光学雨滴谱仪测量精度的实验室量化：对降水微物理特性及衍生参数准确性的影响

《Atmospheric Research》：On the accuracy of optical disdrometer measurements

本文针对光学雨滴谱仪测量精度的长期不确定性，首次在实验室环境下，利用专门开发的校准雨滴发生器，对OTT Parsivel2和Thies LPM两款广泛使用的光学透射式雨滴谱仪进行了系统性校准。研究量化了其对雨滴尺寸和下落速度测量的仪器偏差（可分别高达-20%和±10-15%），并评估了此偏差对降雨强度、动能通量和雷达反射率等衍生积分特性的影响。结果表明，光学雨滴谱仪存在显著且与位置相关的系统偏差，强调了其在用于雷达校准或与其他降水测量仪器比较前进行实验室校准的极端重要性，同时也揭示了其在测量降雨总量方面尚无法可靠替代传统雨量计。本研究为评估和改善非接触式降水测量仪器的准确性提供了关键的计量学依据。

　　

天空降下的每一滴雨，其大小、形状和坠落速度，都是大气降水微物理特性的基本密码。解读这些密码，对于气象预报、气候模型、水文研究乃至土壤侵蚀评估都至关重要。而承担这一解码任务的“侦察兵”，便是雨滴谱仪（disdrometer）。其中，无需接触雨滴的光学雨滴谱仪凭借其维护简便的优势，应用日益广泛，甚至被当作“地面真值”用于校准气象雷达、验证卫星和新兴传感器。然而，一个被长期忽视的问题是：这些被寄予厚望的仪器，其测量结果究竟有多准确？人们常常默认厂家提供的校准数据是可靠的，但不同仪器在野外观测中时常出现的矛盾结果，让研究者们不得不质疑其背后可能存在的仪器固有偏差。量化这种偏差，成为了确保所有依赖雨滴谱仪数据的研究与应用可靠性的当务之急。

为了回答这一核心问题，意大利热那亚大学的研究团队在《Atmospheric Research》上发表了一项开创性的研究。他们首次在实验室环境中，对两款广泛应用的光学透射式雨滴谱仪——OTT Parsivel²和Thies Laser Precipitation Monitor (LPM)——的测量精度进行了系统、严格的量化。研究旨在揭示这些仪器在测量单个雨滴尺寸（直径）和下落速度时存在的固有偏差，并探究这些偏差如何影响由其衍生的关键降水参数，如降雨强度、动能和雷达反射率。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用在欧洲计量研究计划（EMPIR）框架下专门开发的、具有计量可追溯性的校准雨滴发生器（Calibrated Rainfall Generator, CRG）。该装置能按需生成已知尺寸的单个水滴，并控制其释放。其次，采用一套高速摄影测量验证系统（Photogrammetric Verification System, PVS），通过频闪照明在液滴穿过被测仪器感测区域前，对其直径和速度进行高分辨率成像，以此作为“参考真值”。最后，通过将雨滴谱仪的测量值与PVS提供的参考值进行比对，计算百分比相对偏差，并利用蒙特卡洛模拟方法，将单个雨滴的测量偏差传播到积分降水特性的估算中。

研究结果

1. 雨滴形状对校准结果的影响

研究人员首先考察了雨滴在飞行中因未达到终端速度而产生的形状振荡是否会影响测量。通过结合PVS图像和基于瑞利模型的分析，他们发现，尽管雨滴形状（以偏心率ε表示）变化显著，但两种仪器在测量直径和速度时，其偏差并未表现出与偏心率明显相关的趋势。这表明仪器可能通过信号积分等方式，在一定程度上考虑到了形状变化。然而，测量结果存在较大离散度，这可能与传感器采样频率不足有关。

2. 雨滴尺寸和下落速度测量的偏差

这是本研究的核心发现。校准结果显示，使用金属球和真实水滴进行测试得到的结果存在显著差异，表明使用金属球等替代物进行校准并不适用于光学雨滴谱仪。具体到仪器表现：

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  OTT Parsivel²：对于水滴，其直径测量偏差在+5%到-10%之间波动，总体上倾向于低估；下落速度则普遍高估约5%-10%。
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  Thies LPM：对于水滴，其直径普遍低估，峰值可达20%，在使用内部后处理算法（PSVD矩阵输出）时，低估甚至可达40%；下落速度则普遍低估，最高达15%。

更重要的是，测量偏差并非均匀分布。对于Thies LPM，沿激光光束方向（从发射端到接收端）存在明显的梯度：靠近发射端的物体尺寸被高估，而靠近接收端的则被低估，两端差异最高可达30%。这种空间不均匀性极大地影响了测量的准确性。

3. 积分特性的测量偏差

通过蒙特卡洛模拟，研究评估了单个雨滴的测量偏差如何传导至降雨强度（RI）、动能通量（E）和雷达反射率（Z）等积分参数。结果显示，两种仪器都显著低估了这些积分特性，尤其是在低降雨强度下。随着降雨强度增加，性能有所改善，因为大滴的贡献增加，而仪器对大滴的测量偏差相对较小。总体而言，Thies LPM由于对直径和速度的系统性低估，其积分特性的偏差比OTT Parsivel²更为严重。例如，在低强度降雨时，Thies LPM对RI和E的低估程度可达OTT Parsivel²的三倍或更多。

研究结论与意义

本研究通过精密的实验室校准，首次系统量化了两种主流光学雨滴谱仪在测量雨滴尺寸和下落速度方面的显著仪器偏差，并揭示了这种偏差在仪器感测区域内的空间不均匀性。核心结论是：光学雨滴谱仪并非“即插即用”的绝对真值传感器，其测量存在不可忽视的系统误差。

这项研究具有多重重要意义：

1. 1.
   校准必要性的警示：研究强烈指出，在将光学雨滴谱仪用于校准气象雷达、验证卫星降水产品或与其他原位测量仪器进行精确比较之前，必须进行实验室校准以评估和量化其仪器偏差。依赖出厂校准或使用不恰当的替代物（如金属球）进行测试可能引入重大误差。
2. 2.
   数据解读的指导：研究结果为解读现有基于光学雨滴谱仪的观测数据提供了重要参考。当发现不同仪器或与其它类型仪器（如翻斗雨量计）数据存在差异时，应考虑到仪器固有偏差的可能贡献。
3. 3.
   标准与改进的推动：本研究遵循并验证了正在由欧洲标准化委员会评估的潜在标准校准程序，为建立统一、计量学上可靠的雨滴谱仪校准规范提供了实证支持。同时，研究暴露的仪器性能局限（如采样频率可能不足、内部算法不透明）也为制造商的未来改进指明了方向。
4. 4.
   应用领域的启示：尽管光学雨滴谱仪能提供单个雨滴的宝贵信息，但研究表明，在测量降雨总量（降雨强度积分）方面，它们目前尚无法可靠地与传统雨量计竞争。这对于依赖其进行水文定量分析的应用是一个重要提示。

总之，这项工作如同一把精密的标尺，为降水微物理测量领域进行了关键的“计量”，提升了整个领域数据的可靠性与可比性，对未来降水观测网络的建设、遥感产品的验证以及跨学科研究的开展都具有深远影响。