雨滴谱资料分析与应用外文翻译资料

 2022-12-03 11:38:57

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使用PARSIVEL激光雨滴谱仪来评估在阿巴拉契亚山脉南部：测量降水动能的不确定性和土壤侵蚀研究的关系。

M. Angulo-Martiacute;nez, A.P. Barros

摘要

更多的使用来自激光雨滴谱仪的降水微物理观测资料来产生更准确的降雨动能估计来对测量不确定性进行更仔细的分析，特别是不同类型传感器影响不同水文气象条件下降雨动能得估计。这项研究评估在阿巴拉契亚山脉为温暖季节降雨时Parsivel 1（P1）和Parsivel 2（P2）在测量降雨DSDs（落差大小（P），降雨率（I）和南部三个地点的动能（KE）。对于同一个风暴系统，存在较大的空间变异性，山脊和山谷之间以及暴露的逆风山脊与内陆地区之间的降雨DSD。Parsivel 1低估了小水滴的数量，而所有降雨量变量都高估了DSD，对于P1和P2都测出雨滴直径大量集中于中等范围内（直径1-2毫米）。总体而言，当使用P1时，结果显示KE估计值与最近的P2值相比有40％的差异。 不确定性分析清楚地说明了水文气象条件和仪器本身的依赖性。降雨量KE与强度（I）之间的关系需要考虑对局部降雨侵蚀潜能的更好表征的工具性影响; 区域尺度研究必须包括空间分布式观测，以捕捉主要的水文气象系统，特别是在降水空间变异性非常高的复杂地形区域。

copy;2014 Elsevier B.V.保留所有权利。

  1. 介绍

土壤侵蚀是全球土地退化的主要原因之一，尤其是农业土壤。 侵蚀使关键养分的土壤枯竭，并且显著影响最重要的生态土壤功能：食物生产，渗透能力，碳和氮储存以及生物栖息地的持续能力（Blumetal，2006）。诸如城市化，农业等人类活动以及森林地区的一般清理和采伐活动暴露和动用土壤，导致土壤加速侵蚀，生产力下降和景观变化（Pimentel和Kounang，1998; Pimentel，2006）。在主流过程的空间尺度上对侵蚀速率进行可靠的量化对于开发可持续保护措施和土地利用规划至关重要（Pimentelet等，1999; Bilotta等，2012）。 通用土壤流失方程（USLEorRUSLE：WischmeierandSmith，1958; Renardetal。，1997）是评估降雨侵蚀力，可蚀性，地形，土地利用和土地覆盖的经验关系，是评估侵蚀潜力和风险条件的最常用的量化工具。由于其经验基础，USLE在气候地区的应用存在很大的不确定性，这些气候地区与进行校准的气候地区有很大差异，并且需要长期和最新的数据来评估气候不平稳。

最近的研究工作集中在降水微物理特征和降雨 - 土壤相互作用的地方和区域尺度上（Petan et al。，2010）。 雨滴冲击是分解和动员土壤颗粒的关键机制，取决于雨滴的动能。 因此，精确测量雨滴的大小（质量）和速度对于确定降雨侵蚀力至关重要。这可以通过使用记录雨滴尺寸谱或者滴径分布（DSD）的仪器来实现。 雨滴质量来源于DSD直径，而降落速度可以根据与终端坠落速度（VT）和雨滴直径（D）有关的经验法则来测量或估计（例如，来自Atlas等人，1973; Beard，1976 ; Atlas和Ulbrich，1977;或Uplinger，1981; Testik和Barros，2007）的综述。

由激光雨滴谱仪记录的DSD被广泛应用于气象研究中，以描述降雨强度 - 反射率关系，这些关系为估算来自卫星传感器的降水提供了关键（Iguchi等，2000; Krajewski等，2006; Kozu等，2009 ）。根据降雨深度，降雨率，反射率，DSD和速度谱以及最近的卫星飞行任务特别是TRMM等热带风暴的影响，已经针对大量降雨传感器评估了激光雨滴谱仪的性能和相关的测量不确定度 降雨测量任务（Tokay andBashor，2010; Jaffrain and Berne，2011; Thurai等2011; Fiedrichet等，2013; Tokay等，2013）在土壤侵蚀研究中，Bollinne等人开展了使用分散仪的先驱。 （1984）在比利时，Rosewell（1986）在澳大利亚使用Joss-Waldvogel分光计，其次是Salles等。 （1999年）在比利时和法国等。 最近，Parsivel或Thies Klima等负担得起的激光沉淀监测仪允许这些仪器在经典的溅蚀测量方面与侵蚀研究的使用增加（Fernaacute;ndez-Raga等，2010，Angulo-Martiacute;nez等，2012）， （Cerro et al，1998; Sempere-Torres et al。，1998; Petan et al。，2010）估算降水侵蚀潜势。 然而，以前研究未涉及的关键不确定因素包括忽视超出现场尺度的空间变异性，依赖作为不确定性物理基础的水文气象系统和传感器测量不确定性。

本研究旨在评估和量化在南阿巴拉契亚自然条件下测量的动能估算中与两种版本的光学分光计Parsivel 1和Parsivel 2（OTT，2008）相关的环境和仪器不确定性，美国北卡罗来纳州。为了单独了解仪器差异，两个传感器在实验室控制条件下进行评估。收集数据是为了准备2014年在南部阿巴拉契亚和美国东南部地区进行的全球降水和使用地面验证现场活动（GPM-GV）的IPHEx2014（综合降水和水文实验，Barros等2014） 。在这里，我们报告了仪器误差如何影响降雨动能和强度之间的关系，作为水文气象系统的函数，用于估计独立于传感器类型的强度记录的降雨动能。尽管这里显示的结果是针对同一制造商的两个测斜仪获得的，但重点是错误的物理基础，即错误类型，这是一般性的，因此可以应用该方法传到任何传感器。

  1. 方法

南阿巴拉契亚山脉的特点是复杂而平缓，但地形适中，最高海拔约为2000 m.a.s.l。 （Prat and Barros，2010a）。 该地区经历了一个潮湿的大陆性气候，具有强烈的地形影响，因此降雨的时空变异性很高，经常导致大范围的洪水和山体滑坡（Wooten et al。，2008; Tao and Barros，2013,2014）。 在温暖季节，从春季到初秋，主要天气系统包括西风中尺度对流系统和锋面，南风和东风热带低压以及局部对流活动，因此强降水的强度较高，持续时间较短（le;24小时），强度较低但持续时间可持续数天。Prat和Barros（2010a）指出，该地区降水微物理状况存在显着差异，这取决于风暴系统的性质和收集DSD数据的位置。他们表明，观测谷DSD的右侧“较重 “而不是相同的事件相邻山脊的DSDs，表明山脊和山谷位置之间的降低聚结增强。 威尔逊和巴罗斯（Wilson and Barros，2014）观察到，轻度降水的昼夜周期与雾发生的昼夜周期有关，“与谷雾同时发生的是中午峰值，而夜间峰值与辐射雾同时出现”。 他们对雨量计（RG），雷达剖面仪和散射计的详细分析表明，在浓雾和/或覆盖云的同时，谷地和庇护山谷的强降水的间歇周期由小型雾滴与降雨雨滴之间的雨滴聚合的播种机 - 馈线机制解释建模实验。

在2012年温暖季节（5月至7月）期间，南阿巴拉契亚（美国）的三个监测点测量了降水微物理特征：（1）购买旋钮（PK），位于海伍德县皮鸽河流域的一个山脊 （1501 masl），以及麦迪逊县法国广播中的两个地点：（2）马歇尔岭（MR）（1186 masl）和（3）阿什维尔 - 邦科姆技术社区学院（ABTech） .asl）（图1）。 表1提供了地理定位，测量和仪器使用期限。更多细节，请参阅Wilson和Barros（2014）。

三个Parsivel disdrometers，一个Parsivel 1（P1）和两个Parsivel 2（P2-1，P2-2）在监测期早期部署在PK（图2）.Asciencegradenetworkof33tipping-bucketRGs（水文服务模式TB3 / 0.1的尺寸为282.8mm; 0.1mm /尖端;不锈钢机构）自2007年以来一直在该地区运营（Prat and Barros 2010a）。每个RG大约每一次都被访问，两到三个月进行定期维护，时钟检查和数据

采集。因为这些数据被用来评估遥感降雨量产品，RG在现场至少两次严格校准年的降雨量范围广泛。在五年的时间里，变化在降雨量估计值之间保持b2％为N95％网络（总是在PK）和整体b5％。 RG数据可在PK获得和监测期间的MR，可以进行比较根据降雨深度和速率分析数据。监控之后在PK期间（19/05 / 2012-08 / 06/2012），感应器被移动MR和ABTec将Parsivel 1（P1）和Parsivel 2（P2-1）在MR，而另一个Parsivel 2（P2-2）被安置在ABTech与

记录期间的山谷变率的目标22 /06 / 2012-11 / 07/2012。这些设置允许分析两种类型的不确定性：i）与环境因素相关的不确定性控制不同地点的降雨变率（水文气象政权）;和ii）与传感器本身相关的不确定性。

Parsivel 1和Parsivel 2（OTT，2008）是一款激光光学仪器，用于测量水凝物的尺寸和下降速度。尺寸类别跨越32个直径等级，间距不均匀，直径从0.25毫米到25毫米不等。同样，速度场也由从0.05到20 m s -1的32个不平均类别组成，速度间隔不同。 Louml;ffler-MangandJoss（2000），Battaglia等人发现仪器和测量技术的详细情况以及用于确定水凝物大小和速度的假设。 （2010年），Tapiador等人。 （2010），Jaffrain和Berne（2011）以及Tokay等人（2013年）。 Parsivel干涉仪背后的测量原理是检测激光信号的振幅下降，因为下降的粒子在一段时间内与激光束相交，这被转化为下降粒子的尺寸和速度的估计（Louml;ffler- Mang和Joss，2000年）。然而，由于激光器厚度为1毫米，许多液滴具有较大的直径，因此速度估计值存在明显的不确定性。后处理软件会自动应用通过激光同时传递的重合粒子的校正由Parsivel制造商提供，并且校正后的观测结果以光谱形式存储。随测量仪提供的操作软件通过对所有单个颗粒的体积进行积分来确定1分钟的降雨强度。重要的是，此处简要参考Parsivel变形仪演变背后的前提。原始公司PM Tech AG，德国Pfinztal，将Parsivel卖给德国Kempten的OTT Hydromet公司。在2004年运营4年后，OTT通过使用精度较低的激光器降低了价格，同时改进了校准（Tokay et al。，2013），结果Parsivel 1（P1）测压仪变得更加经济实惠并被许多人研究人员。针对其他测斜仪和RG的比对测试显示低估了较小的液滴，而高估了中等和较大的液滴（Battaglia等，2010，Tokay等，2013）。 OTT对Parsivel传感器进行了评估，并推出了一种新型传感器Parsivel 2（P2），该传感器相对更加昂贵，因为它具有更精确的激光，并且显示出更高的灵敏度更好的系统测试结果。

2.2． 数据质量控制和事件的确定

从任何传感器记录的第一次观测开始，在ge;20分钟的期间内确定降雨事件，其间雨量值为N0.1mmh-1。 所有测功仪不使用雨量检测le;20 min和/或降雨强度值b 0.1 mm h -1的时间段作为事件间持续时间。 从满足这些条件的所有登记事件中，评估降雨强度（I）和深度（P）以及DSD。 从测量的DSD中排除雨滴直径N 8.5毫米。 在质量控制之后，MR和ABTech共检测到4422个1分钟光谱PK和1306和1286个1分钟光谱，其中三个Parsivels在PK（P1，P2-1和P2-2），两个 P1和P2-1）和ABTech中的一个（P2-2）。

    1. 动能通量的计算

任何属于给定的第一类的水滴的动能Ke i（J）是估计如下：

假设每个雨滴尺寸为i（m 3）的球形体积和rho;（1000 kg），我们使用相应的类别i（ri，以m计）的平均质量mi（kg） m -3）是水的密度：

尽管P1和P2提供了雨滴速度的估计，但在本研究中，我们使用Atlas等人的表达式。 （1973）基于Gunn和Kinzer（1949）计算下降速度：

其中D i是等级i的平均直径（mm），V T是终端速度（m s -1）。 请注意，为了本研究的目的，由于空气密度随着海拔的降低而没有采用校正来解释更高海拔处的终点速度增加。 尽管如此，对于非常小的液滴，这种影响可以高达25-50％（例如Beard，1976），并且应该考虑用于估计降落动能在山区尤其是在高海拔地区以及区域混合的行星边界层以上。

通过激光表面（0.00486 m 2）KE j（J m -2）每分钟记录的总动能为：

在USLE的经验公式（例如WischmeierandSmith，1958; Hudson，1965; Kinell，1981; Carter等，1974; Zanchi和Torri，1980; Coutinho和Tomaacute;s，1995; Jayawardena和Renzaur，2000）中，KE表达 作为单位体积降雨的动能或体积比动能KE mm（J m -2 mm -1）。 尽管在尺寸上与Rosewell（1986）和Sallesetal（2002）指出的降雨率I不一致，但KE mm在历史上一直是降雨侵蚀力最广泛使用的指标，因为：i）动能的现场估计来自DSD 非自动化技术如滤纸或面粉颗粒法，因此与降水有关，P（mm）; 和ii）暴露时间（测量时间）未知，或未知其准确性以确定每单位时间的降雨动能量KE时间（J m -2 h -1）。 Salles等人 （2002）确定了这种不一致性，并建议表示KE如下：

其中KE mm由KE j（等式4）除以每分钟记录的总降水量j

    1. 基于线

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