Возможности лазерного дисдрометра для определения кинетической энергии дождевых осадков

В. В. Кальчихин; А. А. Кобзев; А. А. Тихомиров

Авторы

В. В. Кальчихин Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
А. А. Кобзев Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
А. А. Тихомиров Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук

Ключевые слова:

лазерный дисдрометр, дождевые осадки, кинетическая энергия, микроструктурные характеристики осадков, измерения

Аннотация

Рассмотрены методики измерения кинетической энергии (КЭ) интенсивных дождевых осадков, которые наносят ущерб сельскому хозяйству, провоцируют возникновение оползней, а также вызывают эрозию поверхности различных технических средств. Представлена методика определения КЭ на основе измерения микроструктурных характеристик осадков (размеров, количества частиц и скоростей их падения), получаемых с помощью лазерного дисдрометра. Возможности использования методики подтверждены результатами измерения характеристик сильного ливня, прошедшего в Томске летом 2023 г. Проанализировано влияние микроструктурных характеристик капель дождя на величину КЭ, приносимой на подстилающую поверхность. Проведено сравнение результатов определения КЭ с величинами, получаемыми по упрощенным методикам.

Библиографические ссылки

Kalchikhin V. V., Kobzev A. A., Korolkov V. A., Tikhomirov A. A. Instrumentation for measurement of the parameters of atmospheric recipitation. Current state // Russian Physics Journal. 2009. V. 52. No 12. p. 92 (dep. In VINITI. 16.12.09, № 802-В2009). (in Russian)].

Voskanyan K .L., Kuznetsov A. D., Serouhova O. S. Automatic weather stations. Part 1: Performance characteristics. Tutorial. — St. Petersburg, RSHU Publishers, 2016. 170 p. (in Russian).

Schönhuber M., Lammer G., Randeu W. L. Ch. 1. The 2D-Video-Disdrometer // Precipitation: Advances in Measurement, Estimation and Prediction / Ed. by Silas Michaelides. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. p. 3–32.

Azbukin A. A., Kalchikhin V. V., Kobzev A. A., Korolkov V. A., Tikhomirov A. A. Determination of Calibration Parameters of an Optoelectronic Precipitation Gage // Atmospheric and Oceanic Optics. 2014. V. 27. No 5. P. 432–437. DOI: 10.1134/S1024856014050066.

Kalchikhin V. V., Kobzev A. A., Korolkov V. A., Tikhomirov A. A., Filatov D. E. Laser Meter for Integral and Microstructural Characteristics of Atmospheric Precipitation OPTIOS // Lasers. Measurements. Information. 2021. V. 1. No 1. p. 23-32. (in Russian).

Angulo-Martinez M., Begueria S., Latorre B., Fernandez-Raga M. Comparison of precipitation measurements by OTT Parsivel2 and Thies LPM optical disdrometers // Hydrol. Earth Syst. Sc. 2018. V. 22, iss. 5. p. 2811–2837. DOI: 10.5194/hess-22-2811-2018.

Ferro V., Carollo F. G., Serio M. A. Establishing a threshold for rainfall-induced landslides by a kinetic energy–duration relationship // Hydrol. Process. 2020. V. 34, iss. 16. p. 3571–3581. DOI: 10.1002/hyp.13821.

Angel J. R., Palecki M. A. Hollinger S. E. Storm Precipitation in the United States. Part II: Soil Erosion Characteristics // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44, No 6. p. 947–959. DOI: 10.1175/JAM2242.1.

Angulo-Martinez M., Barros A. Measurement uncertainty in rainfall kinetic energy and intensity relationships for soil erosion studies: An evaluation using PARSIVEL disdrometers in the Southern Appalachian Mountains // Geomorphology. 2015. V. 228. p. 28–40. DOI: 10.1016/j.geomorph.2014.07.036.

Jose J., Gires A., Tchiguirinskaia I., Roustan Y., Schertzer D. Scale invariant relationship between rainfall kinetic energy and intensity in Paris region: An evaluation using universal multifractal framework // J. Hydrol. 2022. V. 609. No 6. 127715. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2022.127715.

Keegan M. H., Nash D. H., Stack M. M. On erosion issues associated with the leading edge of wind turbine blades. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46, No 38. P. 383001. DOI: 10.1088/0022-3727/46/38/383001.

Herring R., Dyer K., Martin F., Ward C. The increasing importance of leading edge erosion and a review of existing protection solutions // Renew. Sustain. Energy Rev. 2019. V. 115, No 11. p. 109382. DOI: 10.1016/j.rser.2019.10938212.

Fornis R. L., Vermeulen H. R., Nieuwenhuis J. D. Kinetic energy–rainfall intensity relationship for Central Cebu, Philippines for soil erosion studies // J. Hydrol. 2005. V. 300, iss. 1–4. p. 20–32. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.04.027.

Mikos M., Jost D., Petkovsek G. Rainfall and runoff erosivity in the alpine climate of north Slovenia: a comparison of different estimation methods // Hydrolog. Sci. J. 2006. V. 51, iss. 1. p. 115–126. DOI: 10.1623/hysj.51.1.115.

Lobo G. P., Bonilla C. A. Sensitivity analysis of kinetic energy-intensity relationships and maximum rainfall intensities on rainfall erosivity using a long-term precipitation dataset // J. Hydrol. 2015. V. 527, No 8. p. 788–793. DOI: 0.1016/j.jhydrol.2015.05.045.

Sanchez-Moreno J. F., Mannaerts C. M., Jetten V., Loffler-Mang M. Rainfall kinetic energy–intensity and rainfall momentum–intensity relationships for Cape Verde // J. Hydrol. 2012. V. 454–455. P. 131–140. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2012.06.007.

Salles Ch., Poesen J., Torres D. S. Kinetic energy of rain and its functional relationship with intensity // J. Hydrol. 2002. V. 257, iss. 1–4. p. 256–270. DOI: 10.1016/S0022-1694(01)00555-8.

Wischmeier W. H., Smith D. D. Predicting Rainfall Erosion Losses: A Guide to Conservation Planning. US Department of Agriculture Handbook, No 537, Washington DC, 1978. 60 p.

van Dijk A., Bruijnzeel L. A., Rosewell C. J. Rainfall intensity-kinetic energy relationships: A critical literature appraisal // J. Hydrology. 2002. V. 261, iss. 1–4. p. 1–23. DOI: 10.1016/S0022-1694(02)00020-3.

Torres D. S., Salles C., Creutin J. D., Delrieu G. Quantification of soil detachment by raindrop impact: performance of classical formulae of kinetic energy in Mediterranean storms: Proceedings of the Oslo Symposium // Erosion and Sediment Transport Monitoring Programmes in River Basins. Oslo, August, 1992. IAHS Publ. no. 210, 1992. p. 115–124.

Angulo-Martinez M., Begueria S., Kysely J. Use of disdrometer data to evaluate the relation-ship of rainfall kinetic energy and intensity (KE-I) // Sci. Total Environ. 2016. V. 568. p. 83–94. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.05.223.

Kal’chikhin V. V., Kobzev A. A., Korol’kov V. A., Tikhomirov A. A. Determination of the Rate of Fall of Rain Drops in Measurements of Their Parameters by an Optical Rain Gauge // Meas. Tech. 2017. V. 59, No 11. p. 1175–1180. DOI 10.1007/s11018-017-1111-9.

Johannsen L. L., Zambon N., Strauss P., Dostal T., Neumann M., Zumr D., Cochrane T. A., Bloschl G., Klik A. Comparison of three types of laser optical disdrometers under natural rainfall conditions // Hydrolog. Sci. J. 2020. V. 65, No 4. p. 524–535. DOI: 10.1080/02626667.2019.1709641.

Kalchikhin V. V., Kobzev A. A., Tikhomirov A. A., Filatov D. E. Rainfall Measurements during Summer 2020 with the Optical Precipitation Gage // Atmos. Ocean. Opt. 2021. V. 34, No 3. p. 278–281. DOI: 10.1134/S1024856021030052.

Nyssen J., Vandenreyken H., Poesen J., Moeyersons J., Deckers J., Haile M., Salles C., Govers G. Rainfall erosivity and variability in the Northern Ethiopian Highlands // J. Hydrol. 2005. V. 311, iss. 1–4. p. 172–187. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.12.016.

Kalchikhin V. V., Kobzev A. A., Tikhomirov A. A. Determination of the energy characteristics of rainfall using the optical precipitation gauge // Opt. Atm. Okeana. 2024. V. 37. No 3. P. 262–269. DOI: 10.15372/AOO20240310.