Способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы

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. Способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы заключается в том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте от 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 - значения мощности дозы гамма-излучения на высоте ее измерения, создаваемые короткоживущими продуктами распада радона 214Рb и 214Bi, осажденными на земную поверхность дождевыми осадками (Зв/с)/(Бк/м3); и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Рb и 214Bi, в приземной атмосфере, Бк/м3. Технический результат – упрощение измерения, возможность проведения мониторинга, достоверность полученных результатов. 1 ил.

 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной мощности дозы гамма-излучения.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков с помощью плювиографа [1. RU 2034316 C1, МПК 6 G01W 1/14, опубл. 30.04.1995], содержащего осадкосборную камеру с приемной воронкой, сифон и поплавок, связанный с регистратором и узлом принудительного начала слива. Узел принудительного начала слива выполнен в виде опрокидывающейся емкости, установленной на поворотной оси, и упора, жестко связанного с осадкосборной камерой, поплавок жестко прикреплен к днищу опрокидывающейся емкости, а центр тяжести поплавка и упор расположены по разные стороны поворотной оси. Объем Vo опрокидывающейся емкости удовлетворяет условию

Vо=Vок-Vп,

где Voк - объем заполнения осадкосборной камеры, при котором уровень жидкости заполняет трубку сифона в месте ее изгиба на 2/3 ее диаметра;

Vп - объем заполнения осадкосборной камеры, при котором поплавок переворачивает опрокидывающуюся емкость.

Каждый поворот ("кувырок") этой емкости регистрируется на диаграмме. По плотности расположения прочерченной диаграммы за определенный промежуток времени судят о суммарном количестве и интенсивности поступающей жидкости через приемную воронку.

Недостатки этого способа:

- время начала заполнения опрокидывающейся емкости не фиксируется на прочерченной диаграмме, а фиксируется только время слива первой порции опрокидывающейся емкости, таким образом, точное время начала дождя не известно, что может привести и снижению достоверности результата измерения;

- использование большого количества механических и кинематических звеньев приводит к снижению надежности способа и срока службы.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы с помощью осадкомера [2. SU 607168 A1, МПК2 G01W 1/14, опубл. 15.05.1978], содержащего секционную обмотку с распределенной емкостью, образованной двумя изолированными проводниками, омическое сопротивление которых зависит от температуры, а также блок обработки сигнала и регистратор. Под действием атмосферных осадков, попадающих внутрь обмотки, происходит изменение емкости конденсатора, которое преобразуется в последовательность электрических импульсов, частота следования которых пропорциональна интенсивности осадков.

Недостатком такого способа является низкая достоверность измерений интенсивности осадков, поскольку учитывают только переменную частоту следования электрических импульсов равной длительности и не учитывают размеры капель.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы [3. US 3882381 А, МПК G01N 27/22, опубл. 06.05.1975], основанный на использовании оптико-акустико-электронного прибора, в котором происходит преобразование количества капель осадков в количество электрических импульсов за счет прерывания каплями луча лазера, а также преобразование звукового сигнала с помощью мембраны и микрофона в электрический сигнал.

Недостатки такого способа:

- низкая надежность вследствие помутнения оптики при продолжительном попадании на нее осадков;

- влияние случайных шумов приводит к уменьшению достоверности определения интенсивности осадков;

- сложность измерительных блоков и энергоемкость электропитания с различными напряжениями.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков [4. RU 2097798 C1, МПК 6 G01W 1/14, опубл. 27.11.1997], включающий радиолокационное зондирование атмосферы с последующей идентификацией типа облачности по известным критериям и определение искомых параметров осадков с использованием корреляционных функций и данных радиолокационной отражаемости облаков. На контролируемой 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. Используя полученные данные, осуществляют калибровку радиолокационной станции, и, затем соответствующие радиолокационные измерения осадков на контролируемой территории. Интенсивность дождевых осадков определяют из выражений

Z=А⋅Ib,

Z=В⋅θс,

где Z - отражаемость, дБ;

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

θ - количество выпавших осадков, мм/ч (м/с);

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

Недостатком данного способа является то, что для каждого случая осадков необходимо определять свои коэффициенты, которые зависят от спектра капель, вида и микроструктуры осадков, а также орографических особенностей.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков [5. RU 2003142 C1, МПК 5 G01W 1/14, опубл. 15.11.1993], основанный на проведении n-циклов измерений, каждый из которых включает накопление осадков за время τi (i=1, 2, 3, …, n), с, в приемнике с входным отверстием, определение приращения mi их массы и значения интенсивности Ri, мм/ч (м/с). Между режимами накопления выдерживают паузы, продолжительность каждой из которых не менее чем время успокоения измерителя массы. Значение приращения mi накопленной массы осадков измеряют во время соответствующей паузы. Находят значение поправки на переход от режима накопления в режим паузы и обратно из выражения

где S0 - максимальное значение площади измеряемого потока осадков, м2;

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

S(t2)=S0 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).

Недостатки данного способа:

- достоверно не известно время начала дождя, поскольку в этом способе задается время накопления осадков в первом цикле 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;

- использование большого количества механических и кинематических звеньев приводит к снижению надежности способа и срока службы.

Предложенный способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы является простым, достоверным и надежным.

Согласно изобретению, способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы заключается в том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте от 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 - значения мощности дозы гамма-излучения на высоте ее измерения, создаваемые короткоживущими продуктами распада радона 214Pb и 214Bi, осажденными на земную поверхность дождевыми осадками, (Зв/с)/(Бк/м3);

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

Реакция мощности дозы гамма-излучения на осадки, проявляющаяся в виде аномальных всплесков (фиг. 1), достаточно хорошо экспериментально и теоретически изучена. Объяснением роста мощности дозы гамма-излучения в периоды выпадения осадков является вымывание гамма-излучающих короткоживущих продуктов распада радона 214Рb и 214Bi осадками на земную поверхность [6. 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. 7. Mercier, J.-F., Tracy, B.L., d'Amours, 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. 8. EURADOS Report, 1999. Radiation Protection 106, URL: (http://ec.europa.eu/energy/nuclear/radiation_protection/doc/publication/rp106.pdf)]. Другие природные радионуклиды, например, 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 мощности дозы гамма-излучения tend продолжается от начала и до окончания выпадения осадков. После окончания выпадения осадков мощность дозы экспоненциально снижается до фонового значения за счет радиоактивного распада 214Pb и 214Bi.

Выбор высоты измерения мощности дозы гамма-излучения не менее 1 м от земной поверхности обусловлен требованиями к проведению контроля радиационной обстановки для населения. Использование одной и той же высоты измерения обеспечивает сопоставимость результатов измерений для разных территорий, как в России, так и за рубежом.

Предложенный способ позволяет определять как интенсивность дождевых осадков м/с (мм/ч), так и их количество, мм (м).

Таким образом, предложенный способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной мощности дозы гамма-излучения является: 1) простым и надежным, поскольку достаточно лишь измерять только мощность дозы гамма-излучения, т.е. использовать только один измерительный блок; 2) достоверным, способ основан на хорошо апробированных моделях переноса и физических законах; 3) полезным при расшифровке результатов контроля радиационной обстановки на предмет выявления радиационных инцидентов, поскольку «аномальный всплеск» мощности дозы гамма-излучения, вызванный дождевыми осадками имеет свою характерную форму; 4) достоверным, поскольку погрешность определения интенсивности осадков снижается за счет того, что известно время начала дождя, которое соответствует началу роста мощности дозы гамма-излучения.

Способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной мощности дозы гамма-излучения пригоден как для разовых измерений, так и для длительного автоматизированного мониторинга интенсивности дождевых осадков, если используются дозиметры или блоки детектирования гамма-излучения, работающие в режиме мониторинга.

На фиг. 1 представлена динамика измеренной мощности дозы гамма-излучения и интенсивность осадков.

Для определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем г. Томска.

С использованием блока детектирования гамма-излучения БДКГ-03 (Атомтех, Беларусь) на высоте 1 м от земной поверхности производили непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения с тактом не менее 1 измерения за 60 с в течение двух суток, значения приведены на фиг. 1. В этот период был случай выпадения дождевых осадков. По данным ООО «Расписание Погоды» [9. URL: http://rp5.ru/Погода_в_Томске] интенсивность осадков в этот временной период составила 0,005 м за 43200 с (5 мм за 12 ч).

Фоновое значение мощности дозы гамма-излучения до начала дождевых осадков составило 0,06 мкЗв/ч (1,7⋅10-5 мкЗв/с), максимальное значение мощности дозы гамма-излучения составило 0,09 мкЗв/ч (2,5⋅10-5 мкЗв/с), время нарастания tend мощности дозы гамма-излучения от фонового до максимального значения составило 2,11 ч (7596 с).

С помощью метода Монте-Карло были рассчитаны значения мощности дозы гамма-излучения и , создаваемые короткоживущими продуктами распада радона 214Рb и 214Bi, осажденными на земную поверхность дождевыми осадками, рассчитанные на единичную активность радионуклидов о по программе PCLab [10. Компьютерная лаборатория (КЛ/PCLab). Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ №2007615275 от 28.12.2007. Автор: Беспалов В.И. 11. 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]:

Средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона и в приземной атмосфере были рассчитаны с использованием известной модели переноса радона и короткоживущих продуктов его распада в приземной атмосфере, включающей систему стационарных уравнений, в которых учтены только процессы молекулярной диффузии, турбулентного переноса и радиоактивного распада [12. 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 РРА-01М-03 по прилагаемой к радиометру методике значение плотности потока радона на участке, где производятся измерения мощности дозы гамма-излучения, равное 10,12 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 к равен 36,0, 1/м (10-5 ч/(мм⋅с)) [13. Бютнер Э.К., Гисина Ф.А. Эффективный коэффициент захвата частиц аэрозоля дождевыми и облачными каплями. Труды ЛГМИ, вып. 15, с. 103-117].

Определили интенсивность дождевых осадков в приземном слое атмосферы из выражения (1), которая составила:

При пересчете данных ООО «Расписание Погоды» на реальное время выпадения осадков 2,11 ч, определенное предложенным способом, интенсивность дождевых осадков составляет 2,37 мм/ч: I=5/2,11=2,37 мм/ч=6,58⋅10-7 м/с.

Способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы, отличающийся тем, 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.



 

Похожие патенты:

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 области гидрометеорологии и может быть использовано для измерения нарастающих отложений сублимационного льда-инея на поверхности снежного покрова.

Изобретение относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова и может быть использовано с целью прогнозирования лавинной опасности. Сущность: последовательно проводят летние и зимние зондирования склона с использованием лазерного дальномера.

Датчик высоты снежного покрова относится к метеорологическому приборостроению и предназначен для использования в автоматических и дистанционных метеорологических станциях для оперативного измерения высоты снежного покрова.

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. Способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы заключается в том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте от 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, мс; - измеренное значение мощности дозы гамма-излучения в момент времени tend, Звс; tend - время нарастания мощности дозы гамма-излучения до ее максимального значения, с; - измеренное фоновое значение мощности дозы гамма-излучения до начала дождевых осадков, Звс; k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя; и - значения мощности дозы гамма-излучения на высоте ее измерения, создаваемые короткоживущими продуктами распада радона 214Рb и 214Bi, осажденными на земную поверхность дождевыми осадками ; и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона 214Рb и 214Bi, в приземной атмосфере, Бкм3. Технический результат – упрощение измерения, возможность проведения мониторинга, достоверность полученных результатов. 1 ил.

Наверх