Осадкомер (также известный как удометр , плювиометр, омброметр и гетометр ) — это прибор, используемый метеорологами и гидрологами для сбора и измерения количества жидких осадков на заранее определенной территории за установленный период времени. [1] Он используется для определения глубины осадков (обычно в мм), выпадающих на единицу площади, и измерения количества осадков.
Первые известные записи об осадках были сделаны древними греками около 500 г. до н. э. [ необходима цитата ]
Люди, живущие в Индии, начали регистрировать количество осадков в 400 г. до н. э. [2] Показания были сопоставлены с ожидаемым ростом. В « Артхашастре» , используемой, например, в Магадхе , были установлены точные стандарты производства зерна. Каждое государственное хранилище было оборудовано дождемером для классификации земель в целях налогообложения. [3] Измерение количества осадков также упоминалось в еврейском тексте в Палестине. [4] В 1247 году китайский математик и изобретатель династии Сун Цинь Цзюшао изобрел дождемеры и снегомеры бассейна Тяньчи для сравнения измерений дождя и снегопада, а также других форм метеорологических данных. [5] [6]
В 1441 году во время правления Седжона Великого из династии Чосон в Корее был изобретен Чхвегуги как первый стандартизированный дождемер. [7] [8] [9] В 1662 году Кристофер Рен в сотрудничестве с Робертом Гуком создал первый в Британии дождемер с опрокидывающимся ведром . [7] Гук также спроектировал ручной дождемер с воронкой, который производил измерения в течение всего 1695 года.
Ричард Таунли был первым, кто проводил систематические измерения осадков в течение 15 лет с 1677 по 1694 год, опубликовав свои записи в Philosophical Transactions of the Royal Society . Таунли призвал провести больше измерений в других местах страны, чтобы сравнить количество осадков в разных регионах, [10] хотя, похоже, только Уильям Дерхэм принял вызов Таунли. Они совместно опубликовали измерения осадков для Таунли-парка и Апминстера в Эссексе за 1697–1704 годы. [11]
Натуралист Гилберт Уайт проводил измерения для определения среднего количества осадков с 1779 по 1786 год, хотя это был его зять Томас Баркер , который проводил регулярные и тщательные измерения в течение 59 лет, регистрируя температуру, ветер, барометрическое давление , количество осадков и облака. Его метеорологические записи являются ценным источником знаний о британском климате 18-го века. Он смог продемонстрировать, что среднее количество осадков сильно варьировалось из года в год с малозаметной закономерностью. [12]
.JPG/1280px-GeorgeJamesSymons(1838-1900).JPG)
Метеоролог Джордж Джеймс Саймонс опубликовал первый ежегодный том British Rainfall в 1860 году. Эта новаторская работа содержала записи об осадках со 168 наземных станций в Англии и Уэльсе. Он был избран в совет Британского метеорологического общества в 1863 году и сделал делом своей жизни исследование осадков на Британских островах. Он создал добровольную сеть наблюдателей, которые собирали данные, которые возвращались ему для анализа. Он был настолько успешен в этом начинании, что к 1866 году он смог показать результаты, которые давали справедливое представление о распределении осадков, и число регистраторов постепенно увеличивалось, пока последний том British Rainfall, который он дожил до редактирования, за 1899 год, не содержал цифры с 3528 станций — 2894 в Англии и Уэльсе , 446 в Шотландии и 188 в Ирландии . Он также собрал старые записи об осадках, насчитывающие более ста лет. В 1870 году он составил отчет об осадках на Британских островах, начиная с 1725 года.
Из-за постоянно растущего числа наблюдателей возникла необходимость в стандартизации уровнемеров. Саймонс начал экспериментировать с новыми уровнемерами в своем собственном саду. Он пробовал разные модели с вариациями по размеру, форме и высоте. В 1863 году он начал сотрудничать с Майклом Фостером Уордом [13] из Кална , Уилтшир , который провел более обширные исследования. Привлекая Уорда и других людей по всей Британии, исследования продолжались до 1890 года. Эксперименты были примечательны своим планированием, выполнением и выводами. Результаты этих экспериментов привели к постепенному принятию известного стандартного уровня, который до сих пор используется Метеорологическим управлением Великобритании , а именно, сделанного из «... меди, с пятидюймовой воронкой, имеющей латунный ободок на высоте одного фута над землей ...» [14]
Большинство современных дождемеров обычно измеряют осадки в миллиметрах по высоте, собранные за определенный период, что эквивалентно литрам на квадратный метр. Раньше дождь регистрировался в дюймах или точках, где одна точка равна 0,254 мм или 0,01 дюйма. [15]
Показания дождемера считываются вручную или автоматической метеостанцией (AWS). Частота считывания будет зависеть от требований агентства по сбору данных. Некоторые страны дополняют платного наблюдателя за погодой сетью волонтеров для получения данных об осадках (и других типах погоды) для малонаселенных районов.
В большинстве случаев осадки не сохраняются, но некоторые станции отправляют данные об осадках и снегопаде на анализ, который проводится для определения уровня загрязняющих веществ.
У дождемеров есть свои ограничения. Попытка собрать данные о дожде в тропическом циклоне может быть почти невозможной и ненадежной (даже если оборудование выживет) из-за экстремальных ветров. Кроме того, дождемеры показывают только количество осадков в локализованной области. Практически для любого дождемера капли будут прилипать к стенкам или воронке собирающего устройства, так что количество будет немного занижено, а значения в 0,01 дюйма или 0,25 мм могут быть зарегистрированы как « след ».
Другая проблема возникает, когда температура близка к нулю или ниже нуля. На воронку может попасть дождь, а в датчике может скапливаться лед или снег, блокируя последующий дождь. Чтобы облегчить это, датчик может быть оснащен автоматическим электрическим нагревателем, чтобы поддерживать его влагосборные поверхности и датчик немного выше нуля.
Дождемеры следует размещать на открытой местности, где нет зданий, деревьев или других препятствий, которые могут блокировать дождь. Это также необходимо для того, чтобы вода, собирающаяся на крышах зданий или листьях деревьев, не капала в дождемер после дождя, что приводит к неточным показаниям.
.JPG/1280px-Automatic_Rain_gauge(Interior).JPG)
Типы дождемеров включают градуированные цилиндры , весовые датчики, опрокидывающиеся ковшовые датчики и просто заглубленные коллекторы. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки при сборе данных о дожде.
Стандартный дождемер Национальной метеорологической службы США , разработанный в начале XX века, состоит из воронки диаметром 8 дюймов (200 мм), опорожняющейся в градуированный цилиндр диаметром 2,525 дюйма (64,1 мм), который помещается в больший контейнер диаметром 8 дюймов (200 мм) и высотой 20 дюймов (510 мм). Если дождевая вода переливается через градуированный внутренний цилиндр, то ее собирает больший внешний контейнер. Когда проводятся измерения, измеряется высота воды в малом градуированном цилиндре, а избыток перелива в большом контейнере осторожно переливается в другой градуированный цилиндр и измеряется, чтобы получить общее количество осадков. Иногда используется конический счетчик, чтобы предотвратить утечку , которая может привести к изменению данных. В местах, где используется метрическая система, цилиндр обычно маркируется в мм и измеряет до 250 мм (9,8 дюйма) осадков. Каждая горизонтальная линия на цилиндре составляет 0,5 мм (0,02 дюйма). В регионах, где используются имперские единицы измерения, каждая горизонтальная линия соответствует 0,01 дюйма (0,25 мм).
Плювиометр интенсивности (или плювиометр Жарди) — это инструмент, который измеряет среднюю интенсивность осадков за определенный промежуток времени. Первоначально он был разработан для регистрации режима осадков в Каталонии, но со временем распространился по всему миру. [16]
В нем используется принцип обратной связи ... поступающая вода толкает буй вверх, заставляя нижнюю «регулировочную коническую иглу» пропускать такое же количество воды, которое поступает в емкость, таким образом... стрелка регистрирует на барабане количество воды, протекающей через него в каждый момент — в мм осадков на квадратный метр.
Он состоит из вращающегося барабана, который вращается с постоянной скоростью , этот барабан тянет за собой градуированный лист картона, на оси абсцисс которого указано время , а на оси Y указана высота осадков в мм . Эта высота регистрируется ручкой, которая движется вертикально, приводимая в движение буем, отмечая на бумаге количество осадков с течением времени. Каждый лист картона обычно используется в течение одного дня.
Когда идет дождь, вода, собранная воронкой, падает в контейнер и поднимает буй, который заставляет ручку ручки подниматься по вертикальной оси, отмечая картон соответствующим образом. Если количество осадков не меняется, уровень воды в контейнере остается постоянным, и пока барабан вращается, отметка ручки представляет собой более или менее горизонтальную линию, пропорциональную количеству упавшей воды. Когда ручка достигает верхнего края регистрирующей бумаги, это означает, что буй находится «высоко в баке», оставляя кончик конической иглы таким образом, что открывает регулирующее отверстие, т. е . максимальный поток, который способен записать аппарат. Если дождь внезапно уменьшается, заставляя контейнер (по мере его опорожнения) быстро опускать буй, это движение соответствует крутой наклонной линии, которая может достичь дна регистрируемого картона, если дождь прекратится.
Измеритель интенсивности осадков позволил регистрировать осадки на протяжении многих лет, особенно в Барселоне (95 лет), не считая многих других мест по всему миру, таких как Гонконг. [16] [17]
Весовой осадкомер состоит из бункера для хранения, который взвешивается для регистрации массы. Некоторые модели измеряют массу с помощью ручки на вращающемся барабане или с помощью вибрирующей проволоки, прикрепленной к регистратору данных . [8] Преимущества этого типа осадкомер по сравнению с опрокидывающимися ковшами заключаются в том, что он не недооценивает интенсивный дождь и может измерять другие формы осадков, включая дождь, град и снег. Однако эти осадкомер более дороги и требуют большего обслуживания, чем опрокидывающиеся ковшовые осадкомеры.
Регистрирующий датчик весового типа может также содержать устройство для измерения количества химикатов, содержащихся в атмосфере места. Это чрезвычайно полезно для ученых, изучающих воздействие парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу, и их влияние на уровни кислотных дождей . Некоторые блоки Автоматизированной системы наблюдения за поверхностью (ASOS) используют автоматизированный весовой датчик, называемый AWPAG (All Weather Precipitation Accumulation Gauge).
Опрокидывающийся дождемер состоит из воронки, которая собирает и направляет осадки в небольшой контейнер, похожий на качели . После того, как выпадает заданное количество осадков, рычаг наклоняется, сбрасывая собранную воду и посылая электрический сигнал. Старомодное записывающее устройство может состоять из ручки, установленной на рычаге, прикрепленном к зубчатому колесу, которое движется один раз с каждым сигналом, посылаемым коллектором. В этой конструкции, когда колесо поворачивается, ручка ручки движется либо вверх, либо вниз, оставляя след на графике и в то же время издавая громкий «щелчок».
Опрокидывающийся ковшовый дождемер не так точен, как стандартный дождемер, потому что осадки могут прекратиться до того, как рычаг наклонится. Когда начинается следующий период дождя, может потребоваться не более одной или двух капель, чтобы наклонить рычаг. Это будет означать, что выпало заданное количество, когда на самом деле выпала лишь часть этого количества. Опрокидывающиеся ковши также имеют тенденцию недооценивать количество осадков, особенно в случае снегопада и сильных ливней. [18] [19] Преимущество опрокидывающегося ковшового дождемера заключается в том, что характер дождя (слабый, средний или сильный) может быть легко получен. Характер осадков определяется общим количеством осадков, выпавших за установленный период (обычно 1 час), путем подсчета количества импульсов за этот период. Алгоритмы могут применяться к данным в качестве метода коррекции данных для интенсивных осадков.
Современные опрокидывающиеся дождемеры состоят из пластикового коллектора, сбалансированного на шарнире. Когда он наклоняется, он активирует переключатель (например, геркон ), который затем регистрируется в электронном виде или передается на удаленную станцию сбора.
Датчики опрокидывания также могут включать элементы весовых датчиков, при этом тензодатчик крепится к ведру сбора, чтобы можно было в любой момент считать точное количество осадков. Каждый раз, когда коллектор опрокидывается, тензодатчик (датчик веса) обнуляется, чтобы исключить любой дрейф.
Для измерения водного эквивалента замороженных осадков можно нагреть опрокидывающееся ведро, чтобы растопить лед и снег, попавшие в его воронку. Без нагревательного механизма воронка часто засоряется во время замороженных осадков, и, таким образом, осадки невозможно измерить. Многие устройства Автоматизированной системы наблюдения за поверхностью (ASOS) используют подогреваемые опрокидывающиеся ведра для измерения осадков. [20]
Этот тип датчика имеет ряд воронок для сбора. В закрытом пространстве под каждой из них находится лазерный диод и фототранзисторный детектор . Когда воды собирается достаточно, чтобы сделать одну каплю, она падает со дна, попадая на путь лазерного луча. Датчик устанавливается под прямым углом к лазеру, так что рассеивается достаточно света, чтобы быть обнаруженным как внезапная вспышка света. Затем вспышки от этих фотодетекторов считываются и передаются или записываются. Различные типы оптических дальномеров использовались на протяжении десятилетий. Технология также совершенствовалась.
Акустические дисдрометры , также называемые гидрофонами, способны улавливать звуковые сигнатуры для каждого размера капли, когда дождь ударяется о поверхность воды в пределах датчика. Поскольку каждая звуковая сигнатура уникальна, можно инвертировать подводное звуковое поле, чтобы оценить распределение размера капли в дожде. Выбранные моменты распределения размера капли дают скорость осадков, накопление осадков и другие свойства осадков. [21]
