基于高分辨率云粒子成像仪（CPI）的混合相态云中过冷液滴测量方法研究

The mixed-phase cloud plays an important role in the formation of precipitation, the earth radiation budget and climate change. However, it is difficult to measure the supercooled liquid droplets in the mixed-phase cloud, which affects the understanding of the microphysical processes in the mixed phase cloud and its influence on the weather and climate. To solve this measurement problem, this project will utilize the high resolution imaging capability of cloud particle imager (CPI) and construct the shape identification method for the particle image to realize the supercooled liquid droplets' measurement in the mixed-phase cloud. The research mainly includes the calibration technology and the spherical particle size's reconstruction method for the high resolution cloud particle imager (CPI) and the identification methods for the artificial particles and the supercooled liquid droplets in the image data from the high resolution cloud particle imager (CPI). After completing this project, we can not only solve the problem of the supercooled liquid droplets' measurement, but also provide an assistant technology for the weather modification research and the test for the aircraft icing certification, which would contribute the development of our national economy.

混合相态云在降水形成、地球辐射收支与气候变化中起着重要的作用，但对混合相态云中过冷液滴的测量一直是个难点，这影响到了对混合相态云中微物理过程及其对天气和气候影响机理的认识。针对混合相态云中过冷液滴测量这一难题，本项目拟利用云粒子成像仪(CPI)的高分辨率成像能力，通过构建粒子图像形状的识别方法，实现对混合相态云中过冷液滴的成像测量。主要研究内容包括：（1）高分辨率云粒子成像仪(CPI)的标定技术与圆形粒子粒径订正方法；（2）高分辨率云粒子成像仪(CPI)所测云粒子图像中伪粒子图像和过冷液滴图像的识别方法。通过本项目研究不仅可以解决混合相云区的过冷液滴测量问题，还可为人工影响天气作业的研究和民用飞机的适航认证提供一种辅助的技术手段，从而为国民经济发展作出贡献。

混合相态云（mixed phase clouds, MPCs)普遍地存在于地球大气中，在降水形成、地球辐射收支与气候变化中起着重要的作用。但目前能够对云中混合相区域的过冷云滴进行全面有效探测的手段依然有限而且准确度不高，这严重地阻碍了我们对混合相态云中微物理过程以及云中冰水和过冷水组成的认识。基于面阵CCD的云粒子成像仪(Cloud Particle Imager, CPI)是目前所知的外场观测应用中分辨率最高的光电成像测量仪器，本课题提出并研究借助CPI来解决混合相云区的过冷液滴测量问题。针对仪器测量不准的问题，项目通过设计并搭建了一个仪器标定系统，以解决仪器在水滴测量上的系统偏差；针对仪器因采样体积的限制导致所测粒子图像不完整的问题，提出了一个融合粒子形状识别技术、“粒径重构”和“中心在内”方法的新的部分状粒子处理方法，所提方法对仪器所测粒子数据处理均具有更好的适应性，非常适合于针对混合相态云中的过冷液滴测量结果处理。针对CPI所测云粒子图像的相态识别问题，提出了一个基于傅里叶描述子的过冷液滴图像识别方法，并编写了相应的图像数据处理软件。所提过冷液滴识别方法以及所编写的数据处理软件可为CPI在我国云降水物理和人工影响天气的飞机观测研究领域的应用提供一个重要的支撑。此外，还研究分析了一次非降水云中飞机结冰事件的云微物理特征，发现在非降水云中过冷水的中值粒径大都低于25μm,过冷液滴数浓度从几十到几百个•cm-3不等，平均过冷水含量为0.08g•m-3，与降水性云中的研究相比结果偏低。