Измерение количества осадков. Автоматизация процессов измерения осадков

Гололёд - слой плотного стекловидного льда (гладкого или слегка бугристого), образующийся на растениях, проводах, предметах, поверхности земли, в результате намерзания частиц осадков (переохлаждённой мороси, переохлаждённого дождя, ледяного дождя, ледяной крупы, иногда дождя со снегом) при соприкосновении с поверхностью, имеющей отрицательную температуру. Наблюдается при температуре воздуха чаще всего от 0 до −10° (иногда до −15°), а при резком потеплении (когда земля и предметы ещё сохраняют отрицательную температуру) - при температуре воздуха 0…+3°. Сильно затрудняет передвижение людей, животных, транспорта, может приводить к обрывам проводов и обламыванию ветвей деревьев (а иногда и к массовому падению деревьев и мачт линий электропередач). Нарастание гололёда продолжается столько, сколько длятся переохлаждённые осадки (обычно несколько часов, а иногда при мороси и тумане - несколько суток). Сохранение отложившегося гололёда может продолжаться несколько суток.

Гололедица - слой бугристого льда или обледеневшего снега, образующийся на поверхности земли вследствие замерзания талой воды, когда после оттепели происходит понижение температуры воздуха и почвы (переход к отрицательным значениям температуры). В отличие от гололёда, гололедица наблюдается только на земной поверхности, чаще всего на дорогах, тротуарах и тропинках. Сохранение образовавшейся гололедицы может продолжаться много дней подряд, пока она не будет покрыта сверху свежевыпавшим снежным покровом или не растает полностью в результате интенсивного повышения температуры воздуха и почвы.

3. Химический состав атмосферных  осадков

 

В атмосферных осадках преобладают: НСО3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+. Они поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса ветром солей с моря, растворения солей и пыли континентального происхождения, вулканических эксгаляций и других источников. Общее количество растворенных веществ, как правило, не превышает 100 мг/л, часто оно меньше 50 мг/л. Это ультрапресные воды, но местами минерализация осадков повышается до 500 мг/л и более. рН дождевой воды обычно 5-7. Дождевая вода содержит также некоторое количество перекиси водорода.

В результате физического испарения солей, а также разбрызгивания морской воды при волнении в зоне прибоя и последующего испарения капель воды морской воздух обогащен элементами морской воды, а ветры, дующие с моря, приносят на сушу морские соли. Большая часть Cl, Li, Na, Rв, Cs, B, I в речных водах имеет, вероятно, морское происхождение. Это так называемые "циклические соли", которые на сушу попадают с атмосферными осадками и затем со стоком снова поступают в океан. По В.Д. Корж и В.С. Саенко, в среднем до 15 % солей речного стока привнесены в реки из океана через атмосферу.

В атмосферных осадках морских побережий содержание Cl - может превышать 100 мг/л (во внутриконтинентальных районах 2-3 мг/л). Однако уже на расстоянии нескольких десятков километров от берега содержание морских солей в атмосферных осадках резко снижается до 1-3 мг/л.

В атмосферных осадках внутриконтинентальных районов преобладают не Cl - и Na+, а - SO42-, Ca2+. В гумидных внутриконтинентальных областях минерализация осадков низкая, около 20-30 мг/л, в них преобладают ионы НСО3 - и Ca2+ континентального происхождения. [4]

4. Закономерности распределения атмосферных осадков

 

Отмечаются следующие закономерности распределения атмосферных осадков. Наиболее часто осадки выпадают над океаном. Над континентами степень минерализации осадков определяется климатическим фактором. Максимальная минерализация осадков характерна для ландшафтов пустынь. Техногенные процессы усиливают минерализацию осадков над крупными промышленными центрами и изменяют свойства атмосферной воды. Однако не всегда по количеству осадков можно определить содержание поступающих к ним солей. Во влажных тропических лесах, где в воздухе пыли мало, атмосферные осадки имеют меньшую минерализацию, осадки таежной зоны - более высокую. Однако суммарное количество солей, поступающих с атмосферными осадками, во влажных тропиках будет выше, чем в тайге, так как количество выпадающих осадков в 2-3 раза больше.

Внутри континента по природным зонам выпадение солей зависит от количества выпадающих осадков, влажности воздуха, запыленности атмосферы.

В каждой ландшафтной зоне минерализация атмосферных осадков зависит от времен года: зимой, весной и во влажный летний период минерализация осадков ниже, чем в сухой. Передвижение воздушной массы, сформировавшейся над океаном, вглубь континента приводит к постепенному обеднению ее химическими элементами по мере выпадения осадков. С осадками на морских побережьях выпадает 47 мг/л солей, в пределах континента на расстоянии 200 км от побережья количество выпадающих солей снижается до 28 мг/л.

М.А. Глазовская предложила два коэффициента для характеристики атмосферной миграции: коэффициент атмогеохимической активности (КА) и коэффициент гидрогеохимической активности (КИ). КА - отношение количества элемента, поступающего с осадками за год, к их количеству потребляемому растениями за год. КИ - отношение количества элементов, выносимых ионным стоком за год, к их количеству, поступающими с атмосферными осадками.

 

5. Распределение  суточных и годовых сумм осадков

 

Суточный ход осадков совпадает с суточным ходом облачности. Выделяются два типа суточного хода осадков - континентальный и морской (береговой). Континентальный тип имеет два максимума (в утренние часы и после полудня) и два минимума (ночью и перед полуднем). Морской тип - один максимум (ночью) и один минимум (днем).

Годовой ход осадков различен на разных широтах и даже в пределах одной зоны. Он зависит от количества тепла, термического режима, циркуляции воздуха, удаленности от побережий, характера рельефа. (см. прил.1)

Наиболее обильны осадки в экваториальных широтах, где годовое их количество (ГКО) превосходит 1000-2000 мм. На экваториальных островах Тихого океана выпадает 4000-5000 мм, а на подветренных склонах тропических островов до 10 000 мм. Причиной обильных осадков являются мощные восходящие токи очень влажного воздуха. К северу и югу от экваториальных широт количество осадков уменьшается, достигая минимума на 25-35º, где среднегодовое значение не превышает 500 мм и уменьшается во внутриконтинентальных районах до 100 мм и менее. В умеренных широтах количество осадков несколько увеличивается (800 мм). В высоких широтах ГКО незначительно.

Максимальная годовая сумма осадков зарегистрировано в Черрапунджи (Индия) - 26461 мм. Минимальное отмеченное годовое количество осадков - в Асуане (Египет), Икике (Чили), где в отдельные годы осадков не выпадает вообще. (см. прил.2)

Годовой ход осадков, т.е. изменение их количества по месяцам, в разных местах Земли не одинаков. Можно наметить несколько основных типов годового хода осадков и выразить их в виде столбиковых диаграмм.

· Экваториальный тип - осадки выпадают довольно равномерно весь год, сухих месяцев нет, лишь после дней равноденствия отмечаются два небольших максимума - в апреле и октябре - и после дней солнцестояния два небольших минимума - в июле и январе.

· Муссонный тип - максимум осадков летом, минимум зимой. Свойствен субэкваториальным широтам, а также восточным побережьям материков в субтропических и умеренных широтах. Общее количество осадков при этом постепенно уменьшается от субэкваториального к умеренному поясу.

· Средиземноморский тип - максимум осадков зимой, минимум - летом. Наблюдается в субтропических широтах на западных побережьях и внутри материков. Годовое количество осадков постепенно уменьшается к центру континентов.

· Континентальный тип осадков умеренных широт - в теплый период осадков в два-три раза больше, чем в холодный. По мере возрастания континентальности климата в центральных областях материков общее количество осадков уменьшается, а разница летних и зимних осадков увеличивается.

· Морской тип умеренных широт - осадки распределяются равномерно в течение года с небольшим максимумом в осенне-зимнее время. Их количество больше, чем наблюдается для этого типа. (см. прил.3)

Глава 2. Измерение количества осадков. Автоматизация процессов измерения осадков 

 

          На метеостанциях ведут наблюдение за всеми разновидностями осадков. При этом для снега, крупы, дождя и града регистрируют время их появления, продолжительность и, главное, количество; для росы, инея, твердого налета и т.д. — только временные характеристики.

          Количество осадков измеряют в миллиметрах (с точностью до 0,1 мм), понимая под этим, что осадки, выпавшие на горизонтальную поверхность в течение определенного времени, не испаряются, не просачиваются в почву, а остаются в виде слоя воды, толщина которого и является степени их количества. Это касается и твердых осадков — им приписывают их водяной эквивалент (для чего их просто растапливают и измеряют количество образованной воды). Правда, толщину снежного покрова независимо измеряют в сантиметрах (с помощью специальной снегомерных линейки с точностью до 1 см). Эта информация очень нужна, прежде всего, работникам сельского хозяйства: им просто необходимо знать, достаточным снежный покров для успешной перезимовки озимых и многолетних культур, а также в качестве резерва влаги для весеннего сева.

         Осадкомер — это специализированный прибор, предназначенный для измерения атмосферных жидких (в виде дождя) и твёрдых (снег, град) осадков. Осадкомер отличается от плювиографа тем, что плювиограф непрерывно регистрирует количество и интенсивность выпадающих жидких осадков. Осадкомеры, как измерительные приборы в современном, профессиональном понимании появились сравнительно недавно. В 70-е годы в Государственном Гидрологическом институте, под руководством В. С. Голубева была проведена работа по созданию методов корректировки измеренных осадкомерами осадков. Были выполнены исследования и проведены испытания различных вариантов защиты от выдувания осадков на отечественных, и зарубежных осадкомерах и, как результат, разработан осадкомер с двойной заборной защитой, который был принят Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) в качестве эталона осадкомерного прибора. Созданная методика была одобрена ВМО и рекомендована в 1998 году для широкого применения.

В общем виде, осадкомер включает следующие конструктивные элементы: дождемерное ведро, которое устанавливается на столбе внутри специальной планочной защиты от ветра, а также дождемерный стакан, предназначенный для измерения собранного количества осадков. Зимой в дождемерном ведре накапливается снег, а измерение осадков производят после того, как снег растает.

Осадкомер без защиты от ветра, либо с упрощенной защитой называют дождемером. Дождемер конструктивно состоит из приемного цилиндрического сосуда, имеющего площадь дна в 500 см2 и защиты Нифера, которая состоит из четырех железных листов, скрепленных в виде воронки. Помимо этого, в комплектацию дождемера входит еще один приемный сосуд с крышкой, а также мерный стакан. На метеостанции дождемер должен устанавливаться на столбе так, чтобы его верхний край располагался на высоте не менее двух метров от земли. При использовании дождемера, необходимо учитывать тот факт, что существует возможность вдувания и выдувания осадков из мерного ведра. Однако, при правильной установке дождемера, возможность возникновения этих явлений, снижается. На обычных метеорологических станциях дождемеры должны помещаться на обширных площадках, закрытых от ветра деревьями или окружающими зданиями, которые должны быть удалены от дождемера, как минимум, на расстояние, равное двойной высоте этих деревьев или зданий.

Измерение количества выпавших осадков производится не менее двух раз в сутки — во время утреннего и вечернего наблюдений, а в случаях, когда днем прошел сильный ливень, то замеры снимают, также, и в дневное время. При заполнении дождемера, либо, при провденении плановых замеров, мерное ведро снимают со столба, закрывают его крышкой, а на его место ставят запасное. Носок мерного ведра, также, закрывают колпачком. В помещении осторожно, через носок, выливают всю воду до последней капли в измерительный стакан. Летом, если во время наблюдений нет дождя, то такую процедуру разрешено проводить непосредственно рядом с дождемером. В случае измерения количества твердых осадков, закрытое крышкой мерное ведро вносят в теплое помещение и ожидают таяния твердых осадков, после чего оттаявшие осадки выливают в мерный стакан.

 

Количество осадков выражается в миллиметрах слоя воды, который образуется от выпадения осадков, если бы они не испарялись, не стекали бы и не просачивались в почву. Численно, количество осадков в миллиметрах равняется количеству килограмм воды, вылившейся на площадку в 1квадратный метр (1 мм = 1 кг/1 м2).

 

«Сильным» называют дождь, если осадки составляют от 15 до 49 мм за 12 часов. Осадки могут быть и «очень сильными», в случае, если их выпадает более 50 мм за 12 часов.

 

«Сильный снег» – это количество осадков, составляющее от 7 до 19 мм за 12 часов. «Очень сильным снегом» называют снег, если его количество составляет более 20 мм за 12 часов.

 

При проведении оперативных метеонаблюдений, оценка интенсивности осадков производится по метеорологической дальности видимости. «Сильным» считается дождь в случае, когда видимость составляет не более 1000м; снегопад считается сильным, в случае, если видимость не превышает 500м.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Осадкомер Третьякова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Измерительный стакан.

      

 

Рассмотрим основные виды осадкомеров, широко применяемых в гидрометеорологии:

 

 

1. Осадкомер Третьякова  «О-1» предназначается для круглогодичного  сбора и последующего измерения  количества выпавших жидких и  твердых осадков на гидрометеорологических постах и станциях. Конструктивно состоит из сосуда, собирающего осадки, который имеет приёмную площадь в 200см² и высоту в 40см, а также специальной защиты, которая предотвращает выдувание осадков из осадкомера. Приемную поверхность измерительного ведра Осадкомера Третьякова устанавливают на высоте двух метров над землей. Количество осадков в мм слоя воды измеряют при помощи специального измерительного стакана, на который нанесены деления; количество твёрдых осадков замеряют после полного оттаивания.