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 cm 2 ) 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 m 2. 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: ε N koreguota = N matuota + b N matuota 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: N H N = 1 + 0, 113 tg g sin A j Kur: N H kritulių kiekis šlaite, N išmatuotas kritulių kiekis horizontaliame paviršiuje, g šlaito polinkio kampas, A j 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: Q E = Kp (h d 1 h d ) 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.