Abstract
eu sunt destul de sigur că vă confruntați cu regularitate precipitații și, uneori, ajunge destul de umed, deoarece nu aveți haine adecvate! Precipitațiile sunt atât o resursă necesară, deoarece umple râurile și furnizează apă dulce, cât și o amenințare potențială cu precipitații abundente care duc la inundații (posibil rapide). Un pas atât de necesar pentru a înțelege mai bine acest fenomen natural este măsurarea corectă a acestuia., Se dovedește a fi destul de dificil, deoarece precipitațiile sunt extrem de variabile în timp și spațiu. În această lucrare, veți afla funcționarea a trei dispozitive de măsurare a precipitațiilor care furnizează adâncimea cumulată a precipitațiilor (indicatoare de ploaie cu găleată), dimensiunea și viteza picăturilor care se încadrează (disdrometre) sau hărți ale precipitațiilor (radare meteorologice).
precipitațiile sunt una dintre cele mai frecvent împărtășite experiențe de pe Pământ și pariez că veți asista în mod regulat la aceasta. Uneori sunteți gata cu haine adecvate și, uneori, nu!, Precipitațiile sunt uneori lungi și ușoare, uneori scurte și grele și uneori lungi și grele. Când precipitațiile sunt lungi și grele, pot duce la inundații rapide, care sunt periculoase pentru populația din apropiere. Precipitațiile sunt, de asemenea, necesare, deoarece furnizează apă plantelor și în cele din urmă umple râurile. Deoarece precipitațiile reprezintă atât o resursă necesară, cât și o amenințare, este important să înțelegem mai bine acest fenomen natural.este foarte probabil că ați observat deja că ploaia este variabilă în timp. Când stați în același loc, nu plouă acolo tot timpul., Chiar și în timpul unui eveniment de precipitații, puterea precipitațiilor se poate schimba constant de la foarte ușoară la foarte puternică. Perioadele mai puternice de precipitații sunt de obicei destul de scurte. Acest tip de variabilitate a precipitațiilor este vizibil și pe o scară mai mare, deoarece, după cum știți, există luni sau ani mai umedi și cele mai uscate. Există, de asemenea, variabilitate în cazul în care are loc precipitații. Poate ploua mult într-o singură locație și deloc, sau cu o putere foarte diferită, la câțiva kilometri distanță sau chiar la câteva sute de metri distanță.variabilitatea este o caracteristică de bază a precipitațiilor care o face complexă pentru măsurare., Meteorologii (persoanele care studiază vremea) și cercetătorii au dezvoltat numeroase dispozitive de măsurare care le permit să studieze variabilitatea extremă a precipitațiilor. Vom explica funcționarea celor trei dispozitive Cele mai frecvent utilizate. Datele pe care le prezentăm au fost colectate în campusul Ecole des Ponts ParisTech, unde lucrez.
cum măsurăm Cantitatea de ploaie care cade?
cea mai frecventă măsurare a precipitațiilor este adâncimea totală a precipitațiilor într-o anumită perioadă, exprimată în milimetri (mm)., De exemplu, am putea dori să știm câți milimetri de ploaie au căzut pe parcursul a 1 h, 1 zi, 1 lună sau 1 an.puteți obține cu ușurință o măsurare brută a adâncimii precipitațiilor la domiciliu. Trebuie doar să urmați acești pași: (1) Luați o sticlă cu laturile netede, tăiați partea superioară și întoarceți-o cu susul în jos pe partea superioară a sticlei, pentru a crea un fel de pâlnie (vezi figura 1a). (2) Pune o riglă pe partea laterală a sticlei și umple sticla de apă până la marcajul zero pe riglă, care ar trebui să fie deasupra denivelărilor din partea inferioară a sticlei. Umflăturile ar afecta altfel măsurarea., (3) Aduceți indicatorul de ploaie afară, pe cât posibil de clădiri și copaci. (4) notați în mod regulat nivelul apei (de exemplu, în fiecare dimineață la 8:00 A.M. înainte de a merge la școală) pentru a vă colecta propriile date. Dacă intenționați să faceți măsurătorile în timpul verii, o parte din apa din sticlă se va evapora (până la câțiva mm pe zi) și acest lucru vă va afecta măsurătorile. Pentru a evita acest lucru, puteți adăuga un strat subțire de ulei în apă. Deoarece este mai ușor decât apa, uleiul va pluti pe partea superioară a apei și va preveni evaporarea., Măsurătorile pe care le obțineți de la indicatorul dvs. de ploaie vă vor spune cât de multe precipitații au avut loc într-o anumită perioadă de timp.
- Figura 1
- A. O casă de ploaie ecartament. B. Un profesionist galeata basculare ploaie ecartament. C. Un exemplu de date obținute cu un indicator de ploaie găleată basculare, care arată cât de mult ploaie (în mm, axa Y) a căzut în timp (axa X) pe 27 iunie 2017 peste campusul Ecole des Ponts ParisTech. Timpul corespunde orei ceasului din acea zi., Cea mai rapidă creștere, corespunzătoare ploii mai puternice, a avut loc între orele 13:00 și 14:00.
Profesioniști folosesc mai complicate dispozitive de basculare găleată indicatoare de ploaie și puteți vedea unul în Figura 1B. Acest pluviometru se pare ca dispozitiv de casă, cu excepția faptului că există două găleți de sub pâlnie. Apa care intră în indicatorul de ploaie va fi direcționată către o găleată de pâlnie. Odată ce găleata este umplută, de obicei după 0.,2 mm de ploaie cade, este proiectat să se încline automat, ceea ce înseamnă că cealaltă găleată va fi acum sub pâlnie. Procesul începe din nou cu această altă găleată, până când este umplută și sfaturi. Indicatorul de ploaie înregistrează timpul tuturor vârfurilor găleții, ceea ce va oferi cercetătorului date despre cât de repede ploaia cade în timp. Figura 1C prezintă un exemplu de date care pot fi obținute folosind un indicator de ploaie găleată basculare. Aceste observații au fost făcute la 27 iunie 2017. Adâncimea precipitațiilor (în mm) a crescut rapid între orele 13:00 și 14:00, ceea ce înseamnă că a plouat mult în acea perioadă., În timpul unei perioade de ploaie ușoară, Acest dispozitiv nu este foarte precis. De exemplu, între 05: 15 și 13:00, tot ce vă puteți da seama este că a căzut 0,2 mm de ploaie (un vârf de găleată), dar nu știți exact când a căzut ploaia. Dacă există o mulțime de vânt, care poate afecta, de asemenea, precizia dispozitivului.
cum măsurăm dimensiunea picăturilor de ploaie?
Din ce este format precipitațiile? Picături de ploaie, evident! Manometrele de ploaie nu sunt suficient de sensibile pentru a putea efectua măsurători ale picăturilor individuale de ploaie. Pentru a începe colectarea datelor despre picături și dimensiunea acestora, aveți nevoie de un dispozitiv numit disdrometru.,înainte de a descrie un disdrometru „real”, iată cum puteți face unul acasă (vezi Ref. pentru o descriere mai detaliată). Urmați acești pași: (1) Luați o farfurie și puneți câțiva milimetri de făină peste ea. (2) Când plouă, ieșiți afară cu placa acoperită, descoperiți-o timp de câteva secunde, astfel încât câteva picături să poată cădea pe ea și să creeze cratere mici, apoi să se întoarcă înăuntru. (3) analizați rezultatul.veți observa ceva similar cu ceea ce este prezentat în figura 2a și veți observa că picăturile nu au toate aceeași dimensiune—unele sunt foarte mici și unele sunt foarte mari!, De fapt, craterele sunt mai mari decât picăturile, deoarece apa se răspândește ușor după ce lovește placa, dar totuși vă permit să vizualizați direct marea varietate de dimensiuni ale picăturilor, chiar și într-un timp foarte scurt.
- Figura 2
- A. Măsurătorile obținute cu o casă disdrometer, din faina pe o farfurie. B. Un disdrometru optic. Se compune dintr-un emițător care generează o foaie de lumină spre receptor. Când o picătură cade prin dispozitiv, receptorul devine umbrit (vezi Ref., pentru o lucrare științifică care utilizează acest dispozitiv). C. date de Disdrometru care arată numărul de picături, pe baza claselor de dimensiuni ale picăturilor, măsurate în timpul unui eveniment de precipitații care a avut loc pe 27 iunie 2017 în campusul Ecole des Ponts ParisTech. Pe axa X, puteți vedea dimensiunea claselor de diametru și pe axa Y, numărul de picătură pentru acea clasă. După cum puteți vedea lățimea diferitelor clase nu este întotdeauna aceeași. Acestea sunt mai mici pentru picăturile mici care sunt mai numeroase D. rata precipitațiilor în mm / h (axa Y) în timp în h (axa X), în timpul aceluiași eveniment de ploaie prezentat în C., Acest grafic arată că trei vârfuri de precipitații au avut loc în acea zi.după cum vă puteți imagina, meteorologii și cercetătorii au dorit un dispozitiv mai automat și mai precis decât placa de făină! Acum ei folosesc în principal optice disdrometers, care funcționează ca în Figura 2B. Acest tip de disdrometer este format din două părți: un emițător și un receptor. Transmițătorul generează o foaie de lumină cu o înălțime de câțiva mm. Receptorul este aliniat cu emițătorul, ceea ce înseamnă că atunci când nu plouă, receptorul primește toată lumina., Cu toate acestea, atunci când o picătură trece prin foaia de lumină, ghici ce se întâmplă? Cantitatea de lumină primită este mai mică, deoarece o porțiune este blocată de picătură. Dacă scăderea scade foarte repede, durata scăderii luminii primite va fi scurtă. Acesta este modul în care este estimată viteza descendentă (viteza) picăturii care se încadrează. Dacă scăderea este mare, semnalul măsurat de receptor va scădea mai mult decât cu o scădere mai mică. Acesta este modul în care este estimată dimensiunea picătură. În acest fel, se măsoară dimensiunea și viteza fiecărei picături care trece între emițător și receptor.,picăturile de ploaie pot fi de până la 5-6 mm. picăturile mai mari sunt împărțite în timpul căderii. Într-adevăr, la această dimensiune nu sunt suficient de puternice pentru a rezista puterii vântului pe care îl simt atunci când cad rapid. Viteza cu care cad picăturile crește odată cu dimensiunea lor: picăturile de 1 mm cad la 3 m/s, în timp ce picăturile de 5 mm (Cele foarte mari) cad la 8 m/s. figura 2c arată numărul de picături de fiecare dimensiune care au căzut în timpul unei furtuni care a avut loc pe 27 iunie 2017 în zona Paris. Picăturile mici sunt mult mai numeroase decât cele mari. Dar nu uitați că o picătură de 1 mm are un volum de 125 de ori mai mic decât o picătură de 5 mm!, Aceasta înseamnă că, deși nu sunt numeroase, picăturile mari reprezintă o mare parte din adâncimea precipitațiilor. Să luăm acum în considerare etapele succesive de timp de 30 s. apoi, adăugând volumul tuturor picăturilor care au trecut prin disdrometru în timpul unei etape de timp de 30 s, puteți estima cantitatea de adâncime a ploii care a căzut în timpul fiecărei etape de timp de 30 s. Această estimare vă va oferi rata ploii și este de obicei exprimată în mm/h. rata ploii vă oferă o idee despre puterea precipitațiilor., Rata ploii corespunde adâncimii ploii care s-ar acumula peste 1 h, dacă rata ploii ar rămâne constantă în această oră (care de fapt nu apare niciodată în viața reală). Figura 2D arată rata ploii (în mm/h), cu pași de timp 30-s, în timpul aceluiași eveniment 27 iunie 2017. Variabilitatea puternică a ratei ploii poate fi văzută cu ușurință în grafic.
cum facem hărți de precipitații?până acum, am discutat doar despre dispozitive care pot furniza măsurători ale precipitațiilor într-o locație precisă., Ambele indicatoare de ploaie și disdrometre vă oferă doar o idee despre ploaia care a căzut pe ele, dar nu și în zonele înconjurătoare sau la 20 km distanță. Pentru a crea hărți ale precipitațiilor, care sunt hărți cu cantitatea de ploaie care a căzut într-un interval de timp dat (de exemplu, 5 min sau 1 h) în mai multe locații, trebuie să ne bazăm pe radarul meteorologic.funcționarea radarului meteorologic este rezumată în figura 3A. în primul rând, echipamentul radar transmite o undă electromagnetică într-o direcție, care transferă o anumită energie prin atmosferă., Când această energie ajunge la o picătură de apă într-un nor, o mică parte din acea energie este trimisă înapoi la echipamentul radar. Apoi, echipamentul măsoară această cantitate foarte mică de energie primită din toate picăturile. Folosind programe speciale de calculator, este posibil să convertiți cantitatea de energie primită în cantitatea de ploaie. Este important să rețineți că un radar nu măsoară direct cantitatea de ploaie, ci măsoară cantitatea de energie trimisă înapoi de picături. Această conversie a energiei în cantitatea de ploaie Se dovedește a fi dificilă și oamenii încă fac cercetări pentru ao îmbunătăți ., De exemplu, în prezent, distribuția dimensiunii picăturilor și locația picăturilor într-un pixel radar sunt considerate omogene. Este o simplificare a realității care poate afecta măsurătorile . Programul de calculator permite echipamentului radar pentru a estima cantitatea de precipitații în locuri care sunt departe de ea. Echipamentul radar se poate roti și își poate schimba unghiul, astfel încât să poată estima rata ploii în întreaga sa împrejurimi.
- Figura 3
- A., Radarul meteorologic funcționează prin trimiterea unui val în atmosferă unde picăturile returnează o parte din acesta pe radar. Echipamentul prezentat este situat în campusul Ecole des Ponts ParisTech. B. O hartă a precipitațiilor creată folosind datele obținute cu acest radar pe 15 septembrie 2016 pe parcursul a 3 min și 40 s. două celule de precipitații foarte intense sunt vizibile în partea inferioară a hărții.
în Funcție de tipul de radar, este posibil să se estimeze precipitații de până la 150-200 km de echipamente radar. Numeroase țări dezvoltate au o rețea de echipamente radar., Prin combinarea datelor colectate de toate echipamentele radar diferite, putem obține hărți ale precipitațiilor pe întreaga țară. Figura 3b prezintă un exemplu de hartă radar de precipitații măsurată cu ajutorul echipamentelor radar de la Ecole des Ponts ParisTech. Variabilitatea precipitațiilor poate fi văzută-observați cele două celule foarte intense din partea inferioară a hărții, în galben și roșu.
ce am învățat?
precipitațiile sunt extrem de variabile, atât în timp, cât și între diferite locații, ceea ce face foarte dificil de măsurat., Un indicator de ploaie colectează practic apa care cade pe ea și înregistrează schimbarea în timp a adâncimii precipitațiilor, care este de obicei exprimată în mm. puteți obține informații mult mai detaliate cu disdrometre. Un drisdrometru generează o foaie de lumină care este parțial blocată atunci când o picătură cade prin ea. Mărimea și viteza fiecărei picături care trece prin foaia de lumină este estimată din cantitatea de lumină blocată., Pentru a crea hărți ale precipitațiilor care măsoară precipitațiile în mai multe locații, trebuie să folosim radarul, care practic trimite o anumită energie în atmosferă și analizează porțiunea din acea energie care este returnată atunci când ricoșează din picăturile de ploaie din atmosferă. Există încă o mulțime de oameni de știință care lucrează pentru a măsura cu precizie precipitațiile în timp și în mai multe locații simultan.
Glosar
indicatoare de ploaie pentru găleți de basculare: un dispozitiv care măsoară adâncimea cumulată a precipitațiilor (în mm) într-o locație precisă.,Disdrometru: un dispozitiv care măsoară dimensiunea și viteza fiecărei picături de ploaie care trece prin ea.radar meteorologic: un dispozitiv care permite calcularea hărților precipitațiilor pe o suprafață mare pentru diferite etape de timp (de exemplu, 5 min, 1 h și 1 zi).
omogen: fiind de același fel peste tot.
Conflict de interese declarație
autorul declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.,
mulțumiri
autorii recunosc în mare măsură sprijinul financiar parțial din partea catedrei „Hidrologie pentru orașe rezistente” (înzestrată de Veolia) a Ecole des Ponts ParisTech.