Tarkka sademäärän mittaus on kaiken perusta tulvaennusteista ja maataloussuunnittelusta vesivarojen hallintaan ja ilmastomalliin. Vuosikymmenten ajan tutkijat luottivat yksinkertaisiin mekaanisiin mittareihin ja manuaalisiin havaintoihin. Mutta kun tarvitaan parempaa resoluutiota, reaaliaikainen data on kasvanut, materiaalitieteet ja digitaaliteknologiat ovat lähentyneet toisiaan tuottaakseen uuden sukupolven keräys- ja mittauslaitteita. Nämä innovaatiot vähentävät haihtumishäviötä, parantavat valon herkkyyttä ja mahdollistavat jatkuvan seurannan laajalla, syrjäisillä alueilla.

Historiallinen konteksti: Can-and-stickistä nykyajan laattoihin

Normaali sademittari on pääosin suppilo ja valmistunut sylinteri. Kansallinen sääpalvelu on edelleen laajalti käytössä, mutta se kärsii tunnettuja rajoituksia: tuulen aiheuttama alisaalis, haihtuminen kuumina aikoina, ja kyvyttömyys erottaa sade, lumi, ja rakeet. Manuaalilukemat myös ottaa käyttöön inhimillisen virheen ja viive. Nämä puutteet motivoi etsimään parempia materiaaleja ja automatisoitu anturi.

Varhaisista yrityksistä saadut kokemukset

Painopohjaiset nauhurit (painomittarit) ja tippa-akkumekanismit paransivat automaatiota, mutta olivat edelleen mekaanisessa kulumisessa, jäätymisongelmissa ja rajoitetussa resoluutiossa. Todellinen harppaus tuli, kun tutkijat alkoivat soveltaa periaatteita pintakemiasta ja mikroelektroniikasta sadetuslaitteisiin.

Uudet materiaalit Muunnetaan kokoelma pinnat

Keräimen ja hydrometeorin fyysinen rajapinta on ensimmäinen mahdollinen virhepiste. Perinteiset metalli- tai muovipinnat mahdollistavat veden tarttumisen, haihtumisen tai roiskelemisen ulos. Edistyneet materiaalit käsittelevät näitä ongelmia nyt molekyylitasolla.

Hydrofobiset ja superhydrofobiset pinnoitteet

Superhydrofobiset pinnoitteet.Lootuksen innoittamat lootuksen lehdet . luo vedenpitävä kerros, jonka kosketuskulmat ovat yli 150 astetta, jolloin pisarat helmet ja rullaavat heti pois. Suppilon sisäpinnoissa ja näytepulloissa nämä pinnoitteet vähentävät merkittävästi veden tarttuvuutta ja haihtumista. NOAAn kansallisen vaikean myrskyn laboratorion kenttäkokeet [ ovat osoittaneet, että päällystetyt mittarit voivat parantaa tarkkuutta 2.15 prosentilla valosadetapahtumissa verrattuna päällystämättömiin pinnoihin.

Kehittyneet polymeerit ja komposiittit

Korkea-asteen tekniset polymeerit, kuten polyeetterieetteri (PEEK) ja fluoropolymeerit, tarjoavat UV-vastus, kemiallinen inertia ja alhainen lämmönjohtavuus. Nämä materiaalit estävät warming alle voimakas auringonvalo ja vähentää kondensaatiota, joka voi jäljitellä sadetta. Valmistajat tuottavat nyt täysin polymeeripohjaisia sademittarien, jotka painavat murto-osan niiden metalli edeltäjät, yksinkertaistamalla käyttöönottoa poijuverkostoissa tai syrjäisillä vuoriston valuma-alueilla. Jotkut mallit sisältävät hiilikuitukomposiitteja äärimmäistä kestävyyttä varten rae-alttiilla alueilla.

Nanostrukturoitu sensori pinnat

Nanomateriaaleja, kuten hiilinanoputkia, grafeenioksidia ja metallisia nanolankoja voidaan mallintaa sensorialustoille pinta-alan ja reaktiivisuuden lisäämiseksi. Kapasitiivisissa sensoreissa nanostrukturoitu dielektrinen kerros vahvistaa kapasitanssin muutosta, kun jopa muutama mikrolitra vettä keräävä laite. Näin voidaan havaita tihkujen valona 0,1 mm tunnissa. Kymmenen kertaa herkempi kuin tavanomaiset kastelukauhat. NASA-s:n globaalin saosoinnin mittaustehtävä[ tutkii nanotektuureja avaruuskäyttöön tarkoitettujen laitteiden elektrodien osalta.

Digitaaliset ja optoelektroniset mittaustekniikat

Materiaalit parantavat keräysrajapintaa, mutta anturit ja tietojen käsittely ovat muuttaneet sademäärän. Nykyaikaiset välineet voivat mitata pudotuskoon jakautumista, pudotusnopeutta ja vaihetta samanaikaisesti.

Kapasitiiviset ja kestävät anturit

Kapasitanssin vaihtelut ovat lineaarisia veden tilavuudella, mikä mahdollistaa korkean resoluution mittausten. Resistentit (kuumalevy) sensorit toimivat mittaamalla kuumennetusta pinnasta haihtuvan sateen voimaa. Molemmat teknologiat ovat immuuni ruttosuppimetrien tuulivaikutuksille. []Vaisala PTU311 on esimerkki automaattisissa sääverkoissa käytetystä kapasitiivisesta sensorista.

Optiset mittarit ja laseranturit

Optiset sensorit, kuten OTT Parsivel2[] ja Thies Clima Laser Sateenvarjon monitori, projisoivat ohuen laserlevyn läpi näytteenottoalueen läpi. Kun hydrometriori kulkee läpi, valon voimakkuus laskee ja signaalin kesto antaa hiukkasnopeuden.Nopeudesta ja amplitudista, pudotushalkaisija on johdettu. Nämä laitteet voivat luokitella sateen, lumen, grafelin ja rakeiden huomattavan tarkasti. Ne tarjoavat kokojakauman, jota tarvitaan tutkaheijastuksen ja erosivuuden arvioimiseksi. WMO[ suosittelee drometrejä maa-validointivälineiksi satelliittituotteille.

Kauko-tunnistus ja esineiden internetin integrointi

Maassa sijaitsevat säätutkat (esim. NEXRAD-dual-polarization) arvioivat sademäärät suurilla alueilla heijastuskyvyn avulla, mutta vaativat kalibrointia in situ -mittareista. IoT-internet kytkee tämän aukon yhdistämällä tuhansia halpoja sensoreita solu- tai satelliittilinkkien kautta, syöttämällä dataa koneoppimismalleihin, jotka interpoloivat tutkapikselien välillä. Älykkäitä sademittareita, joissa on sisäänrakennettu LTE-modeemi, raportoivat nyt joka minuutti, jolloin flash-flood-varoitusten käyttö oli mahdotonta päivittäisten manuaalilukemien avulla. Alustat, kuten [NOAA....

Edut: Tarkkuus, ajallisuus ja pitkäikäisyys

Edistyneiden materiaalien ja digitaalisen anturoinnin lähentyminen tuo konkreettisia etuja mittausten koko elinkaaren ajan.

Pienennetty mittausvirhe

Hydrofobiset pinnoitteet ja polymeerikeräimet vähentävät systemaattisia harhaluuloja kasteluhäviöstä ja haihtumisesta. Optiset anturit ohittavat alisaaliit kokonaan, koska ne eivät edellytä keräysaukkoa. Yhdessä nämä innovaatiot voivat pienentää mittausepävarmuustasoa 15%:sta (standardimittari) alle 5%:iin hyvin ylläpidetyissä järjestelmissä.

Reaaliaikainen ja nopea ratkaisu

IoT-yhteensopivat anturit lähettävät tietoa lähes reaaliaikaisesti, jolloin apuohjelmat voivat säätää säiliöiden päästöjä tai myrskyveden hallintaa välittömästi. Korkea aikaresoluutio (aliminuuttinen) kuvaa myös flash-tulvan ennustamiseen eniten vaikuttavien konvektiivisten myrskyjen voimakkuutta.

Kestävyys ja alempi huolto

Polymeerin rungot kestävät korroosiota ja UV-säteilyn hajoamista paremmin kuin metallimaalaus. Nanostrukturoidut pinnat puhdistavat itse jossain määrin, koska vesipisarat kuljettavat pölyä pois. Kalibrointikäyntien harventuminen on erityisen tärkeää kehitysmaiden tai napa-alueiden verkostoille.

Skaalattavuus Dense-verkoissa

Edullisia optisia antureita ja kapasitiivisia levyjä voidaan käyttää tiheydellä 1 per 5 km[]2[] kaupunkiympäristössä, luomalla hyperpaikallisia sadekarttoja. Tällaisilla verkoilla tuetaan viemärien ylivuotojen seurantaa, maatalouden kasteluaikataulua ja vakuutusriskien mallintamista.

Kehittyvä raja: tekoäly, älykkäät materiaalit ja joukkoommelu

Tutkimus jatkaa rajojen työntämistä. Koneoppimisalgoritmit korjaavat nyt tuulen nopeuslukemiin perustuvia mittarin alisaastoja. . ...Älykkäät materiaalit, jotka muuttavat väriä tai sähkövastustusta, kun märkää prototyypina käytetään hajautussadesensoreita. Kansalaistieteen verkostot kuten yhteisöyhteistyösade, Hail & Snow Network (CoCoRaHS) integroida manuaalinen havaintoja automatisoiduilla IoT-mittareilla, sekoittamalla laadunhallinta mittakaavassa.

Kvanttianturit ja ultratarkat hydrometria

Laboratorio-mittakaavan kvantti-anturit käyttämällä typen-vakavuus keskuksia timantti voi havaita magneettikentän siirtymät minuutista veden tilavuus. Vaikka vuosia kenttäkäyttöön, ne lupaavat mittaukset tarkka mikrometrin tasolle .Käyttävät sumun keruun tutkimuksissa ja kastemittaus.

Itsehoito- ja mukautumismateriaalit

Biologisten organismien inspiroimina tutkijat kehittävät polymeerejä, jotka parantavat naarmuja tai mikro-crack-aineita, jotka voivat ansata vettä. Vaihe-muutos materiaalit, jotka siirtyvät hydrofobiasta hydrofiiliseksi tietyissä lämpötiloissa, voivat vähentää kuorrutusta keräimissä.

Päätelmät

Hydrofobinen pinnoitteen, nanorakenteisen anturin, optisten disdrometrien ja IoT-yhteyden innovaatiot muokkaavat perusteellisesti sademäärän keräämistä ja mittaamista. Nämä työkalut tarjoavat tarkkuuden, oikea-aikaisuuden ja kestävyyden, jota tarvitaan vesivarojen hallintaan muuttuvassa ilmastossa. Materiaalitieteen ja digitaalisen teknologian kiihtyessä kuilu sen välillä, mitä voimme mitata ja mitä meidän täytyy tietää, kutistuu edelleen. Meteorologien, hydrologien ja ilmastotieteilijöiden osalta sademäärän mittausten tulevaisuus ei ole vain enemmän tietoa, vaan parempi tieto, joka on kerätty tavalla, jota ei ollut mahdollista kuvitellakaan sukupolvi sitten.