Wykład 7 Pomiary opadów oraz parowania

1. Wykład 7Pomiary opadów oraz parowania Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Opad atmosferyczny, docierający do powierzchni ziemi, określany jest jako płynny lub stały produkt kondensacji pary wodnej wypadający z chmur lub osadzany z powietrza na gruncie. • Głównymi rodzajami opadów są: • Deszcz • Mżawka • Śnieg • Krupy śnieżne • Śnieg ziarnisty • Grad • Słupki lodowe • Ze względu na czas trwania, opady dzielimy na: • ciągłe • przelotne

3. Opady atmosferyczne opisuje się, podając ich rodzaj oraz charakter. • Wysokość opadu, którą wyraża się w milimetrach, oznacza grubość warstwy wody, jaka utworzyłaby się na powierzchni Ziemi, gdyby woda pochodząca z opadu nie spływała, nie wsiąkała i nie parowała. • Natężenie opadu określa się jako szybkość z jaką wysokość opadu narastałby na powierzchni poziomej, gdyby uniemożliwić wodzie odpływ , wsiąkanie i parowanie. • Opad atmosferyczny jest parametrem o dużej zmienności przestrzenne i czasowej dlatego obserwacje opadów obarczone są: systematycznymi i przypadkowymi błędami metody pomiaru punktowego błędami wynikającymi z metod uśredniania pomiarów punktowych lub ekstrapolacji na tym obszarze błędami z powodu zmienności przestrzennej i czasowej opadu.

4. Wymagania WMO dotyczące dokładności pomiarów • Suma opadu mierzona miedzy 2 obserwacjami: 0.1 mm do 10 mm i 2% powyżej (na potrzeby klimatologii) 0.2 mm do 5 mm i 2% powyżej (na potrzeby meteo. synoptycznej) • Natężenie opadu: 0.5 mm/h do 25 mm/h, 2% dla wyższych natężeń (średnia 1 minutowa na potrzeby klimatologii), 0.02 mm/h do 2 mm/h, 0.2 mm/h dla natężeń od 2-10 mm/h i 2% dla wyższych natężeń (średnia 10 minutowa na potrzeby meteorologii synoptycznej)

5. Grubość pokrywy śnieżnej: 1 cm (średnia z kilku pomiarów dla potrzeb klimatologii), 1 cm po niżej 20 cm i 5% powyżej (dla potrzeb meteorologii synoptycznej) • Gęstość śniegu:  0.01 g/cm3. • Wodny równoważnik śniegu: 2 mm do 20 mm i 10% powyżej.

6. Naziemne metody pomiaru opadów • Wysokość opadu (metody standardowe): Standardowy deszczomierz dobowy Deszczomierz jamowy Totalizator Pluwiograf pływakowy Pluwiograf kroplowy Pluwiograf komoro-zaworowy • Wysokość opadu (metody specjalne): Deszczomierz stokowy Wektopluwiometr Mikropluwiometr mikrolimnimetr metody objętościowe

7. Wysokość opadu (metody wagowe): Pluwiograf wagowy Pluwiometr korytkowo-wywrotny Lizymetr (pomiary specjalne) • Natężenie opadu (metody objętościowe): Pluwiograf pływakowy Pluwiograf kroplowy Pluwiograf komorowo-zaporowy Radar meteorologiczny • Natężenie opadu (metody wagowe): Pluwiograf wagowy Pluwiometr korytkowo-wywrotny • Natężenie opadu (metody optyczne): analizator widma kropel

8. Standardowy deszczomierz dobowy-deszczomierz Hellmanna

9. Totalizator – służy do pomiaru sum opadów przez okres miesiąca czy roku w odległych i najczęściej niedostępnych miejscach. • Deszczomierz jamowy – jest deszczomierzem standardowym umieszczonym w dole o odpowiednich rozmiarach tak aby poziom wlotu deszczomierza był na poziomie powierzchni gruntu. Używany jest jako przyrząd wzorcowy we wszystkich międzynarodowych programach kalibracyjnych. • Deszczomierz stokowy – deszczomierz o powierzchni wlotowej równoległej do nachylenia zbocza. • Wektopluwiometr i oktopluwiometr – składa się ze sztandarowego deszczomierza o poziomej płaszczyźnie recepcyjnej oraz deszczomierza o pionowej płaszczyźnie wlotowej oraz steru kierunkowego (wiatrowskazu) ustawiającego płaszczyznę pionowa deszczomierza pod wiatr. Dane z tego przyrządu dają informacje o kierunku z którego występują opady i o kącie padania kropel deszczu

10. Deszczomierze rejestrujące • Pluwiograf pływakowy – przyrząd mechaniczny rejestrujący wysokość opadu w funkcji czasu za pomocą układu zegarowego. Opad gromadzi się w komorze o pojemności równoważnej wysokości opadu 10 mm, zaś poziom wody rejestrowany jest za pomocą mikrolimnimetru pływakowego. • Pluwiometr kropelkowy – elektroniczny przyrząd do pomiaru natężenia opadu. Opad przechwytywany jest za pomocą standardowego kolektora opadów spływa do urządzenia, które formuje krople o jednakowej objętości. Liczba kropel zliczana w jednostce czasu jest miara natężenia opadu. Krople zliczane są przed jeden z mechanizmów: • Odpowiednio czułym mechanizmem z korytkiem wywrotowym i czujnikiem impulsów • Czujnika konduktometrycznego, którego elektrody zwierane są każdorazowo przez spadają krople • Licznika fotoelektrycznego kropel

11. Pluwiograf

12. Pluwiometr korytkowo-zaporowy – opad gromadzi się w komorze, w której po napełnieniu następuje otwarcie zaworu spustowego zamkniecie dopływu opadu. Układ elektroniczny rejestruje to zdarzenie i pozwala wyznaczyć natężenie opadu. • Pluwiograf wagowy – układ elektroniczny rejestruje ciężar opadu przy pomocy czujników tensometrycznych. Opróżnianie zbiornika odbywa się ręcznie lub za pomocą lewara • Pluwiometr korytkowo-wywrotowy – układ składa się z ruchomego korytka złożonego z dwóch identycznych komór. Po napełnieniu jednej z nich określona ilością opadu następuje przeważenie i napełniana jest druga z komór. Układ elektroniczny rejestruje każde z tych zdarzeń (np. za pomocą np. kontaktronu)

13. Mechanizm korytkowo-wywrotowy

14. Źródła błędów deszczomierzów 1.Czynniki Instrumentalne 2. Czynniki pogodotwórcze • Błędy systematyczny wywołane wiatrem • Błędy systematyczny wywołane zwilżaniem • Błędy systematyczny wywołane parowaniem • Błędy systematyczny wywołane bryzgami (odbiciami kropel deszczu o podłoże) • Błędy ekspozycyjne deszczomierzy • Błędy w ocenie obszarowej opadu

15. Źródłabłędów

16. Modyfikacja przepływu wokół wlotu deszczomierza

17. Metody optyczne Obecnie coraz szerzej stosowane są metody optyczne. Analiza widmowa promieniowania rozproszonego na kroplach pozwala na szacowanie ich wielkości oraz koncentracji. Przyrządy tego typu noszą nazwę analizatorów widma kropel Wielkości produktów kondensacji 1 m – jądra kondensacji 10 m - typowa kropla chmurowa 50 m - duża kropla chmurowa 100 m - mżawka 1 mm - typowa kropla deszczu

18. Przyrząd do pomiaru widzialności oraz natężenia opadu

19. Distrometr • Przyrząd do pomiaru wielkości kropel deszczu oraz prędkości ich opadania. • Istnieje wiele odmian distrometrów o zasadzie działania opartej miedzy innymi na: • Pomiarach optycznych (analiza obrazu oraz pomiar zmiany transmisji promieniowania) • Pomiarach akustycznych (detektorem jest czuła błona rozpostarta nad mikrofonem) • Pomiarach energii kinetycznej opadających kropel (detektor jest czuła waga elektroniczna)

20. Distrometr Optyczny An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 17, No. 2, pp. 130–139.

22. Wiązka światła emitowanego przez diodę laserowa (780 nm, moc 3 mW) ma wymiary: 30 mm x 1 mm oraz 160 mm długości. • Detektorem jest pojedyncza fotodioda • Przy braku kropel napięcie wyjściowe wynosi 5V. Hydrometeory przesuwające się w obszarze wiązki powodują redukcje sygnału w skutek procesów ekstynkcji • Napięcie spada proporcjonalnie do obszaru światła blokowanego przez krople (przyrząd działa w obszarze rozpraszania geometrycznego) • Długość trwania zaburzenia sygnału pozwala oszacować prędkość opadania cząstki • Układ optyczny przewidziany jest na pomiar ekstynkcji w czasie większym od 2 ms. Np. dla płatków śniegu czas ten jest dłuższy • Rozmiar cząstek jest wyznaczany na podstawie maksymalnej redukcji sygnału. Zakłada się przy tym, że cząstki są sferyczne. Dla płatków śniegu założenie to jest często błędne jednak w tym przypadku stosuje się analizę po zespole statystycznym rejestrowanym w czasie 60 s, która daje pełniejszą informacje o wielkości płatków śniegu.

23. Metody zdalne-Radary • Radary pozwalają na obserwacje opadów , jednak ze względu na trudności interpretacyjne sygnału odbitego (tzw. odbiciowości) nie istnieją „skuteczne metody” na obliczanie wysokości opadów na podstawie pomiarów radarowych. • Odbiciowość Z r6 • Więcej o radarach będzie w dalszej części wykładu

24. Wstęp • Parowanie • Transpiracja – parowanie z roślin • Ewapotranspiracja – sumaryczne parowanie z wody, gleby i roślin. • Parowanie zależy od następujących czynników • Ilości dostarczanego ociepla (głównie przez promieniowanie) • Gradientu prężności pary wodnej pomiędzy powierzchnia parującą a otoczeniem • Temperatury powierzchni parującej • Prędkości wiatru tuż nad powierzchnią • Powierzchni parującej • Ciśnienia atmosferycznego • Stanu powierzchni parującej

25. Parowanie potencjalne (zdolnośćewaporacyjnaatmosfery) • Parowanie rzeczywiste, na które składa się parowanie z powierzchni wody, gruntu i z roślinności

26. Parowanie q wilgotność właściwa kv =2 10-5 m2/s Natężenie parowania  D –niedosyt wilgotności względem temp. wody. Na stacjach mierzony jest względem temp. powietrza Wzór Daltona v prędkość wiatru na 10 metrach

27. Ponadto na wielkość parowania mają wpływ: • Rodzaj wegetacji • Głębokość gleby objętej systemem korzeniowym roślin • Całkowita powierzchnia ulistnienia i porów. • Natężenie parowania jest definiowane jako suma strat wody wyparowanej w jednostce powierzchni w jednostce czasu. • Wymagania stawiane przez WMO Dokładność pomiaru parowania: 0.1 mm do 5 mm i 2% dla większych ilości (dla potrzeb klimatologii) 0.5 mm (suma dobowa) (dla potrzeb hydrologii)

28. Przyrządy do pomiaru parowania • Atmometry – przyrządy wykorzystują sztuczne porowate powierzchnie, które są zwilżane w celu określenia parowania. Parowanie określa się metodą wagową. • Ewaporometry – sztuczne zbiorniki wody o powierzchni swobodnej, o różnych powierzchnia czynnych i rożnej ekspozycji. Parowanie okresie się przez pomiar różnicy poziomu wody • Ewapotranspirometry – sztuczne, zagłębione zbiorniki oddzielone od otoczenia, wypełnione woda i posiadające tę samą pokrywę rośliną jak obszary otaczające. Natężenie ewapotranspiracji mierzone jest za pomocą rejestracji zmian ciężaru zbiornika • Lizymetry – urządzenie do przechwytywania wody opadowej infiltrującej w głąb przez otwory na jej powierzchni oraz do wyznaczania potencjalnego natężenia ewapotranspiracji jako różnicy zmierzonych objętości opadu oraz odpływu podziemnego.

29. Ewaporometry • Ewaporometr Piche'a • Ewaporometr Wilda

30. Atmometry • Atmometr Piche’a Głównym elementem jest szklana rurka o długości 22.5 cm zakończona bibuła o powierzchni S=13.8 cm2 z której paruje woda. Pomimo swojej prostoty przyrząd ma swoje wady i braki. Na wskazania maja znaczny wpływ: • Zmiany powierzchni parującej na skutek osadzania się kurzu • Fluktuacje prędkości przepływu powietrza w klatce meteorologicznej • Jakość bibuły filtracyjnej • Zmiany rozmiarów bibuły • Strata wody z powodu kapania

31. Ewaporometry • Wilda – zbiornik o powierzchni S=200 cm2 umieszczony na wadze. Przyrząd nie jest obecnie już używany • Używane zbiorniki ewaporometryczne: • Amerykański klasy A (średnica 1.21 m, głębokość 25.5 cm) • GGI 3000 (średnica 61.8 cm, głębokość około 60 cm) Są one umieszczane w dwojaki sposób: • W gruncie tak, że powierzchnia wody znajduje się blisko powierzchni gruntu • Ponad gruntem, gdy całe urządzenie i powierzchnia parująca znajdują się na niewielkiej wysokości ponad gruntem Poziom wody mierzy się za pomocą wodowskazu. Wodę uzupełnia się aby poziom nie zmieniał się więcej niż o 5-10 mm

32. Ewaporometry rejestrujące • Istnieje kilka automatycznych ewaporometrów. Najczęściej poziom wody otrzymywany jest na stałym poziomie. Regulowany jest przez system zaworów a za pomocą mikrolimnigrafu pływakowego rejestruje się ilość dolewanej lub spuszczanej wody. • Główna wada jest niewystarczająca dokładność pracy obu zaworów. • Innym przykładem jest przyrząd hydroakustyczny w którym zmiany wody wywołane parowaniem i opadami mierzone są za pomocą precyzyjnego hydroakustycznego miernika poziomu wody.

33. Ewapotranspirometry • Lizymetr glebowy- składa się z wagi na której znajduje się grunt o grubości 1 metra. Znając ilość wody dostarczonej glebie przez opady atmosferyczne można wyznaczyć wielkość parowania powierzchni gleby, także transpiracji wody przez rośliny.

34. Źródła błędów pomiarów ewaporometrycznych • Kształt powierzchni parującej (parowanie z powierzchni eliptycznej jest większe niż z powierzchni kolistej) • Ekspozycja powierzchni parującej (ze względu na osłonięcie od wiatru) • Wielkość zbiornika – „efekt krawędziowy” – parowanie z obszarów bliskich krawędzi jest większe w porównaniu z inna częścią zbiornika (efekt turbulencyjny) • Barwa ścian i dna zbiornika • Ubytki wody z zbiorniku spowodowane przez ptaki, owady itd. • Uwzględniony niepoprawnie opad • Zmiany temperatury wody (rozszerzalność temp. wody) • Zanieczyszczenia powierzchni • Poziom wody w zbiorniku

35. Pomiary pokrywy śnieżnej 1. Pomiary grubości pokrywy śnieżnej • Śniegowskaz przenośny • Śniegowskaz stały • Śniegowskaz ultradźwiękowy 2. Pomiary równoważnika wodnego • Płyta śniegowa • Śniegomierz wagowy • Śniegomierz objętościowy 3. Pomiary zasobów wody w pokrywie śnieżnej • Śniegomierz ciśnieniowy • Śniegomierz radioizotopowy

36. Wymogi WMO • Grubość pokrywy śnieżnej mierzy się z dokładnością do 1 cm) • Gęstości śniegu wyznacza się z dokładnością 0.01 g/cm3 . Zmienia się ona w przedziale od 0.03 do 0.4 g/cm3. • Wodny równoważnik śniegu wyznaczany jest z dokładnością do 0.1 mm/cm.

37. Śniegowskaz - to prosty przyrząd w kształcie miarki umieszczonej w glebie lub przenośny. • Płyta śniegowa do pomiaru wodnego równoważnika śniegu. Składa się z dysku o średnicy 35.7 cm oraz umieszczonego po środku pręta. Ustawia się ją na powierzchni śniegu (lub gleby). Po opadach mocuje się na niej metalowy kołnierz i wydobywa ze śniegu. Następnie topi śnieg i mierzy objętość wody. • Śniegomierz objętościowy – służy do pobierania prób śniegu o określonej objętości: 100 lub 200 cm3 • Śniegomierz wagowy służy do pomiaru gęstości lub wodnego równoważnika śniegu za pomocą specjalnej sondy. Wielkości te wyznacza się w wyniku pomiaru grubości pokrywy śnieżnej oraz ciężaru próbki.

38. Śniegomierz ultradźwiękowy • Przyrząd składa się z nadajnika i odbiornika umieszczonego na pewnej wysokości nad gruntem. • Głośnik emituje fale dźwiękowa o częstości około 40 kHz która jest odbijana od powierzchni śniegu i dociera do odbiornika • Czas po jakim fala dociera do odbiornika jest proporcjonalny do odległości pomiędzy powierzchnia śniegu a odbiornikiem/nadajnikiem. • Jest to metoda zdalna analogiczna do pomiarów radarowych wysokości poziomu oceanu z wysokości orbit satelitów polarnych • Dokładność przyrządów wynosi około 1 cm przy temperaturach -40 do 25 C

40. Błędy śniegowskazów ultradźwiękowych • Rozpraszanie i tłumienie fali akustycznej w czasie opadów śniegu • Struktura śniegu na powierzchni • Wpływ wiatru wywołuje: • Dryf fali akustycznej wprowadzając nieznane błędy • Zmianę prędkości propagacji pod wpływem składowej pionowej • Zerwanie fali pod wpływem dużych prędkości i dużym opadzie • Topnienie śniegu • Zagęszczanie śniegu • Pochylenie powierzchni śniegu

41. Pomiar zasobów wodnych w pokrywie śnieżnej • Śniegomierz ciśnieniowy – śnieg swoim ciężarem działa na poduszkę pomiarową wypełniona niezamarzającą cieczą. Ta kolei przepływa do kolumny pomiarowej gdzie mierzona jest jej wysokość. • Śniegomierz izotopowy- wykorzystywanie jest zjawisko pochłaniania promieniowania  przy przejściu przez warstwę śniegu. Pozwala wyznaczyć zawartość wody w warstwie śniegu