Table of Contents
Η ακριβής μέτρηση των κατακρημνίσεων στηρίζει τα πάντα από την πρόβλεψη των πλημμυρών και τον αγροτικό σχεδιασμό μέχρι τη διαχείριση των υδάτινων πόρων και την διαμόρφωση κλιματικών μοντέλων. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες στηρίζονταν σε απλά μηχανικά περιτυπώματα και χειροκίνητες παρατηρήσεις. Αλλά καθώς η ανάγκη για υψηλότερη ανάλυση, τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο έχει αυξηθεί, η επιστήμη των υλικών και οι ψηφιακές τεχνολογίες έχουν συγκλίνει για να παράγουν μια νέα γενιά συσκευών συλλογής και μέτρησης.
Ιστορικό πλαίσιο: Από το Can-and-Stick σε σύγχρονο Gauges
Οι τυπικοί μετρητές βροχής ⁇ ουσιαστικά ένα χωνί και ένας βαθμονομημένος κύλινδρος ⁇ έχουν αλλάξει ελάχιστα σε αιώνες. Το πρότυπο μετρητή 8 ιντσών της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως, αλλά πάσχει από γνωστούς περιορισμούς: τα υποαλιεύματα που προκαλούνται από τον άνεμο, η εξάτμιση κατά τη διάρκεια θερμών περιόδων, και η αδυναμία διάκρισης μεταξύ βροχής, χιονιού και χαλάζι. Οι χειροκίνητες ενδείξεις εισάγουν επίσης ανθρώπινο σφάλμα και καθυστέρηση.
Μαθήματα από τις Πρώτες Προσπάθειες
Οι καταγραφείς με βάση το βάρος (μεγέθης μετρητές) και οι μηχανισμοί αντιστροφής-απόθεσης βελτιώνουν τον αυτοματισμό αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν μηχανικές φθορές, προβλήματα παγώματος και περιορισμένη ανάλυση.
Νέα υλικά Μετασχηματισμού επιφάνειες συλλογής
Η φυσική διεπαφή μεταξύ του συλλέκτη και του υδρομετέωρα είναι το πρώτο σημείο του πιθανού σφάλματος. Παραδοσιακές μεταλλικές ή πλαστικές επιφάνειες επιτρέπουν στο νερό να προσκολλάται, να εξατμίζεται ή να πιτσιλίζεται.
Υδροφοβικές και υπερυδροφοβικές επικαλύψεις
Οι υπερυδροφοβικές επικαλύψεις ⁇ που εμπνέονται από φύλλα λωτού ⁇ δημιουργούν στρώμα υδαταπωθητικό με γωνίες επαφής μεγαλύτερες από 150°, προκαλώντας σταγονίδια να δέσουν και να κυλήσουν αμέσως. Όταν εφαρμόζονται σε εσωτερικούς χώρους χωνιών και φιάλες δειγμάτων, οι επικαλύψεις αυτές μειώνουν σημαντικά την πρόσφυση και την εξάτμιση του νερού. Οι δοκιμές πεδίου από το [[LFT:0]]NoA National Severe Storms Laboratory[[LFT:1] έχουν δείξει ότι τα επικαλυμμένα μετρητές μπορούν να βελτιώσουν την ακρίβεια κατά 2 ⁇ 5% σε εκδηλώσεις με ελαφρές βροχές σε σύγκριση με τις μη επιχρισμένες επιφάνειες.
Προηγμένα πολυμερή και συνθετικά
Τα υψηλής ποιότητας πολυμερή μηχανικής, όπως η πολυεθερεκετόνη (PEEK) και τα φθοροπολυμερή, προσφέρουν αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία, χημική αδρανότητα και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτά τα υλικά εμποδίζουν τη δίνη κάτω από έντονο ηλιακό φως και μειώνουν τη συμπύκνωση που μπορεί να μιμηθεί την καθίζηση. Οι κατασκευαστές παράγουν πλέον πλήρως πολυμερή μετρητές βροχής που ζυγίζουν ένα κλάσμα των προκατόχων τους μετάλλου, απλοποιώντας την ανάπτυξη σε δίκτυα σημαντήρων ή σε απομακρυσμένες λεκάνες απορροής βουνού.
Νανοδομήσιμες επιφάνειες αισθητήρων
Τα νανοϋλικά όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα, το οξείδιο γραφενίου και τα μεταλλικά νανοσυρμάτινα μπορούν να διαμορφωθούν πάνω σε υποστρώματα αισθητήρων για να αυξήσουν την επιφάνεια και την αντιδραστικότητα. Στους αισθητήρες χωρητικότητας, ένα νανοκατασκευασμένο διηλεκτρικό στρώμα ενισχύει την αλλαγή της χωρητικότητας όταν ακόμα και λίγα μικρολίτρα νερού συλλέγουν. Αυτό επιτρέπει την ανίχνευση των συμβάντων ψιλόβροχο ως φως 0,1 mm ανά ώρα ⁇ δέκα φορές πιο ευαίσθητο από τους συμβατικούς κουβάδες ακροπτερύγισης. Οι ερευνητικές ομάδες στο Η αποστολή μέτρησης της παγκόσμιας βροχόπτωσης της NASA[[LFT:1] ερευνούν νανο-υφλεκτικά ηλεκτρόδια για διαστημικά όργανα.
Ψηφιακές και οπτικοηλεκτρονικές τεχνολογίες μέτρησης
Ενώ τα υλικά βελτιώνουν τη διεπαφή συλλογής, οι αισθητήρες και η επεξεργασία δεδομένων έχουν μετασχηματίσει τον τρόπο ποσοτικοποίησης της κατακρήμνισης.
Ικανοί και ανθεκτικοί αισθητήρες
Οι αισθητήρες του αέρα-νερού μετρούν τη διηλεκτρική σταθερά του μείγματος. Καθώς το νερό γεμίζει ένα ακριβές κενό μεταξύ ηλεκτροδίων, η χωρητικότητα αλλάζει γραμμικά με τον όγκο του νερού, επιτρέποντας μετρήσεις υψηλής ανάλυσης. Οι αισθητήρες του αέρα λειτουργούν μετρώντας την απαιτούμενη ισχύ για να εξατμιστεί η καθίζηση από μια θερμαινόμενη επιφάνεια. Και οι δύο τεχνολογίες είναι ανοσία στις επιδράσεις του ανέμου που μαστίζουν τα μετρητές χωνιών. Το Vaisala PTU311 είναι ένα παράδειγμα ενός αισθητήρα που χρησιμοποιείται σε αυτοματοποιημένα καιρικά δίκτυα.
Οπτικά αποδρόμετρα και αισθητήρες λέιζερ
Οπτικοί αισθητήρες, όπως το OTT Parsivel2] και το Thies Clima Laser Precipitation Monitor, προβάλλουν ένα λεπτό φύλλο λέιζερ σε μια περιοχή δειγματοληψίας. Όταν ένας υδρομετέωρ περνά, η ένταση του φωτός πέφτει, και η διάρκεια του σήματος δίνει την ταχύτητα των σωματιδίων. Από την ταχύτητα και το πλάτος, η διάμετρος πτώσης προέρχεται. Αυτές οι συσκευές μπορούν να ταξινομήσουν τη βροχή, το χιόνι, το graupel και να χαλαζώσουν με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Παρέχουν την πλήρη κατανομή του μεγέθους πτώσης που απαιτείται για να εκτιμηθεί η ανακλαστικότητα και η διαβρωτικότητα του ραντάρ. Το WMO συνιστά αποξηρανόμετρα ως εργαλεία επικύρωσης εδάφους για δορυφορικά προϊόντα.
Απομακρυσμένη ευαισθητοποίηση και ενσωμάτωση IoT
Τα ραντάρ καιρού εδάφους (π.χ., διπλής πολοποίησης NEXRAD) υπολογίζουν τα ποσοστά βροχοπτώσεων σε μεγάλες περιοχές χρησιμοποιώντας ανακλαστικότητα, αλλά απαιτούν βαθμονόμηση από in-situ μετρητές. Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT) γεφυρώνει αυτό το χάσμα συνδέοντας χιλιάδες αισθητήρες χαμηλού κόστους μέσω κυτταρικών ή δορυφορικών συνδέσεων, τροφοδοτώντας δεδομένα σε μοντέλα μάθησης μηχανών που παρεμβάλλονται μεταξύ των pixels ραντάρ. Έξυπνα μετρητές βροχής με ενσωματωμένα μόντεμ LTE αναφέρουν τώρα κάθε λεπτό, επιτρέποντας προειδοποιήσεις flash-flood που ήταν αδύνατο με καθημερινές χειροκίνητες ενδείξεις. Πλατφόρμες όπως Το Γραφείο Προβλεψιμότητας Νερού της NOAA τα δεδομένα για την ενίσχυση της πρόγνωσης πλημμυρών.
Οφέλη: Ακρίβεια, Επικαιρότητα και Μακροζωία
Η σύγκλιση προηγμένων υλικών και ψηφιακής αισθητήριας προσφέρει απτά πλεονεκτήματα σε όλο τον κύκλο ζωής των μετρήσεων.
Σφάλμα μέτρησης
Οι οπτικοί αισθητήρες παρακάμπτουν τα υποβρύχια αλιεύματα εξ ολοκλήρου με το να μην απαιτούν στόμιο συλλογής. Μαζί, αυτές οι καινοτομίες μπορούν να μειώσουν την συνολική αβεβαιότητα μέτρησης από 15% (τυποποιημένο μετρητή) σε κάτω από 5% σε καλά συντηρημένα συστήματα.
Δεδομένα πραγματικού χρόνου και υψηλής ανάλυσης
Οι αισθητήρες IoT μεταδίδουν δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας στις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας να προσαρμόζουν τις εκλύσεις των ταμιευτήρων ή τη διαχείριση των νερών καταιγίδας άμεσα.
Ανθεκτικότητα και χαμηλότερη συντήρηση
Τα πολυμερή σώματα αντιστέκονται στη διάβρωση και την υποβάθμιση των υπεριωδών ακτίνων καλύτερα από το βαμμένο μέταλλο. Οι νανοδομήσιμες επιφάνειες αυτοκαθαριώνονται σε κάποιο βαθμό επειδή τα σταγονίδια νερού μεταφέρουν τη σκόνη. \" μειωμένη συχνότητα των επισκέψεων βαθμονόμησης είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα δίκτυα στις αναπτυσσόμενες χώρες ή πολικές περιοχές.
Επιταχυνσιμότητα για Δίκτυα Πυκνής Πυκνότητας
Οι οπτικοί αισθητήρες χαμηλού κόστους και οι χωριστές πλάκες μπορούν να αναπτυχθούν σε πυκνότητες 1 ανά 5 km[[LFT:0]]2[[LFT:1]] σε αστικά περιβάλλοντα, δημιουργώντας χάρτες υπερτοπικών βροχοπτώσεων.
Αναδυόμενα σύνορα: AI, έξυπνα υλικά και Crowd-Sourcing
Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης τώρα διορθώνουν τα υποβρύχια αλιεύματα μετρητή με βάση τις ενδείξεις ταχύτητας του ανέμου. “Έξυπνα” υλικά που αλλάζουν χρώμα ή ηλεκτρική αντίσταση όταν υγρό είναι πρωτότυπα για αισθητήρες βροχής τύπου διασποράς. Τα δίκτυα επιστήμης πολιτών όπως η Κοινότητα Συνεργατική βροχή, Hail & Snow Network (CoCoRaHS) ενσωματώνουν χειροκίνητες παρατηρήσεις με αυτοματοποιημένα μετρητές IoT, αναμειγνύοντας τον έλεγχο ποιότητας με την κλίμακα.
Κβαντικοί αισθητήρες και υπερακριβής υδρομετρία
Οι κβαντικοί αισθητήρες κλίμακας εργαστηρίου που χρησιμοποιούν κέντρα εκκένωσης αζώτου σε διαμάντια μπορούν να ανιχνεύσουν μετατοπίσεις μαγνητικού πεδίου από μικροσκοπικούς όγκους νερού. Ενώ χρόνια από την ανάπτυξη πεδίου, υπόσχονται μετρήσεις ακριβείς στο επίπεδο μικρομέτρων ⁇ χρήσιμες για μελέτες συλλογής ομίχλης και μέτρηση δροσιάς.
Αυτοθεραπευτικά και προσαρμοστικά υλικά
Εμπνευσμένοι από βιολογικούς οργανισμούς, οι ερευνητές αναπτύσσουν πολυμερή που θεραπεύουν γρατσουνιές ή μικρο-πυροτεχνήματα που θα μπορούσαν να παγιδεύσουν νερό.
Συμπέρασμα
Καινοτομίες σε υδροφοβικές επικαλύψεις, νανοδομημένους αισθητήρες, οπτικά αποδυναμόμετρα και συνδεσιμότητα IoT είναι θεμελιωδώς αναδιαμόρφωση συλλογή και μέτρηση καθιζήσεων. Αυτά τα εργαλεία παρέχουν την ακρίβεια, την επικαιρότητα και την ανθεκτικότητα που απαιτούνται για τη διαχείριση των υδάτινων πόρων σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα. Καθώς η επιστήμη υλικών και η ψηφιακή τεχνολογία επιταχύνονται, το χάσμα μεταξύ των όσων μπορούμε να μετρήσουμε και όσα πρέπει να γνωρίζουμε συνεχίζει να συρρικνώνεται. Για τους μετεωρολόγους, τους υδρολόγους και τους επιστήμονες του κλίματος, το μέλλον της μέτρησης καθίζησης δεν είναι απλά περισσότερα δεδομένα ⁇ είναι καλύτερα δεδομένα, που συλλέγονται με τρόπους που ήταν αφάνταστοι πριν από μια γενιά.