Disdrometry

Postęp  wynikający  z  wdrożenia  elektronicznych  deszczomierzy  wagowych  nie spełnia  wszystkich  oczekiwań  współczesnej  hydrologii  miejskiej.  Spływ  wód opadowych z utwardzonych powierzchni o dużych spadkach, np. połaci dacho‐ wych,  występuje  bardzo  szybko.  Czas  dopływu  wód  opadowych  z  dachów  do kolektorów  deszczowych  ocenia  się  nawet  na  krótszy  rzędu  2–3  min.  Nadal jeszcze w tak wysokiej rozdzielczości czasowej rejestracje opadów pozyskiwane z elektronicznych deszczomierzy  nie są  zadawalające. Brak jest  informacji o  ro‐ dzaju opadów, nie jest wiadome na przykład, czy padał deszcz, czy śnieg, co ma swoje oczywiste następstwa w dynamice spływu powierzchniowego.

Projektowanie  i  eksploatacja  coraz  bardziej  rozległych  systemów  odwod‐ nienia  w  coraz  szybciej  rozbudowujących  się  miastach  wymaga  też  coraz  czę‐ ściej pełnej informacji o rozkładzie opadów na dużym obszarze. Rekonstrukcji przestrzennej rozkładu opadów nie da się dokonywać efektywnie tylko na pod‐ stawie  punktowych  rejestracji  z  sieci  deszczomierzy.  Dlatego  coraz  częściej konieczne staje się wykorzystywanie w tym celu obrazowań radarowych, które wymagają jednak wcześniejszej kalibracji i weryfikacji, co nie jest z kolei możli‐ we z użyciem samych deszczomierzy.

Przedstawione  uwarunkowania  w  połączeniu  z  szybkim  tempem  postępu w obszarze elektroniki, a zwłaszcza optoelektroniki dały asumpt do opracowania i wdrożenia w praktyce nowej generacji przyrządów nazywanych disdrometrami.

3.5.1. Rozwiązania konstrukcyjne

Celem  pierwotnym,  z  powodu  którego  skonstruowano  disdrometry,  było  roz‐ poznanie rozkładów wielkości hydrometeorów i ich prędkości opadania. Pierw‐ sze konstrukcje disdrometrów wykorzystywały czujniki piezoelektryczne służą‐ ce  do  rejestracji  sygnału  napięciowego  powstającego  w  wyniku  uderzenia kropel deszczu o powierzchnię badawczą. Sygnał ten był wzmacniany, filtrowa‐ ny  i  przetwarzany  (całkowany  dla  różnych  okresów  czasowych),  dzięki  czemu szacowano  wielkości  energii  kinematycznej  względnie  pędu  kropel  deszczu (Licznar  2007b;  Licznar  i  in.  2005a;  2008;  Licznar  i  Łomotowski  2007).  Na  tej

podstawie  przy  założeniu  terminalnej  prędkości  opadania  kropel  można  było oszacować średnice hydrometeorów i pośrednio wartości natężenia opadu. Rys. 3.11. Zainstalowany w Warszawie disdrometr laserowy Parsivel² firmy OTT Rys. 3.12. Przykład rejestracji z disdrometru laserowego Parsivel¹ firmy OTT w aplikacji ASDO; na wykresie w górnym prawym rogu widoczny rozkład wielkości i prędkości opadania hydrometeorów w wybranym 30‐sekundowym interwale odpowiadający intensywnemu opadowi śniegu z deszczem

3.5.2. Walory eksploatacyjne disdrometrów laserowych

stawił  Licznar  (2007a)  na  przykładzie  instrumentu  Parsivel¹  firmy  OTT.  Zakres

pomiarowy  tego  disdrometru  dla  wielkości  cząstek  opadów  ciekłych  wynosi 0,2–5  mm,  a  dla  opadów  stałych  0,2–25  mm.  Mierzalna  prędkość  opadania

cząstek mieści się w zakresie 0,2–20 m∙s^–1. W końcowym efekcie pomiaru każdy

z zarejestrowanych hydrometeorów  jest  klasyfikowany  do  jednej  z  32  klas  pod względem  wielkości  i  prędkości  opadania  hydrometeorów  (rys.  3.12).  Daje  to łącznie  1024  kombinacje  możliwego  zaklasyfikowania  spadającej  cząstki.  Tak wytworzone spektrum opadowe DSD w bardzo krótkich interwałach czasowych 10 s (dla nowszej generacji disdrometrów) lub 30 s (dla starszej, pierwszej ge‐ neracji disdrometrów) jest dalej przetwarzane przez DSP, który wyznacza wiel‐ kości pochodne. Stanowią one  ze względu na  metodykę  ich  obliczania  hierar‐ chię momentów statystycznych DSD dla następujących rzędów (stopni): – 0. stopnia – liczba kropel, – 1. stopnia – ekwiwalentna średnia średnica kropel deszczu (mm), – 2. stopnia – widzialność MOR (ang. Meteorological Optical Range; km^–1), – 3. stopnia – zawartość ciekłej wody (mg∙m^–3), – około 3,7. stopnia – natężenie deszczu (mm∙h^–1), – 5. stopnia – strumień energii kinetycznej kropel (J∙m^–2∙h^–1), – 6. stopnia – współczynnik odbiciowości radarowej (dBZ). Zarejestrowane spektrum opadowe DSD umożliwia identyfikację typu wy‐ stępującego opadu (np. czy jest to  mżawka,  deszcz,  grad,  deszcz  ze  śniegiem, śnieg  itp.).  Informacja  ta  jest  podawana  na  wyjściu  z  instrumentu  w  postaci standardowo  używanych  w  meteorologii  kodów  opadowych  wg  tabel  4680 i 4677 SYNOP, tabeli 4678 METAR/SPECI lub NWS (Operating Instructions Present

Weather  Sensor  OTT  Parsivel²,  2015).  Wszystkie  wyniki  pomiarowe  mogą  być

zapisywane  w  pamięci  podłączonego  do  disdrometru  rejestratora  danych  lub komputera  oraz  wizualizowane  i  przeglądane  w  specjalistycznym  oprogramo‐ waniu w aplikacji ASDO (rys. 3.12).

Spośród  prezentowanych  na  wyjściu  disdrometru  laserowego  wyników pomiarowych  tylko  część  może  być  bezpośrednio  wykorzystana  na  potrzeby hydrologii miejskiej.  To natężenie opadu i  wysokość  opadu,  czyli  ekwiwalenty wyników  pomiarów  klasycznych  deszczomierzy.  Dodatkowymi  potencjalnie przydatnymi  produktami  są  kody  opadowe  oraz  współczynnik  odbiciowości radarowej.  Dzięki  kodom  opadowym  mogą  być  dostarczane  eksploatatorowi

systemu odwadniania bieżące informacje o rodzaju występującego opadu, np. czy jest to deszcz, czy też deszcz ze śniegiem, mżawka, śnieg lub grad.

Łatwość  eksploatacji  disdrometrów  laserowych  jest  ich  istotną  zaletą.  Po instalacji  instrumenty  te  nie  wymagają  bieżących  przeglądów  ani  okresowych kalibracji. Disdrometry można instalować nawet w trudno dostępnych lokaliza‐ cjach,  np.  na  wysokich  masztach,  na  dachach  (rys.  3.11),  co  chroni  je  m.in. przed aktami wandalizmu.

Pierwszy eksploatowany przez autora disdrometr laserowy został zainsta‐ lowany  na  maszcie  na  dachu  budynku  Uniwersytetu  Przyrodniczego  we  Wro‐ cławiu jesienią 2006 r. i funkcjonuje do dziś – przez 11 lat bez demontażu, na‐ praw  i  przeglądów  serwisowych.  Disdrometry  laserowe  są  przystosowane  do pracy  w  trudnych  warunkach,  mogą  funkcjonować  w  temperaturze  od  –40C do  +70C  przy  wilgotności  względnej  0–100%.  Obudowy  disdrometrów  speł‐ niają  wymogi  izolacyjności  IP67  i  są  specjalnie  uformowane,  względnie  też perforowane,  aby  zminimalizować  zjawisko  rozbryzgu  kropel,  co  mogłoby  za‐ kłócać  rzeczywiste  spektrum  opadowe.  Disdrometry  mają  też  własny  system ogrzewania sterowany przez wewnętrzny układ mikroprocesorowy zapobiega‐ jący oblodzeniu przyrządów, np. przy opadzie marznącego deszczu lub śniegu.

W  charakterystyce  możliwości  pomiarowych  współczesnych  disdrome‐ trów  należy  podkreślić  także  to,  że  umożliwiają  one  rejestrację  chwilowych natężeń  opadów  z  bardzo  wysoką  rozdzielczością  wysokości  opadu  i  czasu w bardzo szerokim zakresie chwilowych zmian natężeń. Przykładowo – disdrome‐ try produkcji firmy OTT, serii Parsivel mają zakres pomiarowy obejmujący natę‐

żenia opadu 0,001–1200 mm∙h^–1. Chwilowe natężenia opadów mogą być reje‐

strowane  z  maksymalną  rozdzielczością  czasową  wynoszącą  10  s  i  30  s,

odpowiednio dla disdrometrów aktualnej generacji Parsivel² i poprzedniej Par‐

sivel¹. Nawet gorsza rozdzielczość czasowa 30 s jest całkowicie nieosiągalna dla

deszczomierzy  korytkowych,  a  nawet  elektronicznych  deszczomierzy  wago‐ wych. Z tego powodu rejestracje natężeń opadów pochodzące z tych przyrzą‐ dów, przy deklarowanej przez producenta dokładności wynoszącej co najmniej 5%, nie są obarczone błędem kwantyzacji niemożliwym do eliminacji w przy‐ padku deszczomierzy korytkowych.

Błędem,  który  może  występować  w  przypadku  rejestracji  prowadzonych przez  disdrometry,  może  być  niewielkie  zawyżanie  objętości  wody  zawartej w opadach śniegu lub deszczu ze śniegiem. Zjawisko to wykazał Licznar (2009c)

w trakcie testów porównawczych disdrometru laserowego OTT Parsivel¹ z elek‐

że płatki śniegu są skomplikowanymi fraktalnymi strukturami lodu, dla których trudno jest ustalić  proporcję  między objętością zamarzniętej wody a  wolnymi przestrzeniami.  Stąd  powstaje  trudność  obliczenia  natężenia  opadu  (wyrażo‐ nego w milimetrach słupa wody na jednostkę czasu) na podstawie znajomości jedynie wymiaru płatków śniegu i ich prędkości opadania. O wysokim potencjale zastępowania deszczomierzy przez disdrometry lase‐ rowe można przekonać się w pełni na podstawie analizy wykresu zamieszczone‐ go na rys. 3.13 przedstawiającego przykładowy szereg czasowy natężeń chwilo‐ wych deszczu, jaki został zarejestrowany z użyciem disdrometru laserowego OTT Parsivel² zainstalowanego w Warszawie. Rejestrację przeprowadzono z oryginal‐

ną  rozdzielczością  czasową  10  s,  niemniej  na  rysunku  przedstawiono  także wykresy  uśrednionych  wartości  natężeń  deszczu  dla  gorszych  rozdzielczości 1‐ i 5‐minutowych (te wykresy można utożsamiać z rejestracjami pochodzącymi z konwencjonalnych deszczomierzy). W przypadku pluwiografów odczyt chwilo‐ wych  natężeń  opadów  przy  ręcznej  analizie  pasków  pluwiograficznych  był  pro‐ wadzony  ze  standardową  rozdzielczością  10  min,  czasami  jedynie  starano  się odczytywać zapisy z pasków z lepszą rozdzielczością – 5 min. 0 20 40 60 80 100 120 140 21 :0 7 21 :3 6 22 :0 4 22 :3 3 23 :0 2 23 :3 1 0: 0 0 0: 2 8 0: 5 7 1: 2 6 In te nsy w no ść  op ad u,  mm h .‐ 1 Czas 10 s 1 min 5 min Rys. 3.13. Szereg czasowy 10‐sekundowych intensywności chwilowych deszczu zarejestrowany z użyciem disdrometru laserowego OTT Parsivel² zainstalowanego w Warszawie; ponadto zapisy tego samego opadu zagregowane do niższych rozdzielczości czasowych 1 min i 5 min

Z  danych  zamieszczonych  na  rys.  3.13  wynika,  że  w  przebiegu  rejestracji w najwyższej rozdzielczości można zaobserwować dwie podstawowe cechy opa‐ du: duże zróżnicowanie intensywności procesu opadowego i jego nieciągłość. Te cechy ulegają coraz silniejszemu zamazaniu wraz z pogarszającą się rozdzielczo‐ ścią  czasową  rejestracji  opadu.  W  rozdzielczości  czasowej  10  s  maksymalna

chwilowa intensywność opadu przekracza nawet 120 mmh^–1. W rozdzielczo‐

ści czasowej 1 min maksymalna intensywność deszczu przekracza 100 mmh^–1,

a  w  rozdzielczości  5  min  jest  już  praktycznie  dwa  razy  niższa  i  wynosi  nieco

ponad 60 mmh^–1.

Pogorszenie  rozdzielczości  czasowej  rejestracji  opadu  w  wyniku  procesu uśredniania intensywności chwilowych prowadzi do zacierania się  nieciągłości opadu. Chociaż nie jest to tak łatwe do zauważenia na rys. 3.13, po dokładniej‐ szej  analizie  można  stwierdzić,  że  w  obrębie  oryginalnej  rejestracji  deszczu w rozdzielczości 10 s 40% stanowiły okresy o intensywności opadu równej zeru. W przypadku rejestracji w gorszych rozdzielczościach 1 min i 5 min udział okresów o zerowej intensywności opadu spadał odpowiednio do 30% i 20%. Reasumu‐ jąc,  można  powiedzieć,  że  disdrometry  laserowe  oferują  nam  współcześnie możliwość  rozpoznania  rzeczywistej  małoskalowej  dynamiki  opadów  w  roz‐ dzielczości  czasowej  pojedynczych  minut  lub  nawet  dziesiątek  sekund,  co  po raz pierwszy odpowiada skalom czasowym dynamiki formowania się spływów wód opadowych na obszarach miejskich.