Проблемы измерения осадков в плотных лесных и джунглях для инженерных целей

Точные измерения осадков являются основополагающим требованием для почти каждого гражданского и экологического инженерного проекта. От проектирования городских дренажных систем до управления гидроэнергетическими резервуарами и обеспечения долгосрочной стабильности транспортных коридоров, данные осадков приводят к решениям, которые имеют миллиарды долларов в капитале на кону и, что более важно, влияют на общественную безопасность и здоровье экосистем. В плотных лесных и джунглях, водоразделе реки Конго, тропических лесах Юго-Восточной Азии и прибрежных умеренных тропических лесах Тихоокеанского Северо-Запада - получение надежных измерений осадков представляет собой отличительный набор физических, логистических и методологических препятствий, которые могут перехватывать до 50 процентов годовых осадков, экстремальная влажность, которая ускоряет коррозию оборудования и потери испарения, прочная топография, которая создает микромасштабные градиенты осадков и условия удаленного доступа, которые делают рутинное обслуживание калибровки почти невозможным. Для организаций, вводящих в эксплуатацию инфраструктуру в таких регионах - будь то национальные власти шоссе, горнодобывающие компании, разработчики гидроэнергетики или городские планировщики в тропическ

Уникальные проблемы в плотной лесной и джунглях

Физическая структура густого леса или джунглей взаимодействует с осадками таким образом, что коренным образом изменяет количество, время и пространственное распределение воды, достигающей измерительных приборов. Инженеры, которые рассматривают эти среды как простые расширения режимов осадков в открытом грунте, будут создавать конструкции, которые либо опасно недостаточно консервативны, либо излишне дороги. В следующих подразделах подробно описаны основные источники погрешности и изменчивости измерений.

Перехват и перераспределение полога

Наиболее непосредственной и хорошо документированной проблемой в измерении лесных осадков является перехват навеса. Когда дождь сталкивается с лесным навесом, часть воды прилипает к листьям, папоротникам и эпифитному росту, такому как мхи, папоротники и бромелии. Эта перехваченная вода не достигает земли сразу; вместо этого она накапливается до тех пор, пока не будет превышена емкость хранения навеса, после чего избыток воды капает в виде водопада, течет вниз по стеблям и стволам в виде потока или испаряется во время и после шторма. Исследования, обобщенные в Руководстве Всемирной метеорологической организации по инструментам и методам наблюдения, сообщают, что перехват навеса может удалить от 10 до 50 процентов валовых осадков в тропических лесах, в зависимости от плотности навеса, индекса площади листьев, интенсивности шторма и скорости ветра. Стандартный дождевой калибр, помещенный в лесную поляну или ниже плотного навеса, будет регистрировать либо искусственно высокие значения, если они расположены под капельной точкой, либо искусственно низкие значения,

Испарительные потери и микроклиматические эффекты

Даже когда осадки достигают земли или калибровочного отверстия, последующие потери испарения могут привести к значительному смещению. Среда джунглей поддерживает почти насыщенные дефициты парового давления в течение большей части года в сочетании с высокими температурами окружающей среды и низкой скоростью ветра на лесном дне. В этих условиях вода, собранная в стандартном цилиндрическом дождевом колее, может испытывать измеримое испарение между интервалами наблюдения, особенно когда датчики читаются вручную только один раз в день. Исследования в лесах Амазонии и Юго-Восточной Азии задокументировали потери после события испарения от 2 до 8 процентов зарегистрированного объема осадков в неэкранированных колеях, с наибольшими пропорциональными потерями, происходящими во время легких осадков ниже 5 миллиметров в день. Эта систематическая недооценка накапливается в течение месяцев и лет, что ухудшает долгосрочные общие количества осадков, используемые для расчетов водного баланса в конструкции резервуара и оценке риска засухи. Кроме того, микроклимат под плотным навесом заметно отличается от макроклимата над ним. Градиенты температуры,

Орографическая и вегетативная пространственная изменчивость

Плотные леса часто расположены в горной или пересеченной местности - переход Анд-Амазон, Центральное нагорье Вьетнама, нагорья Эфиопской откоса, где орографический подъем создает крутые градиенты осадков. Один датчик на нижней долинной метеорологической станции может захватить менее половины годового количества осадков, выпадающих на окружающие вершины хребта в 2 километрах. В сочетании с описанной выше изменчивостью, обусловленной перехватом, проблема пространственной репрезентативности становится острой. Сама по себе растительность может влиять на местные модели осадков посредством рециркуляции испарения, что создает петли обратной связи между лесным покровом и количеством осадков. Миссия НАСА по глобальному измерению осадков (GPM) в значительной степени способствовала пониманию этих градиентов в региональных масштабах, но 5-километровое до 10-километровое разрешение спутниковых продуктов часто слишком грубо для конкретного инженерного проектирования, особенно для небольших водосборных бассейнов ниже 50 квадратных километров. Инженеры, работающие в этих средах, должны бороться с реальностью

Доступность и надежность оборудования

Логистические трудности установки и поддержания оборудования для измерения осадков в густых джунглях не могут быть переоценены. Многие тропические лесные водосборные бассейны не имеют доступа к дорогам, требующие оборудования и персонала для прибытия на лодке, вертолете или пешком на расстояния, которые могут потребовать нескольких дней путешествия. Это ограничение накладывает серьезные ограничения на количество датчиков, которые могут быть развернуты, частоту сбора данных и уровень текущего обслуживания. Стандартные датчики дождя из ковша-ковша склонны к засорению от листового мусора, гнезд насекомых, грибкового роста и мусора, которые быстро накапливаются во влажных условиях. Ручные датчики требуют посещения мест, которые могут быть невозможны во время сезона муссонов, когда дороги непроходимы. Электронные датчики сталкиваются с ускоренной коррозией от высокой влажности, конденсации и кислой воды, генерируемой разлагающимися органическими веществами. Солнечные панели - часто используемые для питания удаленных автоматических метеорологических станций - могут быть затенены быстрорастущей растительностью, которая должна быть очищена на ежемесячной или даже еженедельной основе.

Методы и технологии измерения для преодоления проблем

Признавая ограниченность обычных дождевых измерителей в лесистой местности, гидрологическое и метеорологическое сообщество разработало комплекс дополнительных подходов, которые при их совместном использовании могут дать значительно более надежные оценки осадков. В следующих разделах излагаются основные методы, их сильные и слабые стороны и их применимость к инженерным проектам в условиях джунглей.

Наземные подходы: стратегии проектирования и размещения калибров

Простейшая и наиболее широко применяемая адаптация заключается в изменении расположения датчиков для уменьшения помех навеса и потерь испарения. Щитные датчики , которые включают в себя ветровой экран вокруг отверстия, который особенно важен в лесных полях, где образуются ветровые вихри на краю навеса. Подземные или пит-датчики , где калибровочное отверстие установлено с приливом с поверхностью земли в яме, окруженной противоосколочной сеткой, практически устраняют потери испарения и вызванный ветром прилов, но они требуют раскопок и более уязвимы для наводнений, накопления листового мусора и возмущения животных. Чистопадные трансекты , которые собирают воду вдоль 10--20-метровой линии, обеспечивают пространственно интегрированный образец, который записывает общий объем лесозаготовок, уменьшая необходимость в частом посещении участка

Удалённое зондирование со спутников и метеорологических радаров

Продукты спутникового осадка, такие как продукты из NASA-JAXA Global Precipitation Measurement (GPM) миссии Integrated Multi-satellitE Retrievals (GPM)] Integrated Multi-satellitE Retrievals (GPM) Integrated Multi-satellitE Retrievals (GPM) Integrated Multi-satellitE Retrievals (GPM)], предлагают окологлобальное покрытие с пространственным разрешением 0,1 градуса и получасовой временной частотой, что делает их привлекательным вариантом для данных-спарений в джунглях. Эти продукты объединяют пассивные микроволновые измерения из созвездия низкоземных спутников с геостационарными инфракрасными данными для получения оценок осадков, которые фиксируют широкие пространственные модели осадков, в том числе орографическое усиление и суточные циклы, распространенные в тропических лесных средах. Однако инженеры должны быть осведомлены о систематических смещениях в спутниковых продуктах по сравнению с густыми лесами: пассивный микроволнов

Автоматические метеорологические станции и сенсорные сети с поддержкой IoT

Достижения в области электроники малой мощности, спутниковой телеметрии и сотовой связи IoT позволили развернуть автоматические метеостанции в отдаленных местах джунглей с интервалами поиска данных от 15 минут до 6 часов. Современные станции могут включать в себя датчики осадков с подогревом, которые смягчают засорение от мусора, или датчики осадков типа взвешивания, которые измеряют все формы осадков без движущихся частей, тем самым снижая частоту обслуживания. Campbell Scientific OTT Pluvio2 и аналогичные датчики взвешивания широко используются в исследованиях лесного хозяйства, поскольку они обеспечивают непрерывную запись массы, которая позволяет обнаруживать потери испарения и может быть исправлена алгоритмически. Узлы датчиков с поддержкой IoT, которые взаимодействуют через или LoRaWAN радиосвязи , могут передавать статус датчика — напряжение батареи, чистоту отверстия, внутреннюю температуру — позволяя инженерам диагно

Гидрологическое моделирование и ассимиляция данных

Все более распространенным подходом к работе с ограничениями данных среды джунглей является рассмотрение осадков как неизвестной переменной, которая должна быть выведена из измерений речных осадков и гидрологического моделирования, метода, известного как обратной гидрологии или калибровки модели осадков-выпадения, которая может быть точно измерена — с помощью надлежащих кривых оценки уровня осадков, разработанных из измерений текущего метра в течение как низкого, так и высокого периода потока — инженеры могут калибровать гидрологическую модель для воспроизведения наблюдаемого ответа на стоки. Модель затем обеспечивает оценку эффективной данных осадков-среднего уровня, которая согласуется с наблюдаемым потоком. Этот подход не исключает необходимости в некоторых данных осадков для ограничения модели. Этот подход может значительно уменьшить требуемую плотность датчиков осадков. Методы ассимиляции данных , такие как Фильтр для сборки частиц , может объединять данные о ску Калиброванная модель является современным состоянием и обеспечивает наиболее надежную основу для дизайнерских решений.

Последствия для инженерных проектов

Неточности и неопределенности, присущие измерению осадков в условиях джунглей, непосредственно распространяются на инженерные проектные решения и оперативное планирование. Инженеры должны не только количественно оценить эти неопределенности, но и включить их в рамки проектирования, основанные на рисках, которые могут потребовать более значительных пределов безопасности или более консервативных параметров проектирования, чем это было бы необходимо в хорошо оборудованных умеренных регионах.

Инфраструктурный дизайн для экстремального дождя

Для гидротехнических сооружений — мостов, водосборных сооружений, водосбросов ливневых вод, водосбросов и хранилищ задержания — проектное штормовое событие с заданным периодом возврата (например, 100-летние 24-часовые осадки) является фундаментальным входом. В лесных водосборных бассейнах, где данные измерений короткие (часто менее 20 лет) и содержат значительные ошибки измерения, неопределенность в расчетных 100-летних осадках может легко превышать 40 процентов. Это означает, что неопределенность в расчете на 100-летние осадки может быть недооценена, в то время как один проект, использующий оценку на 99-й процентиль, может быть переоценен по фактору двух. Инженерный ответ должен быть основан на оценке риска , который явно количественно оценивает стоимость осадков по сравнению со стоимостью сверхпроектирования, а затем выбирает значение проектных осадков с приемлемой вероятностью превышения, учитывая неопределенность данных. Современные методы, такие как Байесовский анализ частоты хорошо подходят для этой задачи, поскольку

Управление водными ресурсами и гидроэнергетика

Для определения размеров водохранилищ, оценки гидроэнергетической мощности и планирования водоснабжения критическим фактором осадков является долгосрочная средняя годовая величина осадков и ее межгодовая изменчивость. Систематическая недооценка осадков из-за перехвата навесов и потери испарения, которая может достигать 15-25% в тропических лесах, если не будет исправлена, приведет к тому, что прогнозируемая урожайность воды из водосборных бассейнов будет соответственно низкой. Это может привести к чрезмерной величине водохранилищ, которые никогда не заполняются до мощности, истощению капитала или недооценке с риском нехватки в течение засухи. Международная комиссия по крупным водосборным бассейнам (ICOLD) рекомендует, чтобы для проектов в лесных тропических водосборных бассейнах инженеры применяли корректирующий фактор для оценки оценок осадков на основе региональных исследований перехвата и, по возможности, использовали парные эксперименты по осадкам для количественной оценки чистых осадков до эффективности стока. В контексте изменения климата проблема становится еще более острой, поскольку изменчивость и интенсивность осадков в тропических лесах могут смеща

Контроль эрозии и стабильность наклона

Интенсивность и продолжительность осадков являются основными факторами эрозии почвы и нестабильности склонов в лесной местности. Пересмотренное универсальное уравнение потерь почвы (RUSLE) и его варианты требуют коэффициента эрозии осадков, который является функцией кинетической энергии воздействия дождевой капли и максимальной 30-минутной интенсивности штормов. В густых лесах, полог ослабляет энергию дождевой капли в некоторой степени, но выпадение из листьев и наконечников ветвей может генерировать падения с диаметрами больше, чем в открытых осадках, производя локализованное воздействие высокой энергии, которое трудно захватить стандартными расчетами эрозии. Кроме того, пространственная изменчивость риска эрозии напрямую связана с пространственной изменчивостью дождевой эрозии, которая, как обсуждалось, высока. Для инженерных проектов, которые включают в себя расчистку лесов, строительство дорог или добычу полезных ископаемых в условиях джунглей, конструкция контроля эрозии должна включать эти факторы. Режим осадков, который кажется умеренным на расстоянии

Экологические и экологические соображения

Проекты в области инженерии в лесных и джунглях должны соответствовать правилам оценки воздействия на окружающую среду, которые требуют количественной оценки изменений в водном балансе и водной среде обитания. Ошибки измерения осадков распространяются на оценки изменений режима потока вниз по течению, изменения частоты наводнений и подпитки подземных вод. Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP) и экологические стандарты Всемирного банка требуют, чтобы кумулятивное гидрологическое воздействие многочисленных инженерных мероприятий в лесном водосборе оценивалось с использованием моделей, которые калибруются для измеренных данных. Если запись осадков является предвзятой, модель будет производить предвзятые прогнозы потока в периоды наводнений и засухи, модель будет приводить к неверным оценкам риска для исчезающих видов, прибрежной растительности и сообществ ниже по течению. Во многих тропических лесных средах нет установленной сети измерения, и инженеры должны установить ее с нуля. Руководство Агентства

Тематические исследования в крупных тропических лесных бассейнах

Реальные последствия проблем измерения осадков иллюстрируются тематическими исследованиями из трех крупнейших тропических лесных регионов, где инженерные проекты столкнулись с серьезными ограничениями данных.

Бассейн Амазонки

В Амазонии бразильское правительство Agência Nacional de Águas (ANA) управляет сетью из примерно 2000 датчиков дождя на площади 7 миллионов квадратных километров — плотность одного датчика на 3500 квадратных километров, что намного ниже минимального рекомендуемого для инженерной гидрологии. Например, гидроэлектрический проект на реке Тапайос опирался на комбинацию 12 датчиков в радиусе 100 километров от участка плотины, дополненную спутниковым продуктом Тропическая измерительная миссия осадков (TRMM) . Было обнаружено, что спутниковый продукт недооценивает годовое количество осадков в бассейне примерно на 12 процентов по сравнению с более поздней, более плотно инструментированной исследовательской кампанией, но спутник правильно зафиксировал сильный градиент осадков с запада на восток, который пропустили только датчики. Инженеры включили 15-процентный запас безопасности в размер резервуара на основе размера спутниковой калибровки, который оказался адекватным в течение первых пяти лет работы. Этот случай подчеркивает ценность

Центральная Африка и бассейн Конго

Бассейн Конго является одним из самых скудных по данным регионов на Земле для измерения осадков. Проект восстановления дорог и железных дорог в Демократической Республике Конго, финансируемый Африканским банком развития, требовал проектирования дренажных сооружений для 500-километрового коридора, пересекающего густые тропические леса и болотистую местность. Имеющиеся данные калибровки состояли всего из трех станций с рекордами короче 10 лет и частыми пробелами. Команда проекта использовала реанализ ERA5 для продления рекорда осадков до 40 лет и калибровала повторный анализ по имеющимся данным калибровки для исправления систематического сухого смещения, выявленного в реанализе по бассейну Конго. Даже с этой коррекцией неопределенность в 50-летнем проектном шторме оценивалась в 35 процентов. Инженеры решили спроектировать все основные кульверты и мосты на 100-летний период возврата, эффективно поглощая неопределенность в качестве дополнительного запаса безопасности. Мониторинг проекта после строительства подтвердил, что проекты хорошо работали во время первого крупного наводнения, демонстрируя, что

Юго-восточные азиатские джунгли

В Юго-Восточной Азии горные леса Лаоса, Мьянмы и Вьетнама представляют собой комбинацию сложной местности и муссонных осадков, которые производят некоторые из самых высоких интенсивностей осадков на Земле. Проект гидроэнергетики в центральном Лаосе с плотиной 200 метров на притоке Меконга столкнулся с проблемой измерения осадков на крутых лесных склонах, доступных только пешком в течение сухого сезона. Инженеры развернули шесть автоматических метеостанций со спутниковой телеметрией, каждая из которых оснащена датчиком взвешивания и датчиком нагретого ведром. Несмотря на это оборудование, техническое обслуживание могло быть выполнено только в течение трех месяцев года, когда было зарегистрировано самое тяжелое количество осадков. Команда использовала статический генератор осадков , чтобы заполнить недостающие данные датчиков, а затем выполнила моделирование Монте-Карло водосбросов для получения распределения вероятности для проектных наводнений. В результате проектная мощность водосброса была на 18 процентов больше, чем требовалось на основе только данных датчиков, но вероятностный анализ показал, что

Новые технологии и будущие направления

В следующем десятилетии ожидается значительное улучшение способности измерять осадки в лесных и джунглях. Для решения конкретных проблем, изложенных в этой статье, сближаются несколько технологических траекторий.

Беспилотные воздушные системы (UAS) или дроны, оснащенные легкими, направленными вниз микроволновыми радиометрами, могут летать под лесным пологом для измерения влажности почвы и выпадения осадков, или летать над пологом для захвата пространственного распределения влажности полога. Экспериментальные кампании в Коста-Рике и Малайзии продемонстрировали, что датчики, установленные на дронах, могут отображать изменчивость осадков при разрешении подметра, предоставляя данные, которые могут использоваться для разработки оптимальных сетей наземных датчиков. По мере улучшения выносливости дронов и миниатюризации датчиков обычные обследования осадков на основе дронов могут стать стандартной частью инженерных оценок участков в районах джунглей.

Машинное обучение и глубокое обучение применяются к проблеме коррекции систематических смещений в продуктах спутникового осадка. Нейронные сети, обученные на разреженных калибровочных сетях в тропических лесах, могут изучать сложные, нелинейные отношения между спутниковыми сияниями и поверхностными осадками, учитывающие перехват навеса, испарение и орографические эффекты. Продукт IMERG Final Run уже включает в себя алгоритм коррекции на основе калибровки, но пространственная плотность датчиков в тропических лесах настолько низка, что коррекция имеет ограниченный эффект. Исследовательские группы разрабатывают методы, которые используют данные потокового потока в качестве учебной цели для коррекции осадков машинного обучения, эффективно используя водосборный баланс в качестве инструмента проверки. Эти методы все еще экспериментальны, но они предлагают обещание полей осадков, которые согласуются как со спутниковым сигналом, так и с измеренным стоком.

Сети датчиков с низкой стоимостью, состоящие из недорогих датчиков с открытым исходным кодом и микроконтроллеров, подключенных через сети с малой мощностью на больших расстояниях (LoRaWAN), могут быть развернуты с гораздо более высокой плотностью, чем традиционные автоматические станции.В то время как точность отдельных недорогих датчиков ниже, чем у профессиональных датчиков, применяется закон больших чисел: плотная сеть из 50 датчиков по 200 долларов каждый может обеспечить более надежную оценку осадков в ареале, чем один профессиональный датчик за 10 000 долларов, особенно в средах с высокой пространственной изменчивостью. Несколько проектов в тропической Африке и Южной Америке продемонстрировали, что сети с солнечными датчиками, которые сообщают через сотовые или спутниковые связи, могут достичь скорости возврата данных выше 85 процентов даже в отдаленных районах, с дрейфом датчиков и засорением, обнаруженными и исправленными с помощью алгоритмов межсравнительных вычислений. Для инженерных фирм, работающих над бюджетом в регионах с ограниченным количеством данных, этот подход предлагает практический путь к достижению защитимых данных осадков.

Космические радиолокационные миссии за пределами нынешней группировки GPM находятся на стадии планирования. Миссия NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) , запланированная к запуску в 2024 году, обеспечит радиолокационные наблюдения L-диапазона и S-диапазона, которые могут измерять влажность почвы и структуру растительности в высоком пространственном разрешении. В то время как NISAR не будет напрямую измерять осадки, его продукты влажности почвы, в сочетании с гидрологической моделью, могут ограничивать ввод осадков, которые производят наблюдаемые образцы влажности почвы. Миссия ESA Copernicus Sentinel-1 также может использоваться для вывода пространственных моделей осадков от изменения обратного рассеяния радаров с течением времени, поскольку влажная почва и влажная растительность имеют четкие радиолокационные сигнатуры. Эти

Заключение

Измерение осадков в условиях густых лесов и джунглей в корне сложнее, чем в открытых или умеренных регионах, и последствия ошибки измерения усиливаются высокой интенсивностью осадков и чувствительными экосистемами, которые характеризуют эти биомы. Перехват навесов, потеря испарения, крайняя пространственная изменчивость и ограничения логистического доступа объединяются для получения наборов данных, которые систематически предвзяты, пространственно неполны и временно несовершенны. Перевод этих несовершенных данных в инженерные решения требует четкого понимания источников ошибок, использования нескольких дополнительных технологий измерения - включая тщательно расположенные датчики, спутниковые продукты, метеорологические радары и данные повторного анализа - и приверженности вероятностным структурам проектирования, которые явно учитывают неопределенность. Тематические исследования из Амазонки, Конго и Юго-Восточной Азии показывают, что при надлежащих инвестициях в датчики и анализ данных, защитимые инженерные конструкции могут быть достигнуты даже в самых сложных условиях с разницей в данных. Новые технологии в зондировании на основе дронов, коррекции машинного обучения, недорогих сенсорных сетях и космическом радиолокаторе предлагают многообещающее будущее, в