CN109444997A - 一种综合气象观测环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合气象观测环境模拟装置。该装置包括半封闭式遮阳棚，以及设置在所述半封闭式遮阳棚内的降雨模拟器、第一控制器、降雪模拟器、第二控制器、制冷器、毛毛雨模拟器、第三控制器、冰雹模拟器、第四控制器、调节器、遥控测试平台和图像采集单元。本发明实现了在密闭空间中快速、可控地模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象并提供检测环境。实测表明，在模拟环境中，以多普勒型降水雷达可以连续稳定的识别出毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五类天气现象，可检测出冰雹粒径和速度。本装置可为评估降水类天气现象仪识别准确性提供具有可控性、重复性的检测环境。

Description

一种综合气象观测环境模拟装置

技术领域

本发明涉及气象观测领域，特别是涉及一种综合气象观测环境模拟装置。

背景技术

依据中国气象局观测司发布的《降水现象仪功能规格需求书(试行版)》(2013年11月)规定，降水现象仪需要实现对雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、冰雹等5种天气现象的自动观测与识别。其中，降水类天气现象识别准确率不小于90％，资料输出频次为1min间隔，正常工作时的降水强度范围为0～6mm/min。

20世纪30年代，美国首先开发和使用了人工降雨模拟系统，模拟的雨强和雨滴都比较大。近年来，我国经研制出适于室内与野外各种试验要求和研究目的的人工模拟降雨装置，结构形式包括单喷头变雨强模拟降雨装置、野外移动式多喷嘴和碎流板组成的侧向喷洒式人工降雨装置、多喷头多单元组合式的间歇降雨装置及振动散落水滴降雨模拟装置。

中国科学院和水利部共建的西北水土持保研究所土壤侵蚀模拟降雨实验室的导流结构采用侧向喷头，由喷头体、出流孔板和碎流档板等构件组成。控制流量的出流孔板有6种规格的孔径，更换不同孔径的孔板，可以获得不同的降雨强度。

人工降雪模拟装置主要分为压缩空气型和风扇型两类。压缩空气型是通过冷水和压缩空气来形成细小的水滴，产生晶核，并结合较大水滴或环境空气中的水分形成雪花。当压缩空气膨胀后，便可从中吸取热量，从而降低水滴周围空气的温度，促进水滴冷却。风扇型使用简单的喷嘴来雾化水流，用大功率高速风扇将细小的水滴吹出，使之悬浮在空气之中，有足够的时间冷却和凝固。

人工冰雹模拟装置现多数用于待测设备抗冲击性能检测，主要由气动发射单元、机械移动单元、速度检单元和设备固定架组成，调节空气压力和发射口径，可以分档模拟下落速度和不同尺寸的中雹和重雹冰晶粒子。

综上，经过广泛调研，目前国内还没有在室内条件可集中模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象的综合性降水现象仪检测系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合气象观测环境模拟装置，用以在室内集中模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种综合气象观测环境模拟装置，所述装置包括半封闭式遮阳棚，以及设置在所述半封闭式遮阳棚内的降雨模拟器、第一控制器、降雪模拟器、第二控制器、制冷器、毛毛雨模拟器、第三控制器、冰雹模拟器、第四控制器、调节器、遥控测试平台和图像采集单元；

所述第一控制器控制降雨模拟器进行降雨；所述制冷器用于对模拟区域进行制冷，所述第二控制器与所述制冷器以及所述降雪模拟器连接，用于当模拟区域的温度达到第一制冷阈值时，控制所述降雪模拟器进行降雪；所述第三控制器用于控制所述毛毛雨模拟器进行毛毛雨模拟；所述第四控制器与所述制冷器以及所述冰雹模拟器连接，用于当冰雹模拟区域的温度值达到第二制冷阈值时，控制冰雹模拟器进行冰雹模拟；所述调节器分别与所述降雨模拟器以及所述降雪模拟器连接，用于调节与所述降雨模拟器的降雨量以及用于调节所述降雪模拟器的降雪量；

所述遥控测试平台包括遥控器、4路翻斗式雨量传感器、2路多普勒式降水雷达以及浮空导轨，所述4路翻斗式雨量传感器以及2路多普勒式降水雷达设置在所述浮空导轨上，用于测量降雨量和降雨种类；所述遥控器用于控制所述4路翻斗式雨量传感器以及2路多普勒式降水雷达沿所述浮空导轨移动。

所述图像采集单元用于采集模拟区域的气象图像。

可选的，所述降雨模拟器包括依次连接的降雨喷头组、供水管路、储水箱以及水泵；所述水泵与所述第一控制器连接，所述第一控制器控制水泵将所述储水箱内的水泵入所述供水管道，所述储水箱内的水经过所述供水管道通过所述降雨喷头组流出，形成降雨。

可选的，所述冰雹模拟器包括气动发射装置以及二维程控定位伺服装置；

所述气动发射装置包括空气压缩机、输气管、数字压力表和冰雹发射管，所述输气管与冰雹发射管连接处设置有电磁阀门；所述空气压缩机向所述输气管注入压缩空气，所述数字压力表用于检测所述压缩气管的气压值；所述第四控制器与所述数字压力表以及所述电磁阀门连接，用于根据所述气压值控制电磁阀门的开闭，当所述电磁阀门打开时，压缩空气冲击冰球沿冰雹发射管发射；

所述二维程控定位伺服装置与所述冰雹发射管连接，用于带动所述冰雹发射管移动。

可选的，所述冰雹发射管的管道内壁安装橡胶垫圈，所述橡胶垫圈的直径小于待发射冰球的直径。

可选的，所述冰雹发射管的出口处设置有激光测速装置，用于测量冰雹发射后的初速度。

可选的，所述二维程控定位伺服装置包括两台X/Y方向伺服电机、纵向滚珠丝杆、横向滚珠丝杆以及控制器。所述控制器用于控制所述X/Y方向伺服电机驱动所述纵向滚珠丝杆以及所述横向滚珠丝杆带动所述冰雹发射管移动到设定位置。

可选的，所述半封闭式遮阳棚内设置有吸顶式除湿机，用于降低模拟区域内的水汽含量。

可选的，所述半封闭式遮阳棚内设置有冷风机。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本装置可成功模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪等天气现象，通过发射不同粒径和初速度的冰球模拟不同种类的冰雹，与天然状态下降水的粒子具有相似的光学反射、散射和遮挡特性。实现了在密闭空间中快速、可控地模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象并提供检测环境。实测表明，在模拟环境中，以多普勒型降水雷达可以连续稳定的识别出毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五类天气现象，可检测出冰雹粒径和速度。本装置可为评估降水类天气现象仪识别准确性提供具有可控性、重复性的检测环境。此外，降雨、降雪及低温模拟环境还可应用于前向散射式能见度仪、道面温度传感器、道面状态传感器、雨量传感器、称重式降水传感器等气象探测设备的设计定型和观测结果准确性快速测试工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例综合气象观测环境模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种综合气象观测环境模拟装置，用以在室内集中模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种综合气象观测环境模拟装置包括半封闭式遮阳棚15，以及设置在所述半封闭式遮阳棚15内的降雨模拟器2、第一控制器3、降雪模拟器4、第二控制器、制冷器5、毛毛雨模拟器6、第三控制器7、冰雹模拟器、第四控制器、调节器、遥控测试平台和图像采集单元14。

所述第一控制器3控制降雨模拟器2进行降雨。所述降雨模拟器2包括依次连接的降雨喷头组、供水管路、储水箱以及水泵；所述水泵与所述第一控制器连接，所述第一控制器控制水泵将所述储水箱内的水泵入所述供水管道，所述储水箱内的水经过所述供水管道通过所述降雨喷头组流出，形成降雨。

降雨高度约5m，覆盖面积为约40m²，可进行小微雨、微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨共7种降雨强度模拟。降雨喷头采用0.5mm、1.5mm、2.5mm、3.2mm、4.5mm、5.0mm、6.0mm口径7种规格组合降雨，雨强20--150mm/h之间可调。

所述制冷器5用于对模拟区域1进行制冷，所述第二控制器与所述制冷器5以及所述降雪模拟器连接，用于当模拟区域1的温度达到第一制冷阈值时，控制所述降雪模拟器进行降雪。

降雪模拟器采用高压空气扩散水流原理，设计有4喷头垂直喷落和2喷头水平对喷两种运行模式，可在-10℃至-5℃的低温环境下实现粒状雪或粉状雪模拟。设计内容主要考虑以下三个方面因素。

①结构布局和控制方法

降雪模拟器采用顶部设置降雪喷头矩阵的方法，由喷头雾化喷出的细水滴在向下洒落过程中与检测区内的低温空气换热并冻结，形成模拟降雪。易于在空间有限的试验室内使用，可以形成自然降雪的垂直飘落效果，降雪量和雪花的密集程度也容易控制。

以水流量作为控制输入参数，系统根据人工模拟小雪和大雪的需要自动开启对应的水路阀门并设置所需的水流量。水量(或水压)的大小对雾化的效果有一定影响，主要是造成水滴直径变化，影响雪的干燥程度。水滴直径小则易于在较短时间内冻结成冰晶，有助于提高降雪量，且形成的雪质干燥蓬松。

②降雪喷头选型

受建筑结构限制，实验室顶部高度5米，扣除设备安装占用高度0.5～1米，形成降雪的高度约4米左右。为保证由喷头喷出的细水滴在落在空调器之前能够完全冻结成雪花，水滴直径不能太大，因此喷头选用压力式空气雾化喷头，水和压缩空气一起进入喷头，喷头内特殊结构使得水和压缩空气充分混合，产生微细的液滴喷雾。另外喷头喷水流量和喷射夹角决定喷头的间距和最终形成的降雪量。根据降雪面积、降雪高度、降雪量以及喷头喷射角度等数据，计算出喷头参数，然后从喷头产品规格中选取相应的喷头，将雾化水滴直径控制在10μm-100μm内，并通过多次试验筛选出最优的喷头规格。

③送回风方式

试验室气流循环方式为上送下回，冷空气由实验室顶的送风口送入，流经降雪喷头矩阵。冷空气与喷头喷出的水雾混合并一起下沉，水雾在这个过程中完成与冷空气的热交换，水雾被冷冻成为细冰晶并形成降雪效果。冷空气由底部回风通道返回顶部，形成空气循环。

测试表明，3分钟内粒状雪可充满整个测试区域，多普勒降水雷达可连续稳定监测到降雪现象发生。

所述第三控制器7用于控制所述毛毛雨模拟器6进行毛毛雨模拟。

所述第四控制器与所述制冷器5以及所述冰雹模拟器连接，用于当冰雹模拟区域1的温度值达到第二制冷阈值时，控制冰雹模拟器进行冰雹模拟。

所述冰雹模拟器包括气动发射装置以及二维程控定位伺服装置；

所述气动发射装置包括空气压缩机、输气管、数字压力表和冰雹发射管，所述输气管与冰雹发射管连接处设置有电磁阀门；所述空气压缩机向所述输气管注入压缩空气，所述数字压力表用于检测所述压缩气管的气压值；所述第四控制器与所述数字压力表以及所述电磁阀门连接，用于根据所述气压值控制电磁阀门的开闭，当所述电磁阀门打开时，压缩空气冲击冰球沿冰雹发射管发射。所述二维程控定位伺服装置包括两台X/Y方向伺服电机、纵向滚珠丝杆、横向滚珠丝杆以及控制器。所述控制器用于控制所述X/Y方向伺服电机驱动所述纵向滚珠丝杆以及所述横向滚珠丝杆带动所述冰雹发射管移动到设定位置。

所述冰雹发射管的管道内壁安装橡胶垫圈，所述橡胶垫圈的直径小于待发射冰球的直径。所述冰雹发射管的出口处设置有激光测速装置，用于测量冰雹发射后的初速度。

所述调节器分别与所述降雨模拟器以及所述降雪模拟器连接，用于调节与所述降雨模拟器的降雨量以及用于调节所述降雪模拟器的降雪量；

所述遥控测试平台包括遥控器8、4路翻斗式雨量传感器9、2路多普勒式降水雷达10以及浮空导轨11，所述4路翻斗式雨量传感器9以及2路多普勒式降水雷达10设置在所述浮空导轨11上，用于测量降雨量和降雨种类；所述遥控器8用于控制所述4路翻斗式雨量传感器9以及2路多普勒式降水雷达10沿所述浮空导轨11移动。遥控测试平台可在雨雪模拟区实现调速移动测试和定点测试。遥控测试平台可为待测设备提供供电和RS232通讯接口，移动速度在0.01m/s-1.0m/s之间调节。

所述图像采集单元14用于采集模拟区域的气象图像。包括视频探摄像头、大屏幕显示器和驱动软件，主要用于雨/雪喷头工作状态和待测设备位置监视，并辅助判断降水现象起止时间。模雨雪测试区模拟舱顶部安装4路摄像头和图像采集系统，对待测设备降水现象空间采样区进行图像采样，精确定位单台设备检测区各类模拟降水现象的起止时间，为检测结果提供图像辅助判据，

所述半封闭式遮阳棚15内设置有吸顶式除湿机13，用于降低模拟区域内的水汽含量。防止各类电子设备和机械结构锈蚀，提高运行可靠性。所述半封闭式遮阳棚15内还设置有冷风机12。

综合气象观测环境模拟装置检测方法：

检测流程充分利用检测区大面积低温制冷后环境温度升高趋势，通过降水现象单次循环模拟过程，实现对待检设备观测结果准确性测试。主要测试内容包括冰雹识别检测、降雪识别检测、雨夹雪识别检测、降雨识别检测、毛毛雨识别检测。

检测流程充分利用模拟环境大面积低温制冷后温度逐渐升高的过程，依次模拟降水现象。检测内容概述如下。

启动低温制冷控制单元，3小时内，检测区内气温下降至-18℃；

启动2台多普勒降水雷达和4台翻斗式雨量传感器至正常工作状态；

渐次模拟大雪、中雪、小雪，依据降水雷达的观测结果，评估降雪识别准确率和响应及时性。

调节检测区温度，同时启动降雨模拟器和降雪模拟器，调节至小雨、小雪降水量时的运行参数，依据降水雷达观测结果，评估雨夹雪识别准确率和响应及时性。

启动人工降雨模拟器，调节雨滴粒径和雨强，渐次暴雨、大雨、中雨、小雨，依据翻斗式雨量传感器的观测值，检测降雨识别准确率和响应及时性。

调节雨滴粒径至0.5mm以下，持续30分钟，检测毛毛雨识别准确率和响应及时性。

最后，使用15mm、20mm、25mm粒径的3种模拟冰雹粒子以预设速度按照设定次数穿越设备检测区，检测冰雹识别准确率和响应及时性。

依据中国气象局《降水现象平行观测业务技术规定》，使用采集到的观测数据样本可计算捕获率、漏报率、空报率、错报率和降水起止时间绝对误差等检测指标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本装置可成功模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪等天气现象，通过发射不同粒径和初速度的冰球模拟不同种类的冰雹，与天然状态下降水的粒子具有相似的光学反射、散射和遮挡特性。实现了在密闭空间中快速、可控地模拟毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水类天气现象并提供检测环境。实测表明，在模拟环境中，以多普勒型降水雷达可以连续稳定的识别出毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五类天气现象，可检测出冰雹粒径和速度。本装置可为评估降水类天气现象仪识别准确性提供具有可控性、重复性的检测环境。此外，降雨、降雪及低温模拟环境还可应用于前向散射式能见度仪、道面温度传感器、道面状态传感器、雨量传感器、称重式降水传感器等气象探测设备的设计定型和观测结果准确性快速测试工作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述装置包括半封闭式遮阳棚，以及设置在所述半封闭式遮阳棚内的降雨模拟器、第一控制器、降雪模拟器、第二控制器、制冷器、毛毛雨模拟器、第三控制器、冰雹模拟器、第四控制器、调节器、遥控测试平台和图像采集单元；

所述第一控制器用于控制降雨模拟器进行降雨；所述制冷器用于对模拟区域进行制冷，所述第二控制器与所述制冷器以及所述降雪模拟器连接，用于当模拟区域的温度达到第一制冷阈值时，控制所述降雪模拟器进行降雪；所述第三控制器用于控制所述毛毛雨模拟器进行毛毛雨模拟；所述第四控制器与所述制冷器以及所述冰雹模拟器连接，用于当冰雹模拟区域的温度值达到第二制冷阈值时，控制冰雹模拟器进行冰雹模拟；所述调节器分别与所述降雨模拟器、所述降雪模拟器以及所述冰雹模拟器连接，用于调节与所述降雨模拟器的降雨量、调节所述降雪模拟器的降雪量以及调节冰雹的粒径和发射速度；

所述遥控测试平台包括遥控器、4路翻斗式雨量传感器、2路多普勒式降水雷达以及浮空导轨，所述4路翻斗式雨量传感器以及2路多普勒式降水雷达设置在所述浮空导轨上，用于测量降雨量和降雨种类；所述遥控器用于控制所述4路翻斗式雨量传感器以及2路多普勒式降水雷达沿所述浮空导轨移动。

所述图像采集单元用于采集模拟区域的气象图像。

2.根据权利要求1所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述降雨模拟器包括依次连接的降雨喷头组、供水管路、储水箱以及水泵；所述水泵与所述第一控制器连接，所述第一控制器控制水泵将所述储水箱内的水泵入所述供水管道，所述储水箱内的水经过所述供水管道通过所述降雨喷头组喷出，形成降雨。

3.根据权利要求1所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述冰雹模拟器包括气动发射装置以及二维程控定位伺服装置；

所述气动发射装置包括空气压缩机、输气管、数字压力表和冰雹发射管，所述输气管与冰雹发射管连接处设置有电磁阀门；所述空气压缩机向所述输气管注入压缩空气，所述数字压力表用于检测所述压缩气管的气压值；所述第四控制器与所述数字压力表以及所述电磁阀门连接，用于根据所述气压值控制电磁阀门的开闭，当所述电磁阀门打开时，压缩空气冲击冰球沿冰雹发射管发射；

所述二维程控定位伺服装置与所述冰雹发射管连接，用于带动所述冰雹发射管移动。

4.根据权利要求3所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述冰雹发射管的管道内壁安装橡胶垫圈，所述橡胶垫圈的直径小于待发射冰球的直径。

5.根据权利要求3所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述冰雹发射管的出口处设置有激光测速装置，用于测量冰雹发射后的初速度。

6.根据权利要求3所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述二维程控定位伺服装置包括两台X/Y方向伺服电机、纵向滚珠丝杆、横向滚珠丝杆以及控制器。所述控制器用于控制所述X/Y方向伺服电机驱动所述纵向滚珠丝杆以及所述横向滚珠丝杆带动所述冰雹发射管移动到设定位置。

7.根据权利要求1所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述半封闭式遮阳棚内设置有吸顶式除湿机，用于降低模拟区域内的水汽含量。

8.根据权利要求1所述的综合气象观测环境模拟装置，其特征在于，所述半封闭式遮阳棚内设置有冷风机。