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作者：G. M o r g a n l *, B. J. Morrison 2 ** and G. K. Mather

目录

1引言 5

2.蒸发法 6

2.1仪器技术 6

2.2 非等速应对测量的影响 8

2.3压缩机的容积和混合 10

3.检测 11

3.1莱曼-阿尔法湿度计的偏差 11

3.2时间因素 12

4.测量的演示 12

5讨论 17

参考文献 18

致谢 19

用喷气发动机蒸发技术测量暖积云中总和凝结水混合比

G. M o r g a n l *, B. J. Morrison 2 ** and G. K. Mather

摘要：目前，我们已经建立了一种测量暖积云水混合比和凝结水混合比的技术。在里尔24上的喷气发动机压缩机作为蒸发器,将所有云冷凝液转换为蒸汽,并使用莱曼测量压缩(排放)空气中的蒸汽密度。测量中的误差来源是：I )由于空气中的污染物造成的误差,这必须通过基线对空气中的污染物进行定期评估，以防止在晴空中的露点测量。II)由于喷射入口取样是非等速的而造成的误差,这种误差可以通过监测入口空气的体积流量进行消除。莱曼阿尔法湿度计由于具有显示变化较为缓慢的特性而被广泛使用。我们可以利用莱曼阿尔法湿度计的这种特性，通过将干燥的氮气引入测量原件来监测湿度的变化情况。

Measurement of Total and Condensed Water Mixing Ratios in Warm-Based Cumulus Clouds by a Jet Engine Evaporation Technique

G. M o r g a n l *, B. J. Morrison 2 ** and G. K. Mather

（With 10 Figures Received March 18, 1988 Revised January 12, 1989 ）

Abstract：A technique has been developed for measuring total water mixing ratio and condensed water mixing ratio in warm-based convective clouds. The jet engine compressor on a Learjet 24 employed as an evaporator to convert all cloud condensate to vapour and the vapour density in the compressed (bleed) air is measured with a Lyman-alpha humidiometer. Sources of error in the measurement are: i) a contaminant in the air lines which must be evaluated regularly by baselining the measurement against a dewpoint measurement in clear air; ii) nonisokinetic sampling at the jet inlet, which has been evaluated by monitoring the volume flow rate of air at the inlet. The Lyman-alpha humidiometer has been found to be robust and serviceable, with very slow drift properties. The drift is monitored by introducing dry nitrogen into the measurement cell.

1引言

冰雹技术的日渐成熟是必然的而实现这一过程的时间取决于若干重要研究领域的关键发展。研究冰雹时最重要的问题可能是对云中降水的自然发展的认识。理论研究将在实现这一理解方面发挥强有力的作用,但理论研究的研究成果必须通过实际观测来获得证实。

由于这些云的重要属性中发生重大变化的时间尺度非常短，所以在处理这些云时需要特别的细心和足够的重视，此外一些重要的测量仪器只能在低温、结冰、冰雹、湍流和电活动的区域进行，故而在雷暴云系统内和该系统周围进行测量是很困难的。

一架高性能里尔飞机是在这种云层中进行测量的一个很好的平台。它可以按与云顶上升率相当的速度爬升,非常稳健,能耐受闪电、湍流和小冰雹(直径小于2厘米)。

由于实验仪器必须搭载在高速飞机(里尔穿透云层在150m·s^-1)上进行观测，为此我们必须对实验仪器进行特别的设计以满足这一特殊运行环境，这为实验的进行增加了一定的困难。这种困难尤其体现在基于温暖的云中测量可超过4.0g·m^-3的液态水含量的观测过程中。

云空气的单位质量的总水量W_t 是其蒸气含量W_v、液体(云和雨)W_l及其冰含量W_i之和。对于总水混合比的某些组分的估计有很多方法,而各种方法均存在其各自的问题和局限性。小直径的液体含水量( LWC )(小于30mu;m)通常用约翰逊威廉斯( j-w )热丝传感器感测。csiro-king热丝传感器用于感测尺寸较大(约100微米)的液体含水量（LWC）。粒子测量系统( PMS )正向散射分光计探测器( fssp )可以估计直径为47微米的云的大小谱,这可以被集成以产生这些尺寸的LWC的估计。如果对粒子形状和密度作出适当的假设, PMS 2d-c光学阵列探测器图像更大的云粒子和这些可以被整合到产生冰或水含量的光谱。通过测量空气温度和压力,并假设饱和度,我们可以通过露点传感器和云中的晴空估计蒸汽含量。自1978年以来,利用里尔24进行观测的云物理计划已经被列入了由南非水研究委员会主办的东方德兰士瓦天气变化研究的重要组成部分。早期在该地区使用j-w热丝探测器观测暖湿积云的探测数据使得我们对于目前描述积云特征和发展变化情况的能力的严重怀疑(摩根和马瑟, 1984年)。这是自然的,因为j-w主要响应凝结峰值中直径小于30mu;m的液态水含量（LWC),我们强烈怀疑存在更大的云。因此, 1985年增加了更有希望的King型装置;首先是屏蔽版本,后来是一个未屏蔽的版本。尽管文献中没有关于仪器对液滴的响应的信息，但是King装置应该能够测量到直径为100mu;m的所有液体水。在最近的一篇由King等人撰写的关于King仪器的风洞校准的论文中( 1985 )提到了“大量定量检测在典型飞机速度下对更高液态含水量（LWC) (例如4-5g·m^-3)的实验是必不可少的，并且这些实验的敏感度应该精确到无论是毛毛雨大还是较大强度降水过程中的液态含水量都可以被准确测量”。King型仪器对大水滴的响应的最新分析(比泰尔，1987年 )表明在狭窄的水滴大小范围内没有明显的断流。他们以60m·s^-1的空气速度获得的结果,可能不太有助于判断仪器在里尔上的性能。我们在这一领域的经验是,非屏蔽仪器显示了大约4.0 g·m^-3的饱和效应。我们得出的结论是,至少在里尔穿透云层( 150米)的空气速度下,现有的热线装置无法测量超过约4.0 g·m^-3的液态水含量。目前人们正在研究仪器饱和的条件。

2.蒸发法

我们可以开发一个完全不同的原理,通过这种原理基本解决液态水的测量问题。这种原理就是蒸发技术。

涡轮喷气发动机有三个主要部分:前部的压缩机、燃烧室和后部的涡轮部分。进入发动机入口的空气在压缩机部分被压缩和加热,将空气中的任何水或冰转化为蒸气。压缩空气中的水汽混合比等于环境空气中的总水混合比例。独立知识的外部(云)空气混合比率允许冷凝水的混合比率被计算为差异。

蒸发器在云计算中得到了多次应用。这些仪器都受到小进口直径和低流量流率的限制。里尔发动机的进气口是大的( 0.14msup2; ) ,飞机上的两个发动机的空气流量是30m³·s^-1。这种巨大的样品体积流量保证了云中最大的沉淀颗粒被充分取样。

在本报告所述系统的发展过程中,作者获知了对全水含量测量的早期类似方法(鲁瓦, 1963年；鲁瓦和凯斯勒, 1966年 )。用红外传感器测量了f100f发动机第4级压缩机排气中的水汽含量。红外传感设备存在的缺点是时间响应太慢,可能存在其他问题,在文学中从未有报道过。然而,这种方法基本上与在这里采取的方法相同。

2.1仪器技术

发动机压缩机bleed-air从将热空气送入外部风挡除霜器的管路中进行采样。这种空气样品通过莱曼阿尔法紫外吸收湿度计的测量单元流动( buck , 1976 )。图1是里尔中安装的示意图。121.56nm的吸收波长与水蒸气和分子氧气的密度成正比。分子氧气量小,容易估算。考虑到莱曼-阿尔法电池的水蒸气密度,可以计算外部云空气的总和冷凝水混合比率。

室外空气的总水混合比率可以由以下公式获得

W_ta=W_va W_la W_ia=W_va W_{ca (1)}

在液体和冰混合比, W_la和W_ia共同组合成凝聚水混合比,W_ca

发动机放气给除雾

压力传感器

热电偶

起动马达电磁阀

接口

Signal-信号

螺线管（通电时产生磁场）

手动阀

干燥氮气

风屏

来自于发动机

图1 发动机-蒸汽系统在里尔上失速的示意图。莱曼- alpha;湿度计是图表中间的框。在莱曼-阿尔法测量单元中双线为油管;薄的单线条结束箭头是电气设备。

(2)

蒸汽密度是观察到的数量。可以根据理想气体定律计算单元中的干空气密度。

(3)

用压力传感器和热电偶分别测量了电池的压力P_C和温度T_C。然后就可以计算室外空气的总含水量混合比。

(4)

如果已知空气的蒸汽含量,则我们就可以直接通过如下公式计算凝聚水混合比。

W_ca = W_ta- W_va (5)

在云中,我们假设水蒸汽混合比, W_va ,等于云空气的饱和混合比, Ws( Ta , Pa ) ,所以我们就可以将等式重新写为

(6)

空气温度由罗斯蒙特温度探测器测量。

莱曼中的紫外光源和检测器之间的差距是一个必须准确知道的关键参数。它可以在广泛的范围内变化,但我们还没有考虑对特定类型的度量进行优化。它确实给用户提供了一定程度的自由,可以增加到较小的云层,例如北美大平原的积云,那里的凝结水含量预计不会超过1或2gm。在我们的研究中,差距设置为3.55mm。

2.2 非等速应对测量的影响

理想情况下,喷气发动机应该成几何级数地吸收所有吸收后被拦截的空气。这仅在特定的功率设置条件、真正的空气速度和高度条件下才能实现。在更一般的条件下,发动机会从几何截流管中排出空气,或者从外部吸入空气。通过在港口发动机机舱安装一个静压传感器并监测下面所定义的“溢油分数”,检查非等速采样误差的来源。

对于具有固定条件的无粘性不可压缩流动,沿流线的压力变化是速度的函数(斯特里特, 1948 )

(7)

对于具有固定条件的无粘性不可压缩流动,沿流线的压力变化是速度的函数(斯特里特, 1948 )

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