径在10~100 μm的小粒子时有较高的可信度 [ 38]。

2.2　直接成像式探测器

直接成像式探测器是一种使用光学成像方法直接对进入仪器内部成像区域的粒子进行成像测量的球载云降水粒子测量仪器。这类仪器可以直接得到粒子的图像，并基于图像数据进一步获得粒子形状、直径、粒子谱等参数。直接成像式探测器可分为两类，一类是普通成像探测，代表性仪器是视频探空仪（Videosonde） [ 21, 22, 39]和粒子大小图像速度综合测量仪（Particle Size, Image, and Velocity，PASIV） [ 23]；另一类是全息成像探测，代表性仪器是数字全息成像仪（Digital Holographic Imager） [ 15]。

普通成像探测的探测器主要是利用面阵式成像仪或摄像机在气球升空过程中直接对落入成像空间的粒子进行拍照。与碰撞取样式探测器相比，其优点是能够直接测量悬浮在空气中没有变形的粒子的图像 [ 40]。但受限于成像分辨率，目前只能对毫米级的大粒子进行较为准确的测量。1990年Takahashi [ 21]设计了PPIS（Precipitation Particle Image Sensor），后改称视频探空仪 [ 22]（为便于区分各种版本的视频探空仪，之后简称为Videosonde_T）。其主要部件是摄影机、闪光灯和红外光源。当直径大于0.5 mm的粒子通过镜头上方的红外光束时，摄影机镜头上方工作频率为2 Hz的闪光灯会被触发，此时成像区域的粒子会被像素分辨率0.1 mm摄影机拍摄下来 [ 39]。2012年，Suzuki等 [ 39]开发了新型的带有多个接收器的数据接收系统，使具有不同无线电频率的视频探空仪能够在短时间间隔内连续发射，同时改进了Videosonde_T的硬件设计，使其成本更低、重量更轻、图像更清晰 [ 42]。为了更准确地研究云滴和小冰晶的尺寸分布，在应用时也可以选择在Videosonde_T上额外安装一个类似HYVIS的碰撞取样成像系统 [ 43]，Videosonde_T和碰撞取样成像探头拍摄的图像通过仪器上的无线电模块分时传输到地面 [ 44]。2004年，Boussaton等 [ 22]设计了一种简化的视频探空仪（Videosonde_B），仪器的主要部件是1台帧率25 Hz的摄影机和2个提供持续照明的卤素灯。不同于Videosonde_T直接拍摄粒子的方法，该探测器通过拍摄粒子的光学阴影来确定粒子大小。粒子经过成像区域时，位于摄影机左右两侧的卤素灯会投射出粒子的2个阴影，根据2个阴影中心的距离可以确定粒子到摄像机的距离，以修正强迫透视引起的误差，最后根据阴影的像素确定粒子的实际尺寸。2015年美国国家强风暴实验室开发了多传感器综合测量系统PASIV [ 23]，提高了仪器对粒子的采样率和图像质量。PASIV是同时装配光强衰减探头（工作原理可参考第2.4节）和光学成像探头的组合探头，两个探测器相互独立，其测量结果可以用来相互验证，以提高数据的可信度。当粒径大于0.3 mm的粒子通过光强衰减式探测器时，探测器可以测量粒子的粒径和下落速度，同时对粒子计数。粒子继续下落会通过成像室，此时粒径大于0.1 mm的粒子会被帧率24 Hz，像素1 920×1 080的高清摄像机记录下来，其粒径分辨率约为0.1 mm。由于成像室有LED提供持续照明，因此PASIV可以连续对落入成像室的粒子成像，在一次飞行中可以采集几十万个粒子的高清图像 [ 45]。但相比于使用闪光灯频闪照明，这种持续照明拍照的方式信噪比更低，难以检测到小粒子。PASIV将大量测量数据记录在小型闪存上，待探测完成后根据GPS位置信息回收仪器，再分析处理测量数据。

全息成像探测主要是利用数码相机记录云粒子的干涉图样，并通过计算机对图像进行数值重建粒子的三维立体图像的探测手段。2016年，Comerón等 [ 15]研制了一种低成本、轻质量的球载云粒子全息成像仪。该仪器采用相机、激光器和采样空间彼此同轴的光学结构，以保证在不使用任何透镜或复杂的光学部件的条件下最大化粒子干涉条纹的可见性，CMOS相机的像素为2 560×1 920，系统的刷新率为30 FPS。辅以模块化设计的激光光束放大和透镜准直系统，该仪器在最高分辨率下可以检测到粒径约5 μm的粒子，如果降低分辨率则可达到最大10 cm 3的采样体积，可以适应对分辨率或采样体积有不同需求的应用场景。对原始测量数据进一步处理，可重构三维空间云粒子大小及分布，甚至可以得到云粒子的轨迹，进而研究云层的微尺度湍流特性，具有很大的发展潜力。但其数据量较大且重建和数据分析需要很高的计算能力，目前尚处于实验研究阶段 [ 46]。

2.3　光学散射式探测器

光学散射式探测器是一种通过测量采样区内粒子引起的光散射强度的变化，进而获得粒子相态、光学特性以及谱分布等参数的球载云降水粒子测量仪器。这类仪器一般用于进行气溶胶粒子的测量，也有一些可以进行云粒子参数的测量，如光学粒子计数器（Optical Particle Counter， OPC） [ 14]、云粒子探测器（Cloud Particle Sensor， CPS） [ 24]和通用云气溶胶探测系统（Universal Cloud and Aerosol Sounding System， UCASS） [ 25]。Tsuchiya在1996年设计了第一个球载OPC [ 14]，之后Sugita等 [ 47]、Kasai等 [ 48]、Iwasaki等 [ 49]、Gao等 [ 50]又分别设计了不同型号的OPC，虽然仪器的设计各不相同，但原理都是使用激光/气体二极管或卤素灯照射进入仪器内部的粒子，经光电检测器测量其前向或侧向散射光，从而得到粒子的尺寸信息，由于工作时需要使用空气泵吸入气体，OPC的尺寸和质量都很大。1991年，Rosen等 [ 51]研制了后向散射探空仪（Back scattersonde），后向散射探空仪携带光源，在气球上升过程中向云层发射光束，通过仪器内的光电检测器测量云层在2个特定波长的后向散射，从而得到云层的后向散射比。在一些应用中，设计者对后向散射探空仪进行了改装，使仪器可以测量后向散射光的偏振信息，以得到云粒子的形状信息 [ 52]。2008年，苏黎世理工大学的Frank博士在后向散射探空仪的基础上重新设计了紧凑型光学后向散射和气溶胶探测器（Compact Optical Backscatter and AerosoL Detector， COBALD） [ 53]，大大降低了仪器的尺寸和质量，使后向散射探空仪得到更广泛的应用。这些仪器主要用于研究气溶胶的特性，但也可用于卷云和极地平流层云等冰云的研究。

2016年，Fujiwara等 [ 24]在OPC的基础上，设计了可以同时测量云滴相态和谱分布的CPS。该设备的主要部件是1个波长790 nm的半导体激光器和2个光电探测器（分别相对于光源方向以55°和125°的角度放置）。光电探测器探测到的散射光脉冲的峰值电压和粒子的直径有关。对这些脉冲进行计数，可以得到通过采样区的粒子的数量。在其中一个探测器前有一个透过率为34%~35%的偏振板，利用偏振信息可进行云相态识别。2019年，Smith等 [ 25]设计了一种低成本、轻质量、可用于上升或下投式探空的光学粒子计数器UCASS(Universal Cloud and Aerosol Sounding System)。其基本测量原理与传统的光学粒子计数器 [ 45]类似，但开放式几何设计解决了传统的与窄入口相关的阻塞和与复杂气流系统相关的计数不确定性等问题。仪器目前可提供测量粒子尺寸范围为0.4~17 µm的版本和1~40 µm的版本。其测量数据既可以保存在小型闪存内，也可以通过接口与无线电探空仪传输模块连接，实现数据的实时传输。光学散射探测器一般设计简单轻便，对小粒子较为敏感。当粒子数浓度较大时，探测区域内存在粒子重叠和多次散射，对测量结果有较大影响。此外，这类设备在白天运行时，太阳杂散光会严重影响到系统的性能。

2.4　光强衰减式探测器

光强衰减式探测器是一种利用粒子落到平行光束内引起光电二极管阵列接收到的光强衰减进行粒子测量的球载云降水粒子测量仪器。由于云滴引起的衰减较小，目前主要用于测量降水粒子的尺度谱和下落速度。代表性仪器是Minda等 [ 26, 27]设计的低成本激光雨滴谱仪（Low-cost Laser Disdrometer，LLD）。这类设备的基本原理与地面常用的Parsivel激光雨滴谱仪类似。激光经准直后形成有一定宽度的准平行光束，粒子通过光束会造成光强衰减，此时接收端的光电二极管阵列会记录粒子的灰度图像，图像的阴影像素可用于确定粒子直径，再根据粒子直径估算雨滴的下落速度。目前，Minda等 [ 26, 27]设计了2个型号的激光雨滴谱，分别是LLD128和LLD384。区别在于前者的光电二极管阵列是128个像素，后者是384个像素，每个像素点的大小为0.125 mm。LLD128的线性光电二极管阵列的探测宽度为16 mm，扫描速度为24 kHz，可以测量霰和雨滴，最大可测量粒径为10 mm的粒子；LLD384的线性光电二极管阵列的探测宽度为48 mm，扫描速度只有13 kHz，可以捕获雪花图像，但不足以捕获雨滴，仪器最大能测量粒径14 mm的雪花。这类探测器的主要优点是产生的数据量小、数据实时处理速度快。不足之处是不能确定粒子的形状，粒子可能不是假定的球形雨滴形态，这会产生测量误差。并且在有风的情况下，可能会对具有明显倾斜角度的雨滴造成严重的低估。有时探头还会检测到从仪器外壳上溅落到采样空间的假雨滴，虽然可以利用雨滴和假雨滴之间的不同下落速度排除假雨滴，但这会产生大量的扫描图像，造成相当大的观测死区，影响雨滴的捕获率 [ 54]。目前，LLD尚处在实验研究阶段，还没有正式投入使用。

2.5　电荷测量式探测器

电荷测量式探测器是一种利用感应环对带电粒子进行电荷测量的球载云降水粒子测量仪器。代表性仪器是Marshall等 [ 12]研制的球载粒子电荷仪（Particle Charge Instrument，PCI）。PCI的主要部件是3个垂直堆叠的铝环，带电粒子依次通过不同的铝环时，会分别产生不同的脉冲，根据铝环的脉冲幅度计算粒子电荷量，利用脉冲的时间延迟还可以计算粒子的下落速度。值得注意的是，这种测量原理的电荷探测器，其测量的诱导电荷只是粒子实际电荷的一部分，感应电荷与粒子电荷的比例和感应环的形状有关 [ 55]。由于这种测量电荷的方式较为简易，很多其他类型的探测器加装了电荷感应环，以同时获得粒子尺度和电荷信息。如Bateman等 [ 28]设计了可以同时测量粒子电荷、下落速度和等效面积的仪器 q- d（Charge q and Size d）。其通过将PCI底部的电荷感应铝环换成可以检测光强的尺寸传感器，实现了粒子直径的测量。其原理类似于第2.4节的光强衰减式探测器。此外，第2.3节介绍的2种视频探空仪，均安装了简化版电荷测量组件 [ 56]，仪器可同时测量粒子电荷、大小、形状。与PCI不同的是，视频探空仪的电荷脉冲经过单片机处理后直接显示在仪器内部的LED屏幕上，粒子触发闪光灯时，摄影机会同时记录粒子图像和粒子电荷量 [ 57]。由于视频探空仪的一次测量过程可以记录几千个粒子的图像 [ 58]，有时会存在电荷信号重叠和多个粒子一起成像的情况，此时无法确定单个粒子上的电荷，并且这一现象是普遍存在的。

3 典型应用

球载云降水粒子探测器已发展成为一类非常重要的现场测量仪器，在获取实际云层中冰晶的精细结构和尺度分布、研究云降水参数测量新方法并对遥感反演结果验证、揭示云降水过程物理机理并改进参数化方案以及探测雷暴云中云降水粒子微物理结构和电荷分布等方面发挥了重要作用。

3.1　获取实际云层中冰晶的精细结构和尺度分布

获取实际云层中冰晶的精细结构和尺度分布一直是球载云降水粒子探测器的重要应用方向。Magono等 [ 11, 59]和Tazawa等 [ 60]使用球载雪晶探空仪SCS分析了日本小樽市冬季降雪云中冰晶的垂直分布，研究了其生长速率和生长方式，验证了雪晶形状与气象因子的关系。利用冰晶复制器CPR和其他现场测量仪器在ISCCP（International Satellite Cloud Climatology Project）区域试验的卷云试验期间（FIRE-II）获得的数据 [ 17]，Nasiri等 [ 31]开发了一种体现云微物理特性在垂直方向上变化的中纬度卷云散射模型，Heymsfield等 [ 61]研究了云光学厚度、冰水路径和有效半径与质量中值直径之间的定量关系，Hong等 [ 62]研究了冰晶粒子的单次散射特性并在此基础上开发了新的冰云短波和长波辐射特性的参数化方案。在1994—2007年，科学家在日本筑波市多次利用HYVIS进行卷云现场测量。基于这些数据，Orikasa等 [ 63]发现卷云顶部主要是子弹状冰晶，而低层是相当数量的平板状冰晶。Orikasa等 [ 38]得到了卷云冰晶尺度谱的垂直分布特征，发现冰晶粒子浓度的变化范围为10 -1~10 2 L -1。Seiki等 [ 64]改进了NICAM（Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model）的冰云微物理和辐射模型，新的模型减少了经验公式的使用，并考虑了冰粒形状的影响。Yoshida等 [ 65]利用HYVIS和辐射探空仪的联合观测数据，验证了简单冰云模式的辐射传输计算适用于相对均匀的冰云层，而对于非均匀和复杂的云场则与实际观测结果有较大差距。自2012年以来，Kuhn等 [ 20]和Wolf等 [ 37, 66]利用B-ICI在瑞典基律纳市（68°N）进行了10次北极云微物理参数测量，研究了云在不同天气条件下的形成机制并分析了不同形成机制对粒径分布的影响，在此基础上提出了新的北极地区卷云粒径分布的参数化方法。

3.2　研究云降水参数测量新方法并对遥感反演结果验证

球载云降水粒子探测器获得的粒子形状信息是开发偏振天气雷达水凝物分类的重要数据。Nakakita等 [ 67]利用视频探空仪Videosonde_T多次观测获得的降水粒子数据，结合C波段偏振天气雷达数据开发了一种水凝物分类技术。Kouketsu等 [ 68]利用HYVIS的观测数据，验证了一种基于模糊逻辑法的X波段偏振雷达水凝物分类方法。此外，一些学者利用球载云降水粒子探测器获得的数据进行遥感方法和遥感结果的验证。Matrosov等 [ 69]利用CPR的观测数据，导出了冰水路径IWP与云光学厚度之间的关系，并基于这一结果验证了他们提出的利用35 GHz云雷达数据估算冰云光学厚度的方法。Baum等 [ 70]基于CPR和其他仪器的观测数据开发了可用于反演全球冰云的云光学厚度和云粒子大小等微物理和光学特性的模型。Ou等 [ 71]发展了一种从CPR数据中推导光学厚度和平均有效冰晶尺寸的方法，并对其提出的基于甚高分辨率辐射仪（AVHRR）3.7 μm和10.9 μm通道的反演方案进行了验证。Sakai等 [ 72]利用HYVIS测量数据计算出消光系数和光学厚度，并与拉曼激光雷达的测量数据进行了比较，结果表明现有的卷云反演算法存在较大误差，进行连续的原位测量以校正反演算法是十分必要的。Fujiwara等 [ 24]利用CPS测量了不同地区云层的垂直结构并与陆基激光雷达的观测结果相对比，证明了陆基激光雷达系统是连续云测量的有力工具。Waugh等 [ 73]基于PASIV对暴风雪的观测数据，发现无线电探空仪外壳在云内结冰会导致温度廓线存在误差，这是探空仪得到的融化层与S波段双偏振天气雷达WSR-88D的观测存在差异的原因。

3.3　揭示云降水过程物理机理并改进参数化方案

球载云降水粒子探测器是研究云降水过程物理机制的有力手段。在层状云降水的研究方面，基于HYVIS的观测数据，Murakami等 [ 74]提出了暖锋层状云系降水形成的主要机制，Ohigashi等 [ 75]研究了冬季层状云降水的结构和维持机制，Oue等 [ 76]结合X波段偏振雷达和激光雨滴谱仪数据研究了梅雨季节层状云强降水物理过程。Takahashi等 [ 77]利用带电荷测量功能的视频探空仪Videosonde_T对夏季层状云降水进行了观测研究，揭示了融化层附近存在负偶极子的特殊层状云的形成机理。在对流云降水的研究方面，Murakami等 [ 78]利用HYVIS、X波段多普勒雷达、C波段双偏振雷达和微波辐射计观测资料研究并揭示了对流云降雪的微物理和热力学结构。Watanabe等 [ 79]利用Videosonde_T的测量数据分析了对流云降雪中的降水粒子分布随冷空气发展的变化。基于HYVIS的观测数据，Ikawa等 [ 80]验证了一种用于考虑不同类型降水粒子的形成过程、数量及混合比和冰成核率对降水形成影响的云微物理参数化方案。此外，一些科学家，如Hayashi等 [ 81]、Vömel等 [ 82]、Kivi等 [ 83]和Khaykin等 [ 84]利用多种光学散射式探测器对极地平流层云进行了观测，获得了极地平流层云的垂直廓线并开展了极地平流层云形成机理研究，研究发现温度波动是影响极地平流层云分布的主要原因，极地平流层云的变化会影响极地的水汽垂直分布。

3.4　探测雷暴云中云降水粒子微物理结构和电荷分布

与机载探测相比，使用球载云降水粒子探测器可以更为安全地进行对流云甚至雷暴云的结构探测。Marshall等 [ 12, 85]和Stolzenburg等 [ 86]利用多次发射球载粒子电荷仪PCI的测量结果，提出了雷暴对流区电荷结构的三极概念模型，并首次探测到雷暴云具有反极性电荷结构。Bateman等 [ 87]利用q-d探空仪研究了中尺度对流系统的电荷结构和粒径分布。Takahashi等 [ 43]利用Videosonde_T研究了东亚地区雷暴云的电荷结构及降水形成机制，提出了一个具有静止回波、单体合并和降水积累等特征的暴雨系统模式 [ 88]，建立了飑线中水凝物质量、数量和空间电荷演化的概念模型 [ 41]，结合多普勒雷达、场磨式电场仪和便携式X波段雷达的观测结果验证了由霰和冰晶形成的三极电结构是一种合理的空间电荷分布形式 [ 56]。利用HYVIS-Videosonde_T联合探空仪，Takahashi等 [ 89]获得了冬季雷暴云中的降水粒子类型、电荷和云水含量，验证了多个电荷分离极性、大小与云水含量和温度的关系模型，并对其中的差异进行了合理解释。Waugh等 [ 23, 45]利用PASIV测量了多个雷暴单体的内部微物理结构，统计了云中粒子的粒径分布，并和球载电场仪、无线电探空仪、多普勒雷达测量数据结合，研究了云粒子与闪电、大气电场的关系，证明环境温度是影响霰粒子碰并产生的非感应起电机制的主要因素。

4 发展展望

球载云降水粒子探测器逐渐成为一种重要的云降水微物理参数现场测量仪器。目前，碰撞取样式探测器和光学散射式探测器多用于对云粒子微物理参数进行测量；直接成像式探测器和光强衰减式探测器多用于对降水粒子微物理参数进行测量；球载电荷测量式探测器主要采用感应环这种简易测量技术对粒子电荷进行测量。上述各种类型的探测器各有优势和不足之处，在实际应用过程中解决了不同探测目的的观测难题。主要发展趋势有：

（1）向更高分辨率、更多信息含量方向发展。对云和降水粒子形状的准确成像需求将推动高分辨率光学成像系统应用于球载粒子探测，而低成本全息成像技术的运用使同时测量大尺度空间以获取更多信息成为可能。当然，这必然会导致需要传输和处理的数据量大幅增加。随着器件处理速度的提升，可以考虑将图像在前端直接处理。在需要发送图像的场合也可以采用更高数据率的发送体制，如正交频分复用调制技术，以提高数据传输的稳定性和传输速率。

（2）轻巧型光学散射式探测器将更加可靠实用。粒子的后向散射特性、偏振特性一定程度上反映了其微物理特性，光学散射式探测器测量结果可进一步推算得到云的边界、相态、粒子浓度等信息。相较于其他测量方法，其结构简单、成本更低且方便耐用，是一种有很大潜力发展成为业务化球载粒子探测的手段。为进一步提升此类设备的可靠性，需要研究采用更窄带的光学系统以提高信噪比，同时，需要研究如何压制光学接收角和控制信号的调制解调带宽以对抗白天的杂散光干扰。此外，应引进先进的信号处理技术以减小粒子谱分布的估算误差。

（3）多要素多传感器综合集成观测将成为更加普遍的科学测量模式。与机载粒子探测器存在众多类型一样，一个或一类球载云降水粒子探测器不可能实现所有要素的测量。多传感器综合观测可以实现更多要素的获取，并能实现要素之间一定程度的相互印证。目前已有的联合探测器主要是多个传感器的简单组合。未来的发展方向应该是设计多种传感器模块化融合的一体式综合测量仪器，从而实现高性能高可靠性地进行云降水粒子多要素综合测量。这类仪器如果数据量很大或者设备价值较高，则可以考虑采用气球平台、下投式滑翔机或有控小型无人机搭载开展回收式观测。

当前，我国在球载云降水粒子探测器的研究方面非常薄弱，只有个别单位进行了初步研究 [ 90, 91]，应尽快开展相关技术研究和设备研制工作。充分结合科学需求和各种探测方式的优缺点，平衡好探测性能与仪器成本、测量要素与设备复杂度、探测信息保真与数据信道带宽之间的矛盾，研制出高性能国产球载云降水粒子探测器。当然，这类传感器可以不局限于只搭载在气球平台上，也可通过适当改良后搭载于小型无人机平台或其他平台进行使用。一旦有所突破，将为我国云降水物理研究提供有力科学工具。

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