物理科学

追踪雨滴下落时变化的形状

雨滴落在地上时,形状、大小和运动非常相似,但到目前为止,我们对雨滴行为的了解还远远不够。通过她的研究,科罗拉多州立大学的Merhala Thurai博士使用了创新技术来了解更多关于它们坠落时发生的事情,尤其是在暴风雨天气中。她的团队的工作为降雨的物理特性提供了重要的新见解,并可能导致在雨天天气预报和无线电通信的改进。

尽管我们在雨滴落到地面之前几乎没有注意到它们,但当雨滴从天空降落时,它们会表现出一些迷人的行为。通过旅途中遇到的各种环境因素和与其他水滴的碰撞,它们采用了不同的形状和大小,以不同的模式振荡,并以不同的速度下落。

对于气象学家来说,考虑这些因素至关重要,因为它们对用于观测和预测天气的雷达技术有重大影响。与此同时,它们对沿地球-卫星链路使用毫米波长电磁波的通信系统具有重要意义。现在有活跃的研究利用这些链接的数据来推断雨滴的特征。图莱博士使用新技术来测量雨滴的有趣属性,从而对它们如何下落和改变形状有了新的认识。

符合行为
在数学上,落下的雨滴可以被描述为微小滴的球体;但是对于较大的滴加重力,表面张力和空气动力学阻力导致底座上的扁平化和顶部的凸起形状,其被压扁并沿其垂直轴线延伸到不同的程度,但不像水平地拉伸。当他们与环境互动并与其他较慢的下降的环境碰撞时,它们会随着时间的推移而稳步振荡。这种形状通过“旋转对称”的原理来定义,该原理允许物体在一个特定轴上旋转而没有任何明显的变化。

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当水滴形成时,这些形状会影响水滴的“最终速度”——当水滴的重量与空气阻力相等时,下落物体的速度极限。在大多数情况下,绝大多数雨滴会在振荡时保持旋转对称性,直到它们落到地面。这种惊人的一致性在过去得到了广泛的研究,包括Thurai博士和她的同事。

测量降雨的动态
为了测量雨滴的速度、形状和大小分布,气象学家通常使用一种名为“disdrometer”(或雨滴大小计)的设备,它可以测量雨滴落在感应表面时的特性。最近,2D视频解析仪(2DVD)结合了两个摄像机在传感表面垂直方向上的观察结果,以及单个液滴在探测器不同部分上的液滴轮廓测量结果。当这些技术结合在一起时,湿度计就足够精确,可以实时分析单个雨滴的特性。

2DVD已经被用于研究世界上许多不同地区的雨滴,这些地区的海拔从海平面到1.4千米不等。通过长达20年的一系列研究,Thurai博士和他的团队使用2DVD (Joanneum Research Digital)对降雨的物理特性进行了细致入微的探测。到目前为止,他们的技术范围从控制实验到自然雨滴的真实测量。

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在2005年的一项研究中,该团队研究了奥地利的琼塔尔铁路桥产生的人工降雨的动力学。这座桥比下面的河流高80米,为研究人员提供了一个理想的机会来创建受控的模拟降雨。当从桥顶的水管里流出时,一股

水迅速形成稳定振荡液滴的柱,其在终端速度撞到地面时行进。使用2DVD,团队加工了115,000个雨滴的图像,直径为1.5至9.5毫米。从这些测量中,它们可以建立它们的模拟液滴的“概率轮廓”,揭示各个液滴采用特定形状和直径的可能性。

绝大多数雨滴在下落和振荡时都遵循同样的旋转对称;即使它们的平均直径有很大的变化。

在随后的工作中,Thurai博士和他的同事通过测量包括美国阿拉巴马州和澳大利亚昆士兰在内的不同地区自然发生的雨滴补充了这些结果。在大多数情况下,绝大多数雨滴在下落和振荡时都符合相同的旋转对称;尽管它们的平均直径有很大的变化。然而,在更极端的情况下,情况不一定如此。

湍流条件下的卓越形状
尽管他们在早期的研究中测量的模式是可靠的,但Thurai博士已经证明,当受到强风,特别是暴风雨的影响时,雨滴中的旋转对称会被打破。在最近的一项研究中,她分析了2017年10月袭击美国墨西哥湾海岸的热带风暴内特(Nate)产生的雨滴。在阿拉巴马州的亨茨维尔进行测量后,研究人员再次结合2DVD测量数据和垂直摄像机的设置来确定单个液滴的3D形状,然后由澳大利亚格拉茨Joanneum研究公司的迈克尔·舍恩胡伯博士使用定制软件重新生成。

在湍流条件下,以风速和风向的突然变化为特征,他们发现液滴的振荡变得更大——不仅在通常的垂直方向,而且沿水平轴都是如此。这意味着,在某些极其罕见的情况下,旋转对称可能被打破。反过来,这些扭曲的雨滴似乎变得更不符合空气动力学,随着它们下落,它们的终端速度减少了30%——研究人员不能完全解释这个效应,但后来归因于紊流阻力的增强,这可能会“减慢”雨滴的下落速度。
对气象和通信的影响

虽然绝大多数雨滴符合旋转对称性,但振荡(左面板为5 mm滴),右侧面板显示在高风中相似尺寸下降的类似尺寸下降的快照。

这项工作对天气预报具有重要意义。由于微波和较短的无线电波的波长与雨滴直径相似,它们很容易在经过降雨时以特定的模式分散。气象学家利用雷达系统同时发出两束极化无线电波,以探测广阔的地域范围内的雨量;一个在垂直方向对齐,另一个在水平方向对齐。由于雨滴的形状是扁平的,气象学家可以很好地调整这两种水流,确保与雨滴的强相互作用,从而在最终测量中提供尽可能高的精度。

Thurai博士的团队现在认为,这种技术可能会被抵消的优势(但二阶)的不对称液滴产生在某些类型的强烈风暴滴形成通过暖雨过程除了融化的冰粒子形成的高空(如土地飓风和热带低压下降)。

通过将雨滴测量与周围的大气湍流的直接测量相结合,该团队旨在进一步探讨这种效果。开发用于雨滴扭曲的新技术将使气象学家能够在极端天气下更好地估算降雨特性。

更普遍地说,图莱博士的发现为降雨过程中细微但有影响的物理过程提供了新的见解。展望未来,她希望这项工作能够改善沿地球卫星路径的通信,以微波和较短无线电频率的形式传输和接收数据。通过计算这些波浪是如何受到扭曲水滴的影响,这种方法可以在暴风雨和下雨的天气中更清晰地交换信息。

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改善未来的精度
图莱博士希望利用包括“3D音速风速计”在内的新技术,在雨滴物理学方面有更先进的发现。“利用声波精确地测量风速和风向,即使在下雨的条件下,湍流的强度也可以被描述出来,以及雨滴对它的反应。”该团队将复杂的技术与先进的数学计算相结合,旨在揭示诸如扭曲下落水滴的终端速度降低等效应背后的潜在机制。最终,他们的研究有望在天气预报和无线电通信系统方面取得重要进展,造福世界各地的许多人。

个人反应

是什么首先激发了你对研究雨滴特性的兴趣?

我对雨滴特性的兴趣来自于我的工作,有关大气对无线电波传播的影响,特别是在雨中的影响。随着2D视频解析仪等仪器的发展,在统计的基础上表征形状和下落速度等基本参数成为可能。随着全球偏振天气雷达的发展,我们现在可以研究各种降雨类型和地点的变化。我和许多同事在这个话题上有共同的兴趣。

本文是在研究团队的批准下创建的。这是一个合作制作,由那些特色的支持,免费援助,全球分发。

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