Способ определения интенсивности и количества дождевых осадков

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы. Сущность: в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения плотности потока бета-излучения на некоторой высоте от земной поверхности. Определяют время нарастания плотности потока бета-излучения до ее максимального значения. По полученным значениям рассчитывают интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы. Технический результат: повышение точности и упрощение определения интенсивности и количества дождевых осадков. 1 ил.

 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной плотности потока бета-излучения.

Известен способ определения интенсивности и количества дождевых осадков [RU 2097798 С1, МПК 6 G01W 1/14, опубл. 27.11.1997], заключающийся в радиолокационном зондировании атмосферы для идентификации типа облачности по известным критериям, и в определении искомых параметров осадков с помощью корреляционных функций и данных радиолокационной отражаемости облаков. На исследуемой территории выделяют, по меньшей мере, одну контрольную зону с повышенной вероятностью выпадения осадков и размещают на ней осадкомерную станцию. С помощью данной станции для различных типов облачностей, перемещающихся над ней, производят измерения осадков, при этом одновременно осуществляют радиолокационное зондирование облачности над станцией и находят соответствующие полученным осадкам уровни радиолокационной отражаемости. Полученные данные используют для калибровки радиолокационной станции, и, после которой осуществляют радиолокационные измерения осадков на контролируемой территории. Интенсивность и количество дождевых осадков определяют соответственно из выражений:

где Z - отражаемость, дБ;

I - интенсивность выпадения осадков, мм/ч (м/с);

Q - количество выпавших осадков, мм (м);

А, В, b, с - коэффициенты, зависящие от типа облачности и типа осадков (слабый, сильный, ливневый и пр.).

В этом способе для каждого случая осадков необходимо определять свои коэффициенты, которые зависят от спектра капель, вида и микроструктуры осадков, а также орографических особенностей. Способ сложен, требует длительных наблюдений на контрольной территории, а также имеет большую погрешность измерения.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков [RU 2003142 С1, МПК 5 G01W 1/14, опубл. 15.11.1993], включающий n-циклов измерений, каждый из которых состоит в накоплении осадков за время τi (i=1, 2, 3, …, n), определение приращения mi их массы и значения интенсивности Ri, мм/ч (м/с). Между циклами измерений выдерживают паузы, продолжительность каждой из которых не менее чем время успокоения измерителя массы. Значение приращения mi накопленной массы осадков измеряют во время соответствующей паузы. Значение поправки на переход от режима накопления в режим паузы и обратно находят из выражения:

где So - максимальное значение площади измеряемого потока осадков, м2;

t1, t2 - моменты времени, соответствующие минимальному S(t1)=0 и максимальному

S(t2)=So значениям площади входного отверстия в приемнике при переходе от режима накопления в режим паузы и обратно, с;

S(t) - текущее значение площади входного отверстия в приемнике осадков в момент времени t, где t1≤t≤t2, время накопления и

где δ - относительная ошибка определения интенсивности осадков, % (отн. ед.);

Δm - погрешность измерения приращения массы осадков, г (кг);

ρ - плотность воды, г/см3 (кг/м3).

Этим способом невозможно достоверно определить время начала дождя, а время накопления осадков в первом цикле задается на основании визуальной оценки метеорологической обстановки. Если дождь выпадает в не рабочее время, то проведение визуальной оценки невозможно. При установлении малого времени накопления в случае выпадения высокоинтенсивных осадков излишние осадки могут выливаться из измерительной камеры. И, наоборот, при установлении большого времени накопления в первом цикле при низкоинтенсивных осадках достоверно определить время начала дождя невозможно. Все указанные случаи приводят к снижению достоверности результата измерения.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы [RU 2656118 С1, МПК 51 G01W 1/14, опубл. 31.05.2018], выбранный в качестве прототипа, основанный на том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте не менее 1 м от земной поверхности с тактом не менее 1 измерения за 60 с, затем определяют время нарастания tend мощности дозы гамма-излучения до ее максимального значения а интенсивность дождевых осадков в приземном слое атмосферы определяют из выражения:

где I - интенсивность дождевых осадков, м/с;

- измеренное значение мощности дозы гамма-излучения в момент времени tend, Зв/с;

tend - время нарастания мощности дозы гамма-излучения до ее максимального значения с;

- измеренное фоновое значение мощности дозы гамма-излучения до начала дождевых осадков, Зв/с;

k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя;

и - мощности дозы гамма-излучения, создаваемые короткоживущими продуктами распада радона 214Pb и 214Bi, (Зв/с)/(Бк/м3);

и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Pb и 214Bi в приземной атмосфере, Бк/м3.

Количество дождевых осадков определяют умножением интенсивности на время их выпадения.

Этот способ имеет ограничение по высоте измерения мощности дозы гамма-излучения - не менее 1 м от земной поверхности.

Предложенный способ определения интенсивности и количества дождевых осадков по измеренной плотности потока бета-излучения в приземном слое атмосферы расширяет арсенал средств аналогичного назначения.

Согласно изобретению, способ определения интенсивности и количества дождевых осадков заключается в том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения плотности потока бета-излучения на высоте z от земной поверхности, затем определяют время нарастания tend плотности потока бета-излучения до ее максимального значения , а интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы определяют из выражений:

где: I - интенсивность дождевых осадков, м/с;

Q - количество дождевых осадков, м;

- измеренное на высоте z от земной поверхности значение плотности потока бета-излучения в момент времени tend, 1/(м2⋅с);

tend - время нарастания плотности потока бета-излучения до ее максимального значения с;

- измеренное на высоте z от земной поверхности фоновое значение плотности потока бета-излучения до начала дождевых осадков, 1/(м2⋅с);

k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя, 1/м;

и - плотности потоков бета-излучения на высоте z, создаваемые осажденными на земную поверхность короткоживущими продуктами распада радона 214Pb и 214Bi, рассчитанные на единичную объемную активность радионуклидов, (1/(м2⋅с))/(Бк/м3);

и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Pb и 214Bi в приземной атмосфере, Бк/м3.

Реакция плотности потока бета-излучения на осадки, проявляющаяся в виде аномальных всплесков (фиг. 1), теоретически и экспериментально изучена [Yakovleva V.S., Nagorsky P.M., Cherepnev M.S., Kondratyeva A.G., Ryabkina K.S., 2016. Effect of precipitation on the background levels of the atmospheric β- and γ-radiation. Applied Radiation and Isotopes. 118, 190-195]. Объяснением роста плотности потока бета-излучения в периоды выпадения осадков является вымывание бета-, гамма-излучающих короткоживущих продуктов распада радона 214Pb и 214Bi дождевыми осадками на земную поверхность [Burnett, J.L., Croudace, I.W., Warwick, Р.Е., 2010. Short-lived variations in the background gamma-radiation dose. J. Radiol. Prot. 30, 525-532. Mercier, J.-F., Tracy, B.L., R., Chagnon, F., Hoffman, I., Korpach, E.P., Johnson, S., Ungar, R.K., 2009. Increased environmental gamma-ray dose rate during precipitation: a strong correlation with contributing air mass. J. Environ. Radioact. 100, 527-533. EURADOS Report, 1999. Radiation Protection 106, URL: 〈http://ec.europa.eu/energy/nuclear/radiation_protection/doc/publication/rp106.pdf〉]. Другие природные радионуклиды, например, бета-, гамма-излучающие продукты распада торона, практически не влияют на величину мощности дозы гамма-излучения, поскольку их активность намного меньше активности 214Pb и 214Bi.

Время нарастания плотности потока бета-излучения tend продолжается от начала и до окончания выпадения осадков. После окончания выпадения осадков плотность потока бета-излучения экспоненциально снижается до фонового значения за счет радиоактивного распада 214Pb и 214Bi.

Таким образом, предложенный способ определения интенсивности и количества дождевых осадков является: 1) простым и надежным, поскольку достаточно лишь измерять только плотность потока бета-излучения, т.е. использовать только один измерительный блок; 2) достоверным, поскольку способ основан на хорошо апробированных моделях переноса ионизирующих излучений, радионуклидов и физических законах, и поскольку погрешность определения интенсивности осадков снижается за счет того, что известно время начала дождя, которое соответствует началу роста плотности потока бета-излучения.

Способ определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной плотности потока бета-излучения пригоден как для разовых измерений, так и для длительного автоматизированного мониторинга интенсивности и количества дождевых осадков, если используются блоки детектирования бета-излучения, работающие в режиме мониторинга.

На фиг. 1 представлены а) - динамика измеренной плотности потока бета-излучения на высотах 1 м (кривая 1), 10 м (кривая 2) и 35 м (кривая 3) с использованием блока детектирования бета-излучения БДПБ-01, б) - динамика интенсивности осадков по данным института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученным с использованием челночного осадкомера.

Для определения интенсивности и количества дождевых осадков выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска.

С использованием блока детектирования бета-излучения БДПБ-01 (Атомтех, Беларусь) на высотах 1 м (кривая 1), 10 м (кривая 2) и 35 м (кривая 3) от земной поверхности производили непрерывные измерения плотности потока бета-излучения в течение 32 часов (а на фиг. 1). В этот период был случай выпадения дождевых осадков. По данным института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученным с использованием челночного осадкомера, интенсивность дождевых осадков в этот временной период составила 52,1 мм/ч (8,68⋅10-4 м/с).

Измеренное на высоте 1 м от земной поверхности фоновое значение плотности потока бета-излучения до начала дождевых осадков составило

( максимальное значение плотности потока бета-излучения составило (Время нарастания tend плотности потока бета-излучения от фонового до максимального значения составило 21 мин. (1260 с).

С помощью метода Монте-Карло были определены значения плотности потоков бета-излучения и на высоте z=1 м, создаваемые осажденными на земную поверхность короткоживущими продуктами распада радона 214Pb и 214Bi единичной объемной активности, с использованием программы PCLab [Компьютерная лаборатория (КЛ/PCLab). Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ №2007615275 от 28.12.2007]. Геометрия и входные данные для моделирования описаны в [Яковлева B.C., Каратаев В.Д., Зукау В.В. Моделирование атмосферных полей γ- и β-излучений, формирующихся почвенными радионуклидами // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. - 2011. - №1 (2). - С. 64-73]. Рассчитанные значения плотности потоков бета-излучения 214Pb и 214Bi на высоте 1 м составили, соответственно:

Средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона и в приземной атмосфере были определены с использованием известной модели переноса радона и короткоживущих продуктов его распада в приземной атмосфере, включающей систему стационарных уравнений, в которых учтены процессы молекулярной диффузии, турбулентного переноса и радиоактивного распада [Яковлева B.C., Вуколов А.В., Нагорский П.М., Гвай И.А., Нейман Д.А. Исследование сдвига радиоактивного равновесия между изотопами радона и продуктами их распада // АНРИ. 2011. №3 (66). С. 43-51]. Для расчетов использовали измеренное с помощью радиометра «Альфарад плюс - РП» (Россия) по прилагаемой к радиометру методике значение плотности потока радона на участке, где производятся измерения плотности потока бета-излучения, равное 10,6 мБк/(м2с). Рассчитанные в программном пакете «Wolfram Mathematica 10.0» средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Pb и 214Bi в приземной атмосфере составили:

Коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя k равен 36,0, 1/м (10-5 ч/(мм⋅с)) [Бютнер Э.К., Гисина Ф.А. Эффективный коэффициент захвата частиц аэрозоля дождевыми и облачными каплями. Труды ЛГМИ, вып. 15. - С. 103-117].

Определили интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы из выражений (1) и (2), которые составили, соответственно:

Полученное значение интенсивности дождевых осадков хорошо согласуется с данными института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученными с использованием челночного осадкомера (б на фиг. 1), что свидетельствует о достоверности предлагаемого способа определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы.

Способ определения интенсивности и количества дождевых осадков, включающий измерение ионизирующего излучения, отличающийся тем, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения плотности потока бета-излучения на высоте z от земной поверхности, затем определяют время нарастания tend плотности потока бета-излучения до ее максимального значения а интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы определяют из выражений:

где I - интенсивность дождевых осадков, м/с;

Q - количество дождевых осадков, м;

- измеренное на высоте z от земной поверхности значение плотности потока бета-излучения в момент времени tend, 1/(м2⋅с);

tend - время нарастания плотности потока бета-излучения до ее максимального значения с;

- измеренное на высоте z от земной поверхности фоновое значение плотности потока бета-излучения до начала дождевых осадков, 1/(м2⋅с);

k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя, 1/м;

и - плотности потоков бета-излучения на высоте z, создаваемые осажденными на земную поверхность короткоживущими продуктами распада радона 214Pb и 214Bi, рассчитанные на единичную объемную активность радионуклидов, (1/(м2⋅с))/(Бк/м3);

и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Pb и 214Bi в приземной атмосфере, Бк/м3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для измерения количества атмосферных осадков и может быть использовано для предупреждения быстроразвивающихся чрезвычайных ситуаций.

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам, обеспечивающим безопасность полетов. Устройство для оценки вероятности обледенения двигателей включает в себя модуль оценивания, который оценивает вероятность события обледенения двигателей с образованием кристаллов льда на основе спутниковых данных инфракрасного диапазона, цифровых данных прогнозирования погоды и эмпирических данных, соответствующих по меньшей мере одному фактическому событию обледенения двигателей с образованием кристаллов льда.

Изобретение относится к способам контроля за состоянием и динамикой атмосферы, интегральных характеристик осадков, а именно к определению интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной мощности дозы гамма-излучения.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для анализа снегонакопления на лавиноопасных участках. Сущность: анализатор снегонакопления включает в себя ряд опорных конструкций и принимающую плату (1) обработки и анализа данных, общую для всех опорных конструкций.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интенсивности дождя над территориями океана, свободными ото льда. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 6.9 ГГц горизонтальной поляризации и 6.9 ГГц вертикальной поляризации, 7.3 ГГц горизонтальной поляризации и 7.3 ГГц вертикальной поляризации, 10.65 ГГц горизонтальной поляризации и 10.65 ГГц вертикальной поляризации.

Изобретение относится к области лабораторного оборудования, используемого при изучении процессов капельно-дождевой эрозии почв, и может быть использовано при исследовании почвенных образцов в процессе изучения протекающих эрозионных процессов.

Изобретение относится к устройствам для определения толщины снежного покрова и может быть использовано для оценки лавинной опасности и определения снегонакопления в горах.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для калибровки оптического измерителя осадков. Заявленный способ калибровки осуществляют с помощью непрозрачного стержня круглого поперечного сечения, который перемещают через оптический канал под прямым углом к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня относительно плоскости оптического канала на всем пути следования стержня, при этом значение поправки для каждого из выделенных участков рассчитываются по формуле: где ki - значение поправочного коэффициента для i-го участка оптического канала, Dc - диаметр стержня, - среднее измеренное значение диметра стержня, полученное при его перемещении в участке i.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности осадков в реальном времени в авиационных системах улучшенного видения.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для расширения области применения оптических осадкомеров. В заявленном оптическом способе измерения атмосферных осадков с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы формируют измерительную площадь, размеры которой адаптируют в зависимости от текущей интенсивности осадков, затем регистрируют горизонтальные размеры теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, осуществляют передачу потока измерительной информации и вычисление искомых параметров атмосферных осадков.

Изобретение относится к устройствам для дифференцированного сбора атмосферных осадков. Сущность: устройство содержит защитный корпус (1) цилиндрической формы с открытыми верхней и нижней частями. К внутренней стенке защитного корпуса (1) с помощью пластин (10) крепления присоединена емкость (2) для сбора атмосферных осадков исходного химического состава. К емкости (2) для сбора атмосферных осадков исходного химического состава посредством шарнира (7) прикреплена крышка (3). Крышка (3) имеет верхний бортик (4) и выступающий желоб (5), соединенный с концевой воронкой (6). Конец выступающего желоба (5) посредством шарнира (9) соединен с емкостью (8) для сбора осадков с компонентами веществ аэрозолей поверхностного загрязнения. Технический результат: обеспечение дифференцированного сбора атмосферных осадков, упрощение конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы. Сущность: в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения плотности потока бета-излучения на некоторой высоте от земной поверхности. Определяют время нарастания плотности потока бета-излучения до ее максимального значения. По полученным значениям рассчитывают интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы. Технический результат: повышение точности и упрощение определения интенсивности и количества дождевых осадков. 1 ил.

Наверх