跟踪雨滴变化形状

雨滴可采取极相似的形状、大小和运动归土,但到目前为止,我们对它们行为的理解远未完全实现。科罗拉多州立大学Merhala Thurai博士通过研究使用创新技术深入了解下降后会发生的事情,特别是在暴风天气下团队工作为降雨物理特性提供重要新洞察力,并可能导致天气预报和雨中无线电通信改善

雨滴从天空下降时 显示一些迷人行为遍历各种环境因素和碰撞(与其他滴子相遇),取不同的形状和大小,分辨特征模式并按不同速度下降

对气象学家来说,关键是要考虑这些因素,这些因素对用于观察和预测天气的雷达技术有重大影响。同时,它们对通信系统有重要影响,这些系统沿地球卫星链路使用毫米波长电磁波现时有主动研究使用从这些链路数据推出雨滴特征Thurai博士使用新技巧测量雨滴的趣味属性,获取新知识了解雨滴如何下降并改变形状

一致性行为
从数学学上讲,下降雨滴可描述为小滴球场重力、表压和空气动力阻抗力推平基面和顶部曲面形状与环境交互作用并与其他慢下降相碰撞时,它们会渐渐稳定地游动此类形状通过`旋转对称性'原理定义,允许对象转动到特定轴上而不显变形状

形状形成后会影响滴子的“终点速度”-下降对象速度限值-当它们的权值因空气阻抗而均匹配时即达此限值在大多数情况下 绝大多数雨滴保持旋转对称包括图赖博士及其同事在内,过去广泛研究过这种惊人一致性问题。

测量降水动态
测量雨滴速度、形状和大小分布时,气象学家通常使用名为“粒度计”(或滴度计)的设备测量滴滴下降到感知面时的属性最近2D视频反射计(2DVD)综合了对双向相垂直跨感知面的两摄像头的观察和对单滴向检测器不同部分传送的滴滴测量合并时,这些技术使解剖精度足以实时分析单个雨滴特征

2DVD用于研究世界各地多处雨滴,高度从海平面到高达1.4km透过20年的一系列研究, Thurai博士和团队使用二维维D(Joannem研究数字)详细探寻降水物理特性迄今,它们的技巧从受控实验到实测自然雨滴

人工自然雨
研究团队研究人工雨动态,上游800米 桥为研究者提供理想机会 创建受控雨模拟水管倒桥顶时 流水流

水快速积聚稳定振荡滴子,以极速行至地面团队用2DVD处理115 000雨滴图像,直径介于1.5至9.5毫米之间。从这些测量中,它们可以积聚模拟滴子的概率轮廓,显示单个滴子采用特定形状和直径的可能性

绝大多数雨滴都与交替对齐即便平均直径大相径

Thurai博士和同事在后续工作中补充这些结果,测量大相径庭的自然雨滴,包括阿拉巴马州、美国和昆士兰州在大多数情况下 绝大多数雨滴都与交替对齐即便平均直径大相径但在更多极端情况下,不一定如此。

异常形状动荡
图赖博士尽管先前研究所测模式可靠性强,但显示雨滴旋转对称在受强强风时可破解,特别是在暴风中。在最近的研究中,她分析热带暴雨Nate生成的雨滴,Nate于2017年10月攻击美国海湾海岸取自阿拉巴马州Huntsville测量时,研究人员再次将2DVD测量与直角摄像头搭建组合,以确定单个滴子3D形状,然后由Austia州Graz的Joanneum研究的Michael Scheenhuber博士使用定制软件再生成

以风速和方向突变为特征的动荡条件中,他们发现滴子振荡变大 — — 不仅在常用垂直方向上,而且在两个横向轴上都变大表示在某些异常稀有的情况下旋转对称可破解反之,这些扭曲雨滴似乎少空气动力化,终端速度下降达下降30%之多 — — 研究者无法完全解释这一效果,但后来归结为阻塞扰动增强,可能下降速度减慢
对气象学和通信的影响

这项工作对天气预报有重要影响微波和短射波与雨滴直径相似波长,随雨流时很容易散居特征模式气象学家使用雷达系统同时发送两流两极化无线电波一对齐垂直方向,二横向由平面雨滴组成 气象学家可以微调这两个流 保证与雨滴有强连通

Thurai博士团队现在相信,除熔化高温冰粒外(例如土地下降和热带萧条),还可能由某些强暴生成的非对称小滴来抵消(但次阶下小滴)

团队旨在进一步探索这一效果,将雨滴测量与直接测量周围大气扰动结合起来开发新技术解析雨滴失真将使气象学家能够更好地估计极端天气雨量特征

更泛泛地说,图赖博士的发现为分钟提供了新洞察力,但却有影响力物理过程,这些过程在雨量事件期间展开展望未来,她希望这项工作可改善地球卫星路径通信,以微波和短射频形式传输和接收数据算出这些波流如何受扭曲小滴影响, 这种方法可导致暴风雨中更清晰地交换资讯

提高未来精度
Thurai博士期望利用新技术,包括3D声波测量风速和方向精确度组合精密技术高级数学计算后,团队旨在揭示各种作用背后机制,如扭曲滴子终端速度下降归根结底,他们的研究承诺取得重要进步,无论是天气预报系统还是无线电通信系统都如此,使全世界许多人受益