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 cm2) 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 m2.

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:

𝑵𝒌𝒐𝒓𝒆𝒈𝒖𝒐𝒕𝒂 = 𝑵𝒎𝒂𝒕𝒖𝒐𝒕𝒂 + 𝒃 × 𝑵𝒎𝒂𝒕𝒖𝒐𝒕𝒂𝜺

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:

𝑵𝑯

𝑵 = 𝟏 + 𝟎, 𝟏𝟏𝟑 × 𝒕𝒈 𝒈 × 𝐬𝐢𝐧 𝑨𝒋

Kur: NH – kritulių kiekis šlaite,

N – išmatuotas kritulių kiekis horizontaliame paviršiuje,

g – šlaito polinkio kampas,

Aj – 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:

𝘘𝐸 = 𝑲𝒑 (ℎ𝑑−1 − ℎ𝑑)

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.