刘思瑶，赵传峰，周毓荃.2021.SPEC 机载云探测系统及其云物理研究进展[J].暴雨灾害,40(3):280-286 LIU Siyao1,ZHAO Chuanfeng,ZHOU Yuquan.2021.SPEC airborne cloud detection system and its cloud physics research progress [J].Tor-rential Rain and Disasters,40(3):280-286
SPEC 机载云探测系统及其云物理研究进展
刘思瑶1，赵传峰1，周毓荃2
(1.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京100875；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京100081)摘
李先念的女婿要：在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上，对新一代机载云探测系统SPEC 的系统组
成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明，并探讨了近年来国内外相关研究进展。随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度要求的日益提高，以往使用的粒子观测系统(PMS)等云探测系统已无法满足一些科学试验的需求；SPEC 与很多其他云探测系统相比，在精密程度、探测粒子的信息量、分辨率等方面具有很大的探测优势，这对于云物理更深入的研究是非常重要的。国外研发并应用SPEC 系统已有几十年的时间，而我国近年开始引进并越来越多地使用这套探测系统来探究云的宏微观 物理特性，这必将使得对云物理的理解更加深入。关键词：机载云探测系统；机载探头；云探测；云物理；粒子观测系统中图法分类号:P412.24
文献标志码：Ａ
DOI ：10.3969/j.issn.1004-9045.2021.03.006
SPEC airborne cloud detection system and its cloud physics research progress
LIU Siyao 1，ZHAO Chuanfeng 1，ZHOU Yuquan 2
(1.College of Global Change and Earth System Science,Beijing Normal University ，Beijing 100875；2.Key Laboratory for Cloud Physics of China Meteorological Administration,Beijing 100081)
Abstract ：Based on a comprehensive introduction of the development history,application situation,advantages and disadvantages of China's airborne cloud detection systems,this paper gives a detailed description of the system composition,detection principle,detection method and detection range of the new generation of airborne cloud detection system SPEC and discusses the recent domestic and foreign research pro⁃gresses.With the increasing requirements by scientific co
mmunity on the precision and accuracy of cloud detection,cloud detection systems such as particle measurement system (PMS)used in the past have been unable to meet the needs of some scientific experiments.Compared to many other cloud detection systems,SPEC has great detection advantages in terms of precision,information amount and resolution of detect⁃ed particles.This is very important for more in-depth research on cloud physics.The SPEC system has been developed and applied abroad for decades,and China has introduced it recently and applied this detection system more and more to explore the macro-and microphysical cloud characteristics,which will definitely help us better understand the cloud physics.
Key words ：airborne cloud detection system;airborne probe;cloud detection;cloud physics;particle measurement system
收稿日期：2020-07-06；定稿日期：2020-10-18
资助项目：国家自然科学基金项目(41925022，91837204)；河北省社会发展科技处重点研发计划民生科技专项(20375402D)；国家重点研发专项(2017YFC1501403，2019YFA0606803，2016YFA0601701)
第一作者：刘思瑶，主要从事云降水物理研究。E-mail:**********************通信作者：赵传峰，主要
从事云降水物理和气溶胶研究。E-mail:*************
引言
云通过其微物理参量(云粒子大小和相态等)、宏观参量(覆盖范围、高度、厚度等)与太阳短波辐射和地气的长波辐射发生作用，使其成为影响地气辐射能量收支平衡最重要的参量(傅云飞和冼桃，2017)。云降水不仅是全球及区域水循环过程的重要环节，也是气
候变化的重要指示剂，为此各国科学家从不同方面对
云降水进行了广泛的研究(傅云飞，2018)。其中了解降水云水平分布和垂直结构及其微物理特性十分重要(傅云飞等，2007)，而可靠的云微物理探测设备可以帮助更好地理解云结构、云降水和云辐射过程。飞机探测通过在飞机上搭载云微物理探测设备对云进行直接探测，可获得较可信的高时空分辨率的云参数。
暴雨灾害
TORRENTIAL RAIN AND DISASTERS
Vol.40No.3Jun.2021
第40卷第3期2021年6月
第3期
为此我国近年来陆续引进多套机载云物理探测系统，大体分为三代：PMS(Particle Measuring Systems)、DMT
(Droplet Measurement Technologies)和SPEC(Stratton Park Engineering Company)。
机载PMS粒子测量系统是20世纪70年代后期开始在世界各地逐步被广泛采用的云微物理观测仪器(Knollenberg et al.，1981)。该套设备能够实时测量大气中0.5~6400μm的粒子的谱分布，并可以给出25~6200μm的粒子的二维图像。中国气象科学研究院人工影响天气中心于1981年开始引进这一系统，并逐步运用到一些外场试验中，取得了很多有价值的云微物理观测资料。很多气象工作者通过对PMS探测资料的深入分析，研究了人工影响天气的相关科学问题(游来光，1991，1994；段英等，1998；胡志晋，2001；陶树旺等，2001；孙玉稳，2015；Yang et al.，2019；Dong et al.，2020)。例如，黄梦宇等(2005)利用PMS观测对华北地区春秋两季层状云及降水的微物理特征进行了统计分析，给出了相关云参数；Zhao等(2019)利用PMS观测揭示了华北地区个例层状云的微物理垂直结构。在应用PMS仪器过程中，一些问题也逐渐被发现和改进，包括因资料不能在飞机上实时处理和显示、磁带容量有限等问题(刘卫国，2001)，然而虚假粒子等问题依然存在。随着研究人员对探测精细程度
要求的日益提高，PMS系统已无法满足一些科学试验的需求(Bau⁃mardner et al.，1985；Cooper，1988；Brenguier，1989；Law⁃son，1995)。
因PMS探头的诸多不足，NCAR大气技术部的研究人员于1988年成立了一个新的公司DMT，并于2006年5月收购了美国PMI(Porous Materials Inc)公司中大气物理测量设备的生产线，依靠最新的电子技术，推出了一系列革新探头(马新成，2006)，其产品广泛应用于大气物理观测研究、人工影响天气观测研究等领域。DMT探测系统能够实时测量出大气中0.055~6200μm 的各种粒子的谱分布，并能给出25~6200μm的粒子二维图像，其最显著的优点是采用了光电集成新技术，使仪器在使用中的稳定性明显提高，同时也更易于维护和操作使用。该套探测设备在中国得到了广泛应用。彭冲等(2016)通过对山西一次低槽冷锋层状云DMT探测，结合卫星、雷达、探空等多种探测资料，对云微结构的进行精细分析。孙鸿娉等(2014)对64架次山西飞机DMT云物理观测结果进行研究，分析了降水云和非降水云系的微物理特征量的显著差异并给出了云的微物理参数。蔡兆鑫等(2019)利用山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展的国内首次大陆性积云飞机穿云探测资料，分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性。
在近年的对比试验分析中，Baumgard和Korolev (1997)、Strapp等(2001)研究结果表明2D-C(Optical Ar⁃ray Grey Probe)探头的时间响应受到光电二极管阵列和一级放大器的时间常数限制，导致在空速高于120m·s-1的情况下，探头对小于100μm粒子的灵敏度显著降低。光电尺寸与计数的组合误差会导致
小于100μm 粒子的尺度分布(particle size distribution，PSD)出现较大的数量级误差。此外，2D-C探头相对较粗的有效像素(约25~75μm，取决于空速)，无法提供足够的空间分辨率来确定大多数小于300μm粒子的形状和相态。SPEC云粒子探测系统作为一种新的光学成像系统，克服了上述局限性。Lawson等(2006)进行了相关对比试验，NCAR在科罗拉多前山脉以东利用C-130搭载2D-C、2D-S(The Two Dimensional,Stereo Particle Imag⁃ing Probe)和CPI(the Cloud Particle Imager)在-13℃处的混合相态的上坡云中收集的粒子图像进行对比，发现2D-S显示出更多的冰晶结构细节，其立体视图也揭示了其优越性，因为从粒子的单个阴影图像中无法确定粒子三维结构的详细信息。CPI很容易看到云滴，导致其成像激光探头响应主要由高浓度云滴所主导，因此当较大的冰晶颗粒进入样品体积时，它通常是无效的。相比较而言，2D-S检测“更早”进入波云横断面小冰晶的能力可以为更好地了解云中冰的成核过程提供基础。在冷云的一次对比观测中，2D-S观测到了卷云(-45℃)中小颗粒的冰晶向玫瑰状冰晶的转化过程，而2D-C几乎没有反应；当CPI图像已确认探测到许多较大的(大于100μm)可辨别的莲座状粒子，且在2D-S图像中可以识别为莲座状时，2D-C仅看到1~5个像素的图像，其形状无法确认。在40s的时间内2D-S记录的总颗粒数为268897颗，而2D-C为264颗。这些观测对比结果均表明了SPEC云粒子探测系统的优势。本文将详细介绍SPEC云粒子探测系统及其在云物理研究中的应用进展。氨基酸合成
1SPEC云粒子探测系统概述
话语标记
SPEC探测系统是由美国Stratton Park Engineer⁃ing Company(SPEC)公司研发生产的。1989年SPEC得到美国国家科学基金会(NSF)的项目资助，研发了第一个云粒子探头-高容量降水粒子光谱仪(The High Vol⁃ume Precipitation Spectrometer，HVPS)。此后，SPEC不断参加大型科学项目试验，在实践探索中不断创新提高探测系统的探测能力。在过去30a中，SPEC科学家、工程师和技术人员参与了100多个研究项目，一直处于云粒子探测器开发的最前沿，从而使其仪器得到
刘思瑶，等：SPEC机载云探测系统及其云物理研究进展281
第40卷暴雨灾害
了越来越广泛的应用和认可。SPEC机载云探测系统将二极管升级到128个(DMT64个，PMS32个)，并保留单个粒子的电信号。这虽然使得数据量很大，但为后续数据的质控带来方便，而质控是飞机探测云物理试验的关键环节。该系统主要包括：FFSSP(Fast For⁃
ward Scattering Spectrometer Probe)、FCDP(The Fast Cloud Droplet Probe)、HVPS(The High Volume Precipi⁃tation Spectrometer)、2D-S组合探头、3V-CPI(3-View Cloud Particle Imager)组合探头等。由于FFSSP主要由老的PMS系统中的FSSP(Forward Scattering Spectrom⁃eter Probe)改装电路板等得到，探测原理等与熟知的FSSP大致相同，故本文不再对其赘述。
2SPEC云粒子探测系统的探测原理
2.1FCDP
FCDP是一种前向散射探头，探测范围是1~50μm，共有21个通道，前20个通道的分辨率约为3μm，最后一个通道为超大通道，可探测粒子风速范围为10~ 200m·s-1。它通过测量粒子通过探测器聚焦激光束时散射到探测器的光信号大小来计算粒子的大小和浓度。如图1所示，FCDP由发射和接收臂(内部包含发射和接受光学器件、探测器和探测放大板)、主机(由数据采集系统组成)、支架(主要由电源、激光和加热控制板构成)三个主要部分组成。FCDP可以获取每个粒子详细的信息数据，当想获取更复杂的粒子信息时，可以进行数据的后处理。该仪器可由机舱内的计算机控制，也可设置为在开机时自动运行、收集和存储数据。
接收臂
发射臂
支架
主机
图1FCDP探头(摘自《FCDP英文技术手册》)
Fig.1FCDP probe(Adopted from FCDP Technical Manual). SPEC公司的FCDP英文技术说明书上给出了它的探测原理：一束准直的光纤耦合激光投射在FCDP 的发射和接收臂之间的采样体积上，其中的云粒子使激光束散射。接收臂上的转储点(dump spot)接收被云粒子散射的光。这束光在两个检测器之间被分割：质量检测器和信号检测器。图2是FCDP光学路径示意图。当两个探测器都聚焦一个粒子时，电压会产生一个峰值。由于使用的是50∶50的分束器，如果经过质量检测器检测的粒子电压峰(Qualifier Voltage)高于信号电压峰(Signal Voltage)，则粒子是“合格”的(Well Qualified Particles)。数据采集系统记录每个粒子的特性，如运行时间、传输时间、信号电压、限定电压、面积(伏特总和)和到达峰值的时间。
PARTICLE
TRAJECTORY
UNSCATTERED LASER BEAM
FIBER-COUPLED LASER AND COLLIMATING
LENS SAMPLE
VOLUME
COLLECTION LENS
SYSTEM
DUMP SPOT
BEAM公共自行车服务系统
SPLITTER QUALIFYING
DETECTOR
SLIT
APERTURE
W ACTUAL
SIGNAL(SIZING)
DETECTOR2.4MM×2.4MM
ACTIVE AREA
图2FCDP光学路径示意图(摘自《FCDP英文技术手册》)
Fig.2Diagram of the FCDP optical path(Adopted from FCDP Technical Manual).
2.22D-S
2D-S是一种机载光学仪器，分辨率为10μm，测量范围为10~1280μm，用于测量粒子的大小、形状和浓度。图3是2D-S探头及其探测原理图。2D-S有两个完全相同的垂直于粒子流的正交光学通道，通道内的激光器可以产生约1.3×61mm大小的激光束(图3a)，这束光被定向到一个由128个单元组成的线性阵列上(图3c)，其放大倍数可以在采样体积中产生大约10微米的像素。阵列以与粒子速度成比例的速率采样从而以像素分辨率拍摄图像。图像压缩后发送到数据采集系统(DAS)进行记录和显示。该探头具有两个特点：一是它可以测出粒子通过采样体积时的立体图像；二是它提高了粒子图像的空间分辨率。
282
第3期2.3HVPS
HVPS 是一种机载光学探测器，用于测量大气中水滴和冰晶的大小、形状和浓度，探测范围为150~19200μm ，分辨率为150μm 。图4是HVPS 探头及其激光光束，其探测原理与2D-S 相同。HVPS 的主要组成
部分是一个激光源，它可以产生大约19.2mm×162mm
的光束并从位于光学臂内侧的窗口之间通过。其光学成像原理与2D-S 光学成像原理相同，但其采样体积中光学系统的放大倍数为150μm 像素分辨率。HVPS 的图像拍摄、压缩传输和记录显示方法也与2D-S 相同。
ArrayWidth=128×42.5μm+127×15μm=7.35μm
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Beam length=8mm
Beam width=2mm
15
μm 50μm
42.5μm 42.5μm
(b)
(c)
图32D-S 探头(a、b)及其光学路径示意图(c)(摘自《2D-S 英文技术手册》)
Fig.32D-S probe and the diagram of its optical path (Adopted from 2D-S Technical Manual ).
图4HVPS 探头(a)及其激光光束(b)(摘自《HVPS 英文技术手册》)
Fig.4HVPS probe and its laser (Adopted from HVPS Technical Manual ).
2.43V-CPI
如图5所示，SPEC 公司研发了3V-CPI 来提高CPI 的探测性能。图5a 、b 为CPI 外观图，它是一种可
以捕捉到通过它的粒子的高分辨率图像的大气机载探测仪器，像素分辨率2.3μm ，最高可探测200m ·s -1飞行速度的粒子。它提供了两种相机帧速率：2.0版本的闪烁速率为每秒74帧，2.5版本的图像粒子速率高达每秒400帧。每一帧可以有超过25个粒子成像。CPI 使用单光电二极管作为粒子检测系统(the Parti⁃cle Detection System ，PDS)，由于激光束强度的不均匀性和不可预测的小冰晶粒子的散射特性，使得其灵敏度和对于小于100μm 粒子的探测效率存在问题，这导致了小于100μm 粒子谱分布的不确定性。为了改善这一问题，SPEC 公司将其2D-S 探头的光学和电子元件集成到3V-CPI 中，图5c 、d 分别为CPI 和3V-CPI 的光电原理图，其中3V-CPI 的光学配置显示，128光电二极管线性阵列取代了CPI 的单光电二极管。3V-CPI 实际上是一个集成了2D-S 的每秒400帧的CPI 。3V-CPI 可以分为两个基本部分：第一部分，数据采集系统，安装在机架式计算机机箱内，通常安装在探测飞机的机舱里；第二部分是传感器头
(the Sensor Head ，也称为Pylon)，它位于飞机外部的机身或机翼上。
SPEC 公司的3V-CPI 官方说明书(英文版)上给出了它的探测原理：两个完全相同的垂直于粒子流的正交光学通道，通道内的激光器能产生一束大约1.3×50mm 的激光并从位于光学臂内侧的窗口之间通过，这束光被定向到一个由128个单元组成的线性阵列上，在采样体积中像素可以达到10μm 左右。其图像拍摄、压缩传输和记录显示方法也与2D-S 相同。当激光阵列在成像系统的目标平面中探测到粒子时，将发射一个高功率的激光闪烁。CCD 相机记录粒子图像，含有粒子的帧被发送到图像处理系统，
该系统在图像中定位粒子，并切出目标区域(regions of inter⁃est ，ROI)进行显示和记录。GUI 用于控制CCD 相机的众多参数。该成像系统采用了一个1024×1024像素的单数码相机，具有8位分辨率(256级)，有效像素为2.3μm 。该相机每秒可以下载大约380帧(取决于探测粒子的浓度)，这使得该仪器可以把探测到的小云粒子快速成像。
(a)
(b)
刘思瑶，等：SPEC 机载云探测系统及其云物理研究进展283
第40卷
暴雨灾害3基于SPEC 系统的云物理研究进展
3.1国外研究进展
Lawson 博士主持研发了SPEC 系统，多年来利用该系统进行了许多云物理相关方面的研究，并在研究过程中不断发现问题继而提升SPEC 系统的探测性能。在1992年1月15日—3月15日的第二次加拿大大西洋风暴项目试验(the second Canadian Atlantic Storms Program field experiment ，CASP II)中，
仪器第一次被搭载在飞机上并进行风暴观测，试验观测到了非常大的雪花，这与很强的雷达反射率以及地面观测到的强降雪相一致(Lawson et al.，1993)。该仪器还给出强风暴雪花发生发展的云物理特征，取得了良好的观测效果(Lawson et al.，1993)。将该探测资料与MM5模式的对比研究(Lawson et al.，1998b)表明，模式与观测到的结果相一致。在加拿大冻毛毛雨试验中(the Canadian Freez⁃ing Drizzle Experiment)，CPI 仪器被搭载在探测飞机上，获取了毛毛雨滴和冰晶的图像(Lawson et al.，1998a)。在ISCCP (the First International Satellite Cloud Climatol⁃ogy Project)的区域试验FIRE ACE (Arctic Cloud Experi⁃ment)中，CPI 在不同区域观测到了小的过冷云滴、过冷毛毛雨(在-25℃)和霰粒子，并且发现在卷云中测量到的平均冰粒浓度是每升几百到几千个，比文献中常见的要高得多(Lawson et al.，2001)。Lawson 和Baker (2006a)利用CPI 数据研究了冰粒子质量和形状的关系，增加冰粒子的宽度、面积和周长三个参数代替单一使用冰粒子长度计算冰粒子质量的方法，使测量质
量的均方根误差减少50%，且该方法不需要预先进行
冰晶粒子分类。另外，研究还对波状云和卷云进行了多架次探测，深入并细致分析了它们的云微物理特性(Baker and Lawson ，2006；Lawson et al.，2006b)。
Lawson 和Zuidema (2009)还将地面毫米波多普勒雷达与飞机探测资料进行对比，发现雷达反射率和飞机测量的微物理参数在全水和全冰的情况下具有一致性，然而在混合相态时一致性通常较差，并认
为这是由于仪器平台不同和反演参数算法两种原因造成的，仅靠单波长雷达可能无法准确地检测出混合云中云滴和毛毛雨的微物理特性，特别是例如消光、反照率和光学厚度等辐射特性。2015年，他研究了热带积云中冰和降水发展的微物理过程，发现小冰粒子与大的过冷液滴(直径数百微米至毫米)碰撞，产生了一种级联过程，导致上升气流中的水滴迅速冰化(Lawson et al.，2015)。经过整理和分析，Lawson 等(2019)对利用2D-S 和CIP 进行卷云中的冰粒子形状的研究进行了综合评述。
此外，还有很多科学工作者利用SPEC 观测数据开展了相关科学研究。Jensen 等(2010)对热带对流层顶(TTL)卷云中的冰核和云微物理特性的飞机和遥感探测研究发现，极低温度下TTL 中卷云特性与基于均质冻结假设的理论大体上不一致，TTL 中几乎无处不在的重力波，使得根据均质成核理论进行的预测特别难以与测量结果相吻合，冰粒子数浓度远低于理论预测的数值；冰晶的尺寸分布比理论预测的要广得多；云的消散比理论预测的要低得多。Lance 等(2011)对2008年4月在阿拉斯加北部进行的影响北极气候的气溶胶、
图5CVI 探头(a)、3V-CPI 探头(b)以及CPI (c)、集成了2D-S 的128个单元组成的线性阵列的CPI (d)光电原理图(摘自SPEC )
工程抗震与加固改造
Fig.5(a)Schematic diagram of CPI and (b)3V-CPI electro-optics.(c)Photoelectric schematic diagram of CPI and (d)Optical schematic
diagram of CPI for a linear array of 128units integrated with 2D-S (Adopted from website of the SPEC).
(a)(b)
(c)
(d)
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