Виды и принципы измерения атмосферных осадков
Атмосферные осадки — важнейшая характеристика гидрометеорологического режима. Для количественной оценки осадков применяется термин толщина слоя осадков, выражаемая в миллиметрах (мм), что соответствует количеству воды, равномерно выпавшей на горизонтальную поверхность. Один миллиметр осадков соответствует одному литру воды на квадратный метр поверхности.
Наиболее простым и распространённым прибором для измерения количества осадков является осадкомер. Он представляет собой цилиндрический сосуд с приёмной воронкой стандартного диаметра, обычно 200 см², и градуированной мензуркой для измерения объёма. По высоте слоя осадков в приёмной части прибора и известной площади устья вычисляется объем выпавшей жидкости.
Разновидностью осадкомера является плювиограф, регистрирующий осадки непрерывно во времени с помощью самопишущего механизма. Он позволяет получить информацию не только об общем количестве осадков, но и об их интенсивности и продолжительности.
Для измерения твёрдых осадков (снег, град) применяются специальные устройства, поскольку они не сразу переходят в жидкую фазу. Используются снегомерные рейки (для прямого измерения высоты снежного покрова) и снегомеры — цилиндрические сосуды, с помощью которых определяют массу собранного снега, а затем пересчитывают в водный эквивалент.
Градомеры представляют собой совокупность приёмных площадок, расположенных на поверхности земли. Площадка выполняется из мягкого материала (например, пенопласта), на котором сохраняются следы градин, или оборудуется ячейками для их сбора и измерения. При этом фиксируются такие параметры, как диаметр градин, их количество и масса.
Применяется на большинстве метеостанций. Конструкция прибора позволяет вести визуальный контроль за выпадением осадков. Измерения производятся ежедневно в фиксированное время. Осадки собираются в приёмный сосуд, после чего их объём измеряется при помощи мензурки. Осадки, выпавшие в виде снега или града, предварительно растапливаются.
Плювиографический метод — наиболее информативный, особенно для изучения кратковременных и ливневых осадков. Плювиограф содержит поплавковый механизм, преобразующий изменение уровня жидкости в движение пишущего пера на ленте, приводимой в движение часовым механизмом. В результате получается плювиограмма — график, отражающий изменение количества осадков во времени.
Современные цифровые плювиографы используют ультразвуковые или лазерные датчики уровня воды, что позволяет автоматически регистрировать и передавать данные в режиме реального времени.
Применяются для высокоточных измерений. Принцип их работы основан на регистрации изменения массы сосуда с осадками. Весовые осадкомеры имеют чувствительный датчик, преобразующий массу осадков в электрический сигнал. Эти приборы обладают высокой точностью и используются, как правило, в научных исследованиях и на автоматизированных метеостанциях.
С развитием дистанционных методов всё чаще используются лазерные и оптические осадкомеры. Они позволяют не только определять наличие осадков, но и измерять их интенсивность, а также тип частиц (капли, хлопья, градины).
Оптический осадкомер работает по принципу прерывания светового луча падающими частицами. Фиксируется частота, размер и скорость осадков. Такие приборы позволяют получить детализированную информацию о структуре осадков и широко применяются в аэропортах и метеорологических исследовательских центрах.
Доплеровские радары применяются для дистанционного зондирования атмосферных процессов. Они обеспечивают трёхмерную картину осадков в атмосфере, их горизонтальное и вертикальное распределение. С помощью радиолокационных методов можно наблюдать за развитием осадков в режиме реального времени, оценивать их движение, структуру и интенсивность. Такие системы особенно ценны при изучении грозовых облаков, ливней, снегопадов и систем фронтальной облачности.
Интенсивность осадков — важный параметр, характеризующий скорость выпадения осадков во времени. Измеряется в мм/час или л/м²·час. Для её определения используют данные плювиографа или специальные интенсиметры, которые могут быть автоматическими или механическими.
Кратковременные осадки с высокой интенсивностью, такие как ливни, требуют приборов с высокой временной чувствительностью. Современные автоматизированные станции способны фиксировать осадки с разрешением до 1 секунды.
Из-за пространственной неравномерности осадков одного прибора часто недостаточно. Для комплексного анализа используется сеть измерений:
Измерение осадков сопровождается рядом систематических и случайных погрешностей. Наиболее значимы следующие источники ошибок:
Для минимизации этих ошибок используются специальные ветрозащитные кольца, корректирующие алгоритмы, статистическая интерполяция и сшивка данных с различных типов измерений: наземных, радиолокационных и спутниковых.
| Метод измерения | Тип осадков | Пространственное разрешение | Временное разрешение | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Осадкомер | Жидкие и твёрдые | Точечное | Суточное | Прост в использовании |
| Плювиограф | Жидкие | Точечное | Минутное | Подходит для анализа интенсивности |
| Весовой осадкомер | Все | Точечное | Минутное и выше | Высокоточный метод |
| Радиолокационный метод | Все | Километровое | Минутное | Трёхмерная картина осадков |
| Оптический/лазерный метод | Все | Точечное | Секундное | Даёт характеристики частиц |
| Спутниковые методы | Все | Десятки км | Часовое и выше | Подходят для глобального мониторинга |
В последние десятилетия наблюдается тенденция к автоматизации измерений осадков, повышению временного и пространственного разрешения данных. Всё более широкое применение находят интегративные подходы, сочетающие данные с наземных пунктов, радаров и спутников. Это особенно важно в условиях глобальных изменений климата и возрастающей необходимости в точном гидрометеорологическом прогнозировании.