СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ДОЖДЕВЫХ ОСАДКОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2018 года по МПК G01W1/14 

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;

V_п - 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⋅I^b,

Z=В⋅θ^с,

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 τ_i (i=1, 2, 3, …, n), с, в приемнике с входным отверстием, определение приращения m_i их массы и значения интенсивности R_i, мм/ч (м/с). Между режимами накопления выдерживают паузы, продолжительность каждой из которых не менее чем время успокоения измерителя массы. Значение приращения m_i 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 t_end 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 t_end, Зв/с;

t_end - 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 t_end 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 t_end 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.

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 t_end 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 t_end, Зв/с; t_end - 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.

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 t_end 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 t_end, Зв/с;

t_end - 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.