MIKROKLIMATOLOGIJA REFERATAS...Kritulių matavimai Kritulių matavimas – vienas pagrindinių...
Transcript of MIKROKLIMATOLOGIJA REFERATAS...Kritulių matavimai Kritulių matavimas – vienas pagrindinių...
Vilniaus universitetas
MIKROKLIMATOLOGIJA
REFERATAS
Kritulių matavimai
Distanciniai matavimo metodai
Kiti matavimo metodai
Kokybės užtikrinimas ir kontrolė
Laimonas Januška
2015
Kritulių matavimai
Kritulių matavimas – vienas pagrindinių matavimo rodiklių. Taip pat – viena pagrindinių
vandens balanso dedamųjų, ir ne paslaptis, jog krituliai erdvėje pasiskirsto labai netolygiai, dažnai
būna lokalūs ir intensyvūs. Todėl savaime suprantama, jog turi būti siekiamybė kritulius matuoti
tiksliau, dažniau ir žymiai plačiau nei tai yra daroma dabar.
Iki šiol naudojami primityvūs prietaisai – lietmačiai: metalinė stiklinė su tam tikro skersmens
(200 – 500 cm2) anga vandeniui surinkti (1 pav.), dažniausiai statoma ant žemės ar kito lygaus
paviršiaus ir kas tam tikrą laiko tarpą matuojamas stiklinėje surinktas lietaus kiekis – arba išpilamas
vanduo į matavimo indą, arba (jei yra) naudojamasi skale, išrėžta tiesiai ant lietmačio sienelės,
kurios padalos rodo, koks kritulių kiekio ekvivalentas kvadratiniam metrui yra surinktas stiklinėje.
Lietmačio privalumas – kompaktiškas ir paprastas naudojimas. Trūkumai – sąlyginai siaura lietaus
surinkimo anga gali nulemti mažesnį kritulių kiekio surinkimą, ypač pučiant vėjui, taip pat – jei
lietmatyje neįrengtos priemonės nuo vandens išgaravimo, galima netekti dalies surinktų kritulių.
1 pav. Lietmatis su matuokle bei persipildymo indu – sulaikančiu perteklinius krituliu nuo
išsiliejimo iš lietmačio
Kritulių matavimo prietaisai laikui bėgant buvo tobulinami. Taip atsirado ir savirašiai
kritulmačiai – pliuviografai. Surinkti pliuviografo krituliai patekdavo į indą su plūde, o nuo
pastarosios padėties – judėdavo ir savirašio plunksna, žyminti kritulių kiekį ant pliuviogramos. Šis
prietaisas pasižymi tuo, jog jo nereikia išpilti – vanduo išbėga automatiškai. Taip pat prietaisas
registruoja ne tik kritulių kiekio pasiskirstymą laike, tačiau ir kritulių intensyvumą. Lyginant su
lietmačiu ar paprastu kritulmačiu – pliuviografas gali veikti iki savaitės be žmogaus priežiūros (kol
veikia savirašio laikrodinis mechanizmas bei pakanka rašalo plunksnoje).
Kompiuterizuojant meteorologines stotis atsirado poreikis kritulius registruoti ir elektroniškai,
t.y. matavimo rezultatai perduodami elektronikos pagalba. Todėl buvo pradėti naudoti sūpuokliniu
principu veikiantys kritulmačiai (2 pav.). Prietaiso veikimas pagrįstas sūpuoklėmis, kurios neturi
pusiausvyros būklės – jos gali būti pasvirusios į vieną, arba į kitą pusę. Sūpuoklės šonuose –
nedidelės talpos krituliams, kurios užpildomos kritulmačio surinktais krituliais (vienu metu viena iš
talpų yra tiesiai po kritulmačio piltuvėlio centru). Vienai talpai užsipildžius kritulių vandeniu –
sūpuoklės persiverčia, taip po kritulmačio piltuvo centru pastatant tuščią talpą, tuo pat metu
ištuštinant talpą su surinktu vandeniu, ir pasiunčiant elektroninį impulsą į skaičiavimo valdiklį. Taip
kritulmatis matuoja kritulius nedidelėmis porcijomis, dažniausiai po 0,25mm kritulių į 1 m2.
2 pav. Sūpuokliniu principu veikiančio elektroninio kritulmačio principinė schema
Vietovėse, kuriose yra įrengiamos meteorologinės stotys ilgą laiko tarpą bus neaptarnaujamos
žmonių, ir galbūt nėra galimybės atlikti kompiuterizuotų matavimų – gali būti naudojami
svarstykliniai kritulmačiai. Tai didelės talpos indas, skirtas rinkti kritulius per ilgą laikotarpį.
Dažniausiai pastačius naują svarstyklinį kritulmatį į jį įpilama šiek tiek neužšąlančio skysčio
(kietiems krituliams tirpdyti, apsaugant kritulmatį nuo sniego perpildymo) ir truputis tepalo
(susidariusi riebalų plėvelė neleidžia išgaruoti surinktiems krituliams). Tokiu būdu kritulmatis gali
būti paliekamas ilgam laikotarpiui, o priklausomai nuo įrengimo – arba viso laikotarpio metu
kritulmatis yra sveriamas ir registruojamas naujai surinktų kritulių masės prieaugis, arba (jei nėra
galimybės registruoti svorio pokyčius) – po tam tikro laiko tarpo kritulmatis gali būti išpiltas ir
krituliai pasverti, taip sužinant iškritusių kritulių kiekį per visą prietaiso veikimo laikotarpį.
Technikai tobulėjant dar labiau – pradėti taikyti ir optiniai kritulių matavimo prietaisai, kurie
geba ne tik fiksuoti kritulių kiekį bei intensyvumą, tačiau gali nustatyti ir kritulių fazinę būklę
(skysti, kieti, mišrūs). Tokiu būdu gaunama žymiai tikslesnė informacija apie kritulius.
Optiniai kritulių jutikliai gali veikti keliais būdais. Skaterometrai (3 pav.) – prietaisas kritulius
fiksuoja tam tikroje, prietaiso regėjimo zonoje esančioje erdvėje, ją apšviečiant infra-raudonai
spinduliais ir tuo pat metu matuojant šviesos išsklaidymą. Pagal išsklaidymo intensyvumą yra
įvertinamas matuojamoje erdvėje esantis kritulių kiekis bei intensyvumas, o prietaise įrengtas
kritulių termometras nustato kritulių temperatūrą – šių duomenų visuma leidžia tiksliai nustatyti
kritulių parametrus. Be to, tokio tipo prietaisai geba nustatyti ir atmosferoje pakibusias kietąsias
daleles, taip pat ir apskaičiuoti horizontalų matomumą.
3 pav. Optinis kritulių jutiklis - skaterometras
Kitas optinis kritulių matavimo prietaisas veikia taip pat šviesos išskaidymo principu, tačiau
šviesos šaltinis yra paslėptas po stikliniu, kvarciniu ar plastikiniu, skaidriu gaubtu (4 pav.). Ant
gaubto patekę krituliai pradeda skaidyti prietaiso siunčiamą šviesos srautą, kuris yra
užregistruojamas ir taip fiksuojamas kritulių faktas. Išsklaidytos šviesos intensyvumas taip pat
parodo ir kritulių kiekį bei intensyvumą. Tokie prietaisai dažnai sutinkami automobiliuose – jie
automatiškai įjungia valytuvus kuomet automobilis patenka į lietų.
4 pav. Optinis kritulių jutiklis matuojantis šviesos išsklaidymą nuo skaidraus gaubto
Kol kas naujausias kritulių kiekio jutiklis, praktiškai nebereikalaujantis žmogaus priežiūros –
akustinis kritulių detektorius (5 pav.). Pagrindinis jutiklio komponentas – pjezo-elektrinis jutiklis,
kuris generuoja nedidelę srovę tuomet, kai jį pasiekia krituliai. Kuo didesnė kritulių masė bei
greitis, tuo didesnė srovė generuojama, o pagal signalo formą yra nustatoma kritulių agregatinė
būsena (6 pav.).
5 pav. Akustinis kritulių kiekio jutiklis
6 pav. Akustinio kritulių kiekio matuoklio generuojamas signalas. A – fiksuotas krušos ledėkas, B –
fiksuotas skystas lietaus lašas
Dažniausiai kritulių matavimo duomenys matavimo lentelėse nėra ištaisyti, todėl norint
naudoti duomenis – reikia išsitaisyti paklaidas, kylančias dėl kritulių nupūtimo. Tai įvertinti galima
pasinaudojus formule:
𝑵𝒌𝒐𝒓𝒆𝒈𝒖𝒐𝒕𝒂 = 𝑵𝒎𝒂𝒕𝒖𝒐𝒕𝒂 + 𝒃 × 𝑵𝒎𝒂𝒕𝒖𝒐𝒕𝒂𝜺
Kur b ir 𝜀 reikšmės duotos 1 lentelėje.
1 lentelė. Kritulių pataisos kintamieji, vertinant kritulių nupūtimą nuo kritulmačio
Žinoma, jog kritulių nupūtimas didžiausią neigiamą įtaką turi žiemos metu, kuomet vyrauja
stipresni vėjai bei dažniau krinta kietos fazės krituliai, kurių tūris yra didesnis, o masė – mažesnė,
taip jie tampa lengviau nupučiami. Įvertinus daugiamečius kritulių kieko matavimus bei jų
paklaidas, buvo sudarytas grafikas, rodantis kritulių paklaidos dydį priklausomai nuo metų laiko (7
pav.).
7 pav. Kritulių kiekio paklaidų pasiskirstymas metuose
Kritulių kiekio paklaida taip pat atsiranda ir matuojant krituliu vietovėse, esančiose ant šlaitų.
Paklaidos dydis priklauso nuo šlaito polinkio kampo bei jo krypties vyraujančio vėjo atžvilgiu.
Pvz., šlaitas su 40° posvyriu gali surinkti iki 10% daugiau kritulių, jei pučia palankus vėjas. Šis
efektas apskaičiuojamas pagal formulę:
𝑵𝑯
𝑵 = 𝟏 + 𝟎, 𝟏𝟏𝟑 × 𝒕𝒈 𝒈 × 𝐬𝐢𝐧 𝑨𝒋
Kur: NH – kritulių kiekis šlaite,
N – išmatuotas kritulių kiekis horizontaliame paviršiuje,
g – šlaito polinkio kampas,
Aj – j-tojo vėjo krypties azimutas.
Distanciniai matavimų metodai
Pagrindiniai matavimo principai distanciniuose metoduose yra šie:
- Akustinis – SoDAR (sound detecting and ranging);
- Optinis – LiDAR (light detection and ranging);
- Doplerio efekto panaudojimas – dažnio pokytis, jo intensyvumas ir kryptis.
2 lentelė. Elektromagnetinių bangų ribos, naudojamos atmosferos paribio sluoksnio matavimams
distanciniais metodais
Kadangi atmosfera yra nevienalytė, o skirtino slėgio, temperatūros ar santykinio drėgnio oro
masės skiriasi viena nuo kitos – riba skirianti tokias oro mases geba atspindėti tam tikro dažnio
garso bangas. Atspindėjimo intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas oro masės parametrams (pvz.
Temperatūrai). Tokiu būdu naudojant SoDAR arba RASS (radijo akustinė skenavimo sistema) yra
galimybė fiksuoti atmosferos inversinius sluoksnius, identifikuoti šilumos pernašą iš žemės į
atmosferą. Akustiniuose matavimuose labai pasiteisina ir doplerio efekto poveikis garso bangoms –
remiantis tuom galima tiksliai nustatyti vėjo greitį bei kryptį. Nors šių matavimų tikslumas nėra
toks pats, kaip ir mechaninių prietaisų, tačiau duomenys yra patikimi. Nepaisant to, reikia paminėti,
jog akustiniais prietaisais matuojami parametrai yra ne konkrečiuose taškuose, o tam tikrame
atmosferos tūryje. Pastarieji skiriasi – kuo toliau matavimas atliekamas nuo prietaiso – tuo
didesniame tūryje jis atliekamas, o gaunama reikšmė – to tūrio vidurkis. Taip pat – labai silpni vėjo
greičiai matuojami akustiniais prietaisais yra pervertinami (padidintos reikšmės), o labai stiprūs
vėjo greičiai – nepakankamai įvertinami (reikšmės mažinamos).
3 lentelė. Doplerio-akustinio bei RASS sistemų matavimo ribos bei tikslumas
Taip pat – akustiniai prietaisai skirti atmosferos sluoksnio matavimams yra gana sudėtingi,
taip pat ir užimantys nemažai vietos (8 pav). Tačiau yra ir mobilių versijų, pritaikytų gabenti ant
autoplatformos ekspediciniams matavimams, taip pat priklausomai nuo prietaiso tipo – jie būna
arba sukinėjami ir su galimybe keisti matavimo kampą, arba pritaikius sufazuoto masyvo antenas –
galima matuoti atmosferos parametrus aštuoniomis kryptimis ir nejudinant prietaiso.
8 pav. SoDAR ir RASS įrenginiai su sufazuoto masyvo antenomis
Taip pat yra naudojami ir kombinuoti prietaisai, veikiantys optiniu-akustiniu principu.
Scintilometrai (9 pav.) – turintys akustinius bei optinius garso iš šviesos šaltinius, o priešingoje
(matuojamo atmosferos sluoksnio) pusėje – imtuvas. Prietaisas matuoja bangų lūžio parametrus, o
pasitelkiant ir matavimo kelyje išdėstytus termometrus – galima matuoti šilumos pernašą tarp
dirvos ir atmosferos intensyvumą bei kryptį, temperatūrą, oro drėgnį, slėgio pokyčius, garavimą,
turbulensiją ir kitus parametrus. Atstumas tarp prietaisų gali siekti iki 4,5 km, todėl vienu metu yra
gaunamas didelis ir svarbus informacijos kiekis apie atmosferos sluoksnyje vykstančius vyksmus.
Reiktų paminėti, jog tokie matavimai atspindi procesus, kurie vyksta arčiau matavimo sluoksnio
vidurio nei arčiau imtuvo arba siųstuvo.
9 pav. Scintilometrai
Scintilometrai skirstomi į tris tipus:
- LAS – didelio santykinio šviesumo optikos sistema, veikianti iki 4,5 km atstumu, tačiau
matuoja tik šilumos pernašą.
- SAS – mažo santykinio šviesumo optikos sistema, veikianti trumpesniu atstumu,
paprastesnė ir pigesnė.
- DBSAS – dvigubo spindulio sistema, mažo santykinio šviesumo, veikianti iki 100m, tačiau
matuojanti turbulensiją bei energijos išsklaidymą.
Kiti matavimo metodai
Matavimai dirvoje Vienas svarbesnių rodiklių – dirvos temperatūra. Jos stebėjimai suteikia daug informacijos,
tiek apie pačią dirvą, tiek apie energijos balansą. Ypač informacija svarbi žemdyrbystės sektoriui,
kadangi nuo tikslių matavimo priklauso produkcijos kokybė. Standartiniai matavimai atliekami 5,
10, 20 bei 50 cm gyliuose. Tačiau kritiškai svarbu turėti duomenis ir apie temperatūrą, esančią tarp
5cm ir dirvos paviršiaus. Tačiau tokių matavimų vykdymas yra ypač sudėtingas dėl to, jog dirva
tokiame gylyje yra lengvai pažeidžiama, ir matavimo tikslumas gali būti ypač mažas ir visiškai
neatitinkantis realybės, t.y. nenaudingas. Taip pat vertinant garavimą iš dirvos paviršiaus – be
temperatūros yra labai svarbu žinoti ir drėgmės atsargas dirvoje. Dažniausiai naudotas dirvos
drėgmės matavimo būdas – iškasamas dirvos pavyzdys, pasveriamas, vėliau kaitinamas 105°
temperatūroje ir vėl sveriamas. Gautas svorių skirtumas identifikuodavo buvusias drėgmės atsargas
dirvos pavyzdyje. Savaime suprantama, jog toks būdas yra labai sudėtingas ir praktikoje sunkiai
pritaikomas, todėl tobulėjant matavimo įrangai – dirvos drėgmė gali būti matuojama skirtingais
prietaisais. Priklausomai nuo dirvos pobūdžio – jei pastaroji nėra labai sausa, gali būti naudojamas
tensiometras. Prietaiso veikimas pagrįstas vandens slėgių skirtumo matavimu. Prietaiso porėta
sienelė skiria dirvą bei vandens talpą tensiometre. Kuo didesnis drėgmės skirtumas tarp dirvos ir
prietaiso, tuo didesnis slėgis susidaro. Pastarasis matuojamas mechaninio arba skaitmeninio
manometro skalėje.
Sausesnėse dirvose efektyviau pritaikomas matavimas, naudojant elektrodus (10 pav.),
įtaisytus gipso blokeliuose. Pastarieji užkasami reikiamuose gyliuose, paliekami kelioms paroms,
kad gipso drėgnumas susivienodintų su dirvos drėgme, tuomet elektrodais yra matuojamas
elektrinis laidis, kuris yra tiesiogiai proporcingas drėgmės kiekiui gipso blokelyje. Šio prietaiso
trūkumas – jis yra labai inertiškas, todėl negali būti dažnai keičiama jo vieta. Taip pat gaminant
minėtus gipsinius blokelius – kiekvienas jų turi būti kruopščiai tikrinamas bei kalibruojamas
individualiai.
10 pav. Dirvos drėgmes matuoklis su elektrodais gipsiniuose blokeliuose
Šiuo metu plačiausiai naudojamas ekspedicinis dirvos drėgnumo matavimo prietaisas
veikiantis reflektometrijos principu (TDR). Pastarasis turi du ar daugiau metalinius virbus,
smeigiamus į žemę, kurie perduoda prietaiso generuojamus impulsus ir tuo pat metu juos matuoja.
Užfiksuotas bangos pokytis laike atspindi dirvos drėgnumą, t.y. kuo didesnis dirvos drėgnis – tuo
lėčiau banga sklinda dirvoje.
Tiesioginis garavimas Ne ką mažiau svarbi informacija ir apie tiesioginį garavimą. Žinant iškritusių kritulių kiekį bei
garavimą – galime apskaičiuoti ir drėgmės balansą, todėl garavimo matavimams yra sukurta
nemažai prietaisų. Vienas paprastesnių ir plačiai naudojamų – Piche evaporimetras (11 pav.). Tai
stiklinis indas, kurio apačioje esanti ertmė uždengiama specialiu popieriumi, kuris visada yra
drėgnas ir nuo jo paviršiaus garuodama drėgmė naudoja vandenį iš evaporimetro. Pagal netektą
drėgmės kiekį iš evaporimetro galima tiksliai įvertinti garavimo intensyvumą matavimo vietoje.
11 pav. Piche evaporimetras
Hidrologijoje taip pat plačiai naudojami garomačiai iš vandens paviršiaus – tam tikros talpos
indas įtaisytas specialioje plaukiančioje konstrukcijoje, apsaugotas nuo bandų vandens patekimo.
Garomatis panardinamas į vandens telkinį ir kas tam tikrą laiko tarpą matuojamas nugaravusio
vandens kiekis naudojant mikro liniuotę.
Tiesioginis garavimas priklauso nuo temperatūros, oro masės prisotinimo lygio bei vėjo
greičio. Garavimo intensyvumas yra įvertinamas pagal formulę:
𝘘𝐸 = 𝑲𝒑 (ℎ𝑑−1 − ℎ𝑑)
O Kp indeksas nurodytas 4-oje lentelėje.
4 lentelė. Kp indekso priklausomybė nuo vėjo greičio, santykinio drėgnio bei matavimo ploto
Augmenijos matavimai Nepaisant to, jog augalų matavimai tiesiogiai nesusiję su mikroklimatologija, vertinant
energijos balansą ir kaitą – augalijos pasiskirstymas tampa svarbus. Meteorologijoje naudojamas
LAI indeksas – parodantis lapijos plotą tam tikram vietovės arealui. Lapijos matavimai atliekami
distanciniais metodais, dažniausiai iš žemės palydovų. Tam naudojam jutikliai, jautrūs 400-700nm
bangos ilgio ruožui (ištaisius atmosferos paklaidas). LAI įvertinimui naudojamas NDVI indeksas,
rodantis augalijos paplitimą žemės paviršiuje:
𝑁𝐷𝑉𝐼 = (𝑁𝐼𝑅 − 𝑟𝑒𝑑)
(𝑁𝐼𝑅 + 𝑟𝑒𝑑)
Kur: NIR – red yra matomasis raudonų spindulių ruožas, NIR + red yra ruožas arti infra-raudonojo spektro.
NDVI indeksas gali įgauti reikšmes nuo -1,0 iki +1,0, t.y. kuo lapija daugiau veši, tuo labiau
yra atspindimi arti infra-raudonieji spinduliai ir mažiau matomųjų spindulių (NDVI indeksas
didėja). Kuo lapijos mažiau – atspindima daugiau regimųjų spindulių, ir mažiau arti infra-raudonųjų
spindulių (NDVI mažėja).
Kokybės kontrolė ir užtikrinimas
Nepaisant to, jog atrodytu, kad dabartiniai matavimai atliekami automatiškai ir tai
nebereikalauja žmogaus darbo – iš tiesų užtikrinimas, jog duomenys yra teisingi ir atitinka realybę
reikalauja labai daug darbo. Galima sakyti, jog žmogaus darbo jėga persiskirstė iš stebėjimų į
duomenų apdorojimą ir kokybės užtikrinimą. Be to – siekiant atlikti matavimus, kurie užtikrintų
duomenų patikimumą bei korektišką matavimo rezultatų atitikimą realioms matavimo vietos
sąlygoms – prieš pradedant matavimus reikia daug laiko skirti pasiruošimui: apsibrėžti matavimo
tikslus, metodologiją, tinkamai parinkti vietą, nuspręsti duomenų pateikimo formatą bei saugojimą,
įvertinti riziką bei įrangos saugumą. Galų gale - nuspręsti kokia konkreti įranga bus tinkamiausia
konkretiems matavimams. Tai yra labai svarbu, kadangi iš pažiūros panašūs prietaisai gali turėti
labai skirtingą tikslumą bei patikimumą. Prietaiso stabilumas, dažnai neminimas jo aprašyme, yra
ypač svarbus, kadangi vienus prietaisus gali tekti kalibruoti ypač dažnai, kai kiti prietaisai gali
užtikrinti matavimų stabilumą net keliems metams be kalibracijos poreikio. Tai yra ypač svarbu
tuomet, kai atliekami matavimai tokiose vietose, kuriose nėra galimybės dažnai ir lengvai pasiekti
matavimo prietaisų. Dažniausiai įrangos profilaktika turi būti atliekama kas 6 – 36 mėnesius.
Kokybės kontrolė vykdoma keliais etapais:
- Nustatymas ir išbrokavimas akivaizdžiai sugadintų ar trūkstamų duomenų;
- Įsitikinimas rezultatų tikrumu bei atitikimu realioms reiškinio riboms bei prietaiso
galimybių riboms;
- Kryžminis patikrinimas – vienų reiškinių parametrus patikrinti kitais, pvz. – padidėjęs
debesuotumas negali būti tuomet, kai fiksuojama didesnė Saulės spinduliuotė ir pan.
Nepaisant visko, kokybės kontrolė yra vis dar vystymosi stadijoje ir ateityje bus tobulinama.
Literatūra
V. Vekteris, I. Tetsman, V. Mokšin. Experimental Investigation of Influence of Acoustic Wave on
Vapour Precipitation Process. 2013. ETASR. Vol. 3, No. 2.
Thomas Foken. Microclimatology. 2008. Springer.
Atte Salmi, Jouni Iknonen. Piezoelectric precipitation sensor from Vaisala.