Pomiary opadów

1. Wstęp

Opady są efektem kondesacji pary wodnej zawartej w powietrzu. Mogą mieć postać ciekłą (deszcz) i stałą (śnieg, grad). Pomiar opadów dokonywany jest za pomocą deszczomierzy, lub inaczej pluwiometrów, od łacińskiego „pluvia” – deszcz. Jeszcze inna nazwa tych urządzeń, to ombrometr. Pomiar podawany jest w „mm„. Jeden mm opadów oznacza opad o wielkości 1 litra wody na 1m2 powierzchni. Poniżej zostaną omówione budowa i zasady montażu deszczomierzy.

2. Podział i charakterystyka deszczomierzy

Pluwiometry w zależności od zasady dokonywania wielkości opadów deszczu można ogólnie podzielić na:

– standardowe, menzurkowe

– korytkowe

– optyczne

– akustyczne

– wagowe

Deszczomierze z możliwością rejestracji wielkości opadów noszą nazwę pluwiografów, a urządzenia z możliwością rejestracji i zdalnego przekazywania – telepluwiografów.

Deszczomierz Hellmanna – to nadal najpopularniejszy przyrząd do pomiarów opadów deszczu, stosowany awaryjnie w stacjach pogody. Składa się ze stalowego cylindra o wysokości około 46cm i powierzchni wlotowej 200cm2, wewnątrz którego zamocowany jest lejek i menzurka (pojemnik na opady). Rozwiązanie takie jest pułapką na opady tak deszczu jak i śniegu. Menzurka wyskalowana jest w mm słupa wody. Całość umieszczana jest na słupku tak, aby wolot deszczomierza znalazł się na wysokosci:

– 1m jeśli pomiar odbywa się w terenie <500m n.p.m.

– 1,5m dla terenu >500m n.p.m.

Rys. Po lewej deszczomierz Hellmanna w ogródku meteorologicznym. U dołu schemat budowy. Ozn. 1- wlot o pow. 200cm2, 2- cylindryczna obudowa, 3- podstawa, 4- zbiornik na opady z menzurką,

Odczyt wodomierza wymaga wyjęcia zbiorniczka i odczytania na skali poziomu zgromadzonej cieczy. W zimie cały zbiornik wraz ze śniegiem należy przenieść do ciepłego pomieszczenia, roztopić śnieg i dopiero wtedy dokonać odczytu opadów.

Deszczomierz korytkowy

To popularne rozwiązanie w domowych stacjach pogody i w modelach półprofesjonalnych. Deszczomierz tego typu posiada w zamkniętej obudowie podwójne korytko, podparte w środkowej części. Korytko w czasie opadów napełnia się, ale tylko z jednej strony, do momentu, aż grawitacja spowoduje jego przechylenie i wylanie wody poza obudowę. W wyniku zmiany położenia względem otworu wlotowego opadów, napełnia się tym razem druga strona korytka i sytuacja się powtarza. Każde wywrócenie korytka stanowi impuls generujący określoną ilość opadu, zależną od pojemności pojedynczego korytka. Suma impulsów daje wielkość opadu w czasie.

Rys. Deszczomierz korytkowy. Ozn. a-lej zbiorczy, b- magnes stały w obudowie, c- korytko, d- kontaktron, e- śruby kalibracyjne.

Zaletą rozwiązania jest dość duża czułość i nieograniczony niemal zakres pomiarowy. W zależności od pojemności korytek, rozdzielczość deszczomierzy tego typu zaczyna się od 0,1mm, a „kończy” na ponad 120mm/h. Zwykle im wyższe opady, tym mniejsza dokładność pomiaru. Powyżej 100mm/h nie przekracza ona 95%, ale to kwestia budowy leja.

Wady korytek, to:

  • brak możliwości pomiaru opadów śniegu
  • problematyczne pomiary bardzo małych opadów, szczególnie w lecie, z powodu odparowywania wody z korytek przed przechyleniem
  • rozchlapywanie wody z korytek przy bardzo intensywnych opadach
  • ograniczona żywotność kontaktronu
  • starzenie się tworzywowych elementów obudowy pod wpływem promieniowania UV (zalecam kolor czarny)

Część powyższych wad wyeliminowana jest w wersjach profesjonalnych, metalowych, wykonanych np. z anodowanego aluminium. Przykładem jest deszczomierz Lambrecht (fot.)

Rys. Deszczomierz Lambrecht z możliwością ogrzewania.

Pewną odmianą powyższego rozwiązania o jeszcze większej dokładności pomiarów, jest deszczomierz korytkowo-wagowy.  W tym urządzeniu korytko nie tylko gromadzi opady, ale jest na bieżąco ważone przez system sensorów, co pozwala na niezwykłą rozdzielczość, dochodzącą do 0,01mm. Jednocześnie zakres pomiarowy górny wzrasta do nawet 20mm/min, czyli 1200mm/h opadu. To już w pełni profesjonalne urządzenia o najwyższej jakości. Przykładowy model Lambrecht Rain wyposażony został np. w poziomnicę, dwusekcyjny system podgrzewania (podgrzewane jest korytko i lej), jak też w spiralę chroniąca przed zanieczyszczeniami montowaną w leju zbiorczym. U dołu kolejne nowum, siatka przeciw owadom.

Fot. Deszczomierz korytkowo-wagowy Lambrecht Rain 400 bez zamocowanego korytka. Ozn. 1- poziomnica, 2 – siatka przeciw owadom, 3- kontaktron (Lambrecht meteo Gmbh)

Deszczomierze wagowe

Fot. Deszczomierz wagowy BMsonic (
fot. BMSonic Biotechnika)

Nie posiadają leja zbiorczego. Opady trafiają w nich bezpośrednio do dużego zbiornika (naczynia wzbiorczego). Deszczomierz wagowy dokonuje pomiaru opadów poprzez ciągłe ważenie naczynia. Zintegrowana elektronika wraz z oprogramowaniem przelicza przyrost wagi na intensywność opadu, oraz generuje wiele parametrów charakteryzujących opad, takich jak np. sumy dobowe, sumy godzinne, sumy minutowe, maksymalne intensywności z danego okresu, a nawet wielkość kropel. Oprogramowanie eliminuje z danych takie zjawiska jak wpadanie liści oraz owadów. Eliminowany jest też efekt spadku wagi zbiornika poprzez parowanie.

Deszczomierze wagowe dostępne są o otworze wlotowym o powierzchni 200 lub 400cm2.

Deszczomierze wagowe nie mają zwykle możliwości odprowadzenia nagromadzonych opadów. Są one gromadzone do momentu osiągnięcia maksymalnej pojemności zbiornika, po czym muszą być opróżnione przez obsługę. Poszczególne modele różnią się więc dopuszczalną pojemnością naczynia wzbiorczego. Przykładowy deszczomierz wagowy BMsonic na zdjęciu po prawej dostępny jest w trzech pojemnościach 250, 750 i 1250mm

Poniżej tabela parametrów technicznych.

W miejscach trudno dostępnych, lub o zwiększonej wietrzności, narażonych na szczególnie niskie temperatury i występujące przez długi okres w ciągu roku opadów śniegu, deszczomierze wagowe noszą nazwę totalizatorów. Wyposaża się w dodatkowe osłony od wiatru. Sam zbiornik jest częściowo napełniony znaną ilością cieczy, zawierającej rozpuszczony chlorek wapnia, lub roztwór glikolu, co zapobiega zamarzaniu w warunkach niskich temperatur. Każdy opad śniegu jest na bieżąco rozpuszczany w roztworze. Dla uniknięcia ewaporacji stosuje się z kolei dodatek oleju. Deszczomierz taki opróżniany jest raz na miesiąc, sezon lub rok. Pojemność zbiornika dochodzi do 3000mm opadu.

Fot. Totalizator z osłoną przeciwwiatrową.

Disdrometr – to odmiana deszczomierza wykorzystywana do badania nie tyle wielkości opadu, co jego intensywności (wielkości kropel, ilości kropel, szybkość ich spadania). Urządzenia tego typu mają za zadanie określić szybko widoczność związaną z opadami deszczu i wykorzystywane są w meteorologii morskiej i lotniczej. Disdrometr starszego typu zbudowane były z płytki, na która padały krople deszczu. Uderzenie każdej kropli było zamieniane na impuls elektryczny. Specjalne sensory mierzyły siłę tyc uderzeń i ich częstotliwość. Im większa kropla, tym silniejsze uderzenie o płytkę. Komputer zliczał potem wszystkie uderzenia i przetwarzał je na częstotliwość i intensywność opadu.

Współcześnie disdrometry wyposażane są w czujniki akustyczne, radarowe (disdrometry dopplerowskie) lub laserowe (disdrometry optyczne).

Fot. Po prawej, disdrometr optyczny, laserowy parsival. Posiada czułość opadów od 0,001 mm do 1200mm/h. Pracuje w temperaturach od -40 do +70C. Mierzy opadu mżawki, deszczu, gradu, śniegu.

Disdrometr laserowy zbudowany jest z dwóch elementów – nadajnika i odbiornika, pomiędzy którymi wysyłana jest płaska wiązka laserowa. Jeśli w obszarze wysyłanej wiązki pojawi się zakłócenie (hydrometeor), zostaje ono zarejestrowane. Poziom zasłonięcia wiązki i czas jego trwania świadczy o intensywności opadu. 

Fot. Disdrometr laserowy

Disdrometr radarowy – wyposażony jest w miniradar Dopplera 24 GHz. Wysyłany sygnał zakłócony opadem, ulega przesunięciu dopplerowskiemu, co przetwarzane jest na intensywność opadu. W tego typu urządzeniach problematyczne jest wykrywanie bardzo drobnych opadów (mżawki). Zwykle rozróżniają krople dopiero od wielkości 0,5mm

Fot. Disdrometr radarowy

Pluwiografy

To deszczomierze z funkcją rejestracji  danych w postaci wykresu opadów, tzw. pluwiogramu. Ze względu na budowę i zasadę działania dzielą się na:

  • pływakowe
  • kropelkowe
  • wagowe

Pluwiografy pływakowe wyposażone są w pojemnik z pływakiem, do którego zamocowany jest pręt z piórkiem. Zmiana poziomu wody w zbiorniku powoduje zmianę położenia pływaka, co zapisywane jest piórkiem na bębnie rejestratora. Obrót bębna dokonywany jest w interwałach czasowych tworząc histogram opadu. Nadmiar wody z komory pływakowej usuwany jest okresowo za pomocą lewara do osobnego pojemnika.

Pluwiograf kropelkowy działa na innej zasadzie i nie ma jednakowej budowy. W tym rozwiązaniu wewnątrz urządzenia, w czasie trwania opadu, formowane są krople o jednakowej objętości i wielkości, które następnie zliczane są przez specjalny przetwornik. Liczenie może się odbywać:

  • za pomocą urządzeń wywrotowych i czujnika impulsów
  • za pomocą fotokomórki liczącej spadające krople
  • konduktometrem zwieranym każdorazowo przez spadające krople

Rys. Pluwiograf pływakowy. Ozn. 1- lej wlotowy opadów, 2- komora pływakowa i pływak,  3- lewar do odprowadzania okresowego wody, 4- pojemnik na wodę, 5- lejek ochronny, 6- kurek spustowy wody, 7- bęben z taśmą histogramu, 8 – obudowa z drzwiczkami. U dołu wykres przykładowego histogramu opadów. Kreski pionowe oznaczają opróżnienie komory pływakowej przez lewar.