СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ И КОЛИЧЕСТВА ДОЖДЕВЫХ ОСАДКОВ

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной плотности потока бета-излучения.

Известен способ определения интенсивности и количества дождевых осадков [RU 2097798 С1, МПК 6 G01W 1/14, опубл. 27.11.1997], заключающийся в радиолокационном зондировании атмосферы для идентификации типа облачности по известным критериям, и в определении искомых параметров осадков с помощью корреляционных функций и данных радиолокационной отражаемости облаков. На исследуемой территории выделяют, по меньшей мере, одну контрольную зону с повышенной вероятностью выпадения осадков и размещают на ней осадкомерную станцию. С помощью данной станции для различных типов облачностей, перемещающихся над ней, производят измерения осадков, при этом одновременно осуществляют радиолокационное зондирование облачности над станцией и находят соответствующие полученным осадкам уровни радиолокационной отражаемости. Полученные данные используют для калибровки радиолокационной станции, и, после которой осуществляют радиолокационные измерения осадков на контролируемой территории. Интенсивность и количество дождевых осадков определяют соответственно из выражений:

где Z - отражаемость, дБ;

I - интенсивность выпадения осадков, мм/ч (м/с);

Q - количество выпавших осадков, мм (м);

А, В, b, с - коэффициенты, зависящие от типа облачности и типа осадков (слабый, сильный, ливневый и пр.).

В этом способе для каждого случая осадков необходимо определять свои коэффициенты, которые зависят от спектра капель, вида и микроструктуры осадков, а также орографических особенностей. Способ сложен, требует длительных наблюдений на контрольной территории, а также имеет большую погрешность измерения.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков [RU 2003142 С1, МПК 5 G01W 1/14, опубл. 15.11.1993], включающий n-циклов измерений, каждый из которых состоит в накоплении осадков за время τ_i (i=1, 2, 3, …, n), определение приращения m_i их массы и значения интенсивности R_i, мм/ч (м/с). Между циклами измерений выдерживают паузы, продолжительность каждой из которых не менее чем время успокоения измерителя массы. Значение приращения m_i накопленной массы осадков измеряют во время соответствующей паузы. Значение поправки на переход от режима накопления в режим паузы и обратно находят из выражения:

где S_o - максимальное значение площади измеряемого потока осадков, м²;

t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие минимальному S(t₁)=0 и максимальному

S(t₂)=S_o значениям площади входного отверстия в приемнике при переходе от режима накопления в режим паузы и обратно, с;

S(t) - текущее значение площади входного отверстия в приемнике осадков в момент времени t, где t₁≤t≤t₂, время накопления и

где δ - относительная ошибка определения интенсивности осадков, % (отн. ед.);

Δm - погрешность измерения приращения массы осадков, г (кг);

ρ - плотность воды, г/см³ (кг/м³).

Этим способом невозможно достоверно определить время начала дождя, а время накопления осадков в первом цикле задается на основании визуальной оценки метеорологической обстановки. Если дождь выпадает в не рабочее время, то проведение визуальной оценки невозможно. При установлении малого времени накопления в случае выпадения высокоинтенсивных осадков излишние осадки могут выливаться из измерительной камеры. И, наоборот, при установлении большого времени накопления в первом цикле при низкоинтенсивных осадках достоверно определить время начала дождя невозможно. Все указанные случаи приводят к снижению достоверности результата измерения.

Известен способ определения интенсивности дождевых осадков в приземном слое атмосферы [RU 2656118 С1, МПК 51 G01W 1/14, опубл. 31.05.2018], выбранный в качестве прототипа, основанный на том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте не менее 1 м от земной поверхности с тактом не менее 1 измерения за 60 с, затем определяют время нарастания t_end мощности дозы гамма-излучения до ее максимального значения а интенсивность дождевых осадков в приземном слое атмосферы определяют из выражения:

где I - интенсивность дождевых осадков, м/с;

- измеренное значение мощности дозы гамма-излучения в момент времени t_end, Зв/с;

t_end - время нарастания мощности дозы гамма-излучения до ее максимального значения с;

- измеренное фоновое значение мощности дозы гамма-излучения до начала дождевых осадков, Зв/с;

k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя;

и - мощности дозы гамма-излучения, создаваемые короткоживущими продуктами распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi, (Зв/с)/(Бк/м³);

и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi в приземной атмосфере, Бк/м³.

Количество дождевых осадков определяют умножением интенсивности на время их выпадения.

Этот способ имеет ограничение по высоте измерения мощности дозы гамма-излучения - не менее 1 м от земной поверхности.

Предложенный способ определения интенсивности и количества дождевых осадков по измеренной плотности потока бета-излучения в приземном слое атмосферы расширяет арсенал средств аналогичного назначения.

Согласно изобретению, способ определения интенсивности и количества дождевых осадков заключается в том, что в период выпадения дождевых осадков производят непрерывные измерения плотности потока бета-излучения на высоте z от земной поверхности, затем определяют время нарастания t_end плотности потока бета-излучения до ее максимального значения , а интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы определяют из выражений:

где: I - интенсивность дождевых осадков, м/с;

Q - количество дождевых осадков, м;

- измеренное на высоте z от земной поверхности значение плотности потока бета-излучения в момент времени t_end, 1/(м²⋅с);

t_end - время нарастания плотности потока бета-излучения до ее максимального значения с;

- измеренное на высоте z от земной поверхности фоновое значение плотности потока бета-излучения до начала дождевых осадков, 1/(м²⋅с);

k - коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя, 1/м;

и - плотности потоков бета-излучения на высоте z, создаваемые осажденными на земную поверхность короткоживущими продуктами распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi, рассчитанные на единичную объемную активность радионуклидов, (1/(м²⋅с))/(Бк/м³);

и - средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi в приземной атмосфере, Бк/м³.

Реакция плотности потока бета-излучения на осадки, проявляющаяся в виде аномальных всплесков (фиг. 1), теоретически и экспериментально изучена [Yakovleva V.S., Nagorsky P.M., Cherepnev M.S., Kondratyeva A.G., Ryabkina K.S., 2016. Effect of precipitation on the background levels of the atmospheric β- and γ-radiation. Applied Radiation and Isotopes. 118, 190-195]. Объяснением роста плотности потока бета-излучения в периоды выпадения осадков является вымывание бета-, гамма-излучающих короткоживущих продуктов распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi дождевыми осадками на земную поверхность [Burnett, J.L., Croudace, I.W., Warwick, Р.Е., 2010. Short-lived variations in the background gamma-radiation dose. J. Radiol. Prot. 30, 525-532. Mercier, J.-F., Tracy, B.L., R., Chagnon, F., Hoffman, I., Korpach, E.P., Johnson, S., Ungar, R.K., 2009. Increased environmental gamma-ray dose rate during precipitation: a strong correlation with contributing air mass. J. Environ. Radioact. 100, 527-533. EURADOS Report, 1999. Radiation Protection 106, URL: 〈http://ec.europa.eu/energy/nuclear/radiation_protection/doc/publication/rp106.pdf〉]. Другие природные радионуклиды, например, бета-, гамма-излучающие продукты распада торона, практически не влияют на величину мощности дозы гамма-излучения, поскольку их активность намного меньше активности ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi.

Время нарастания плотности потока бета-излучения t_end продолжается от начала и до окончания выпадения осадков. После окончания выпадения осадков плотность потока бета-излучения экспоненциально снижается до фонового значения за счет радиоактивного распада ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi.

Таким образом, предложенный способ определения интенсивности и количества дождевых осадков является: 1) простым и надежным, поскольку достаточно лишь измерять только плотность потока бета-излучения, т.е. использовать только один измерительный блок; 2) достоверным, поскольку способ основан на хорошо апробированных моделях переноса ионизирующих излучений, радионуклидов и физических законах, и поскольку погрешность определения интенсивности осадков снижается за счет того, что известно время начала дождя, которое соответствует началу роста плотности потока бета-излучения.

Способ определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы по измеренной плотности потока бета-излучения пригоден как для разовых измерений, так и для длительного автоматизированного мониторинга интенсивности и количества дождевых осадков, если используются блоки детектирования бета-излучения, работающие в режиме мониторинга.

На фиг. 1 представлены а) - динамика измеренной плотности потока бета-излучения на высотах 1 м (кривая 1), 10 м (кривая 2) и 35 м (кривая 3) с использованием блока детектирования бета-излучения БДПБ-01, б) - динамика интенсивности осадков по данным института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученным с использованием челночного осадкомера.

Для определения интенсивности и количества дождевых осадков выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска.

С использованием блока детектирования бета-излучения БДПБ-01 (Атомтех, Беларусь) на высотах 1 м (кривая 1), 10 м (кривая 2) и 35 м (кривая 3) от земной поверхности производили непрерывные измерения плотности потока бета-излучения в течение 32 часов (а на фиг. 1). В этот период был случай выпадения дождевых осадков. По данным института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученным с использованием челночного осадкомера, интенсивность дождевых осадков в этот временной период составила 52,1 мм/ч (8,68⋅10^-4 м/с).

Измеренное на высоте 1 м от земной поверхности фоновое значение плотности потока бета-излучения до начала дождевых осадков составило

( максимальное значение плотности потока бета-излучения составило (Время нарастания t_end плотности потока бета-излучения от фонового до максимального значения составило 21 мин. (1260 с).

С помощью метода Монте-Карло были определены значения плотности потоков бета-излучения и на высоте z=1 м, создаваемые осажденными на земную поверхность короткоживущими продуктами распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi единичной объемной активности, с использованием программы PCLab [Компьютерная лаборатория (КЛ/PCLab). Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ №2007615275 от 28.12.2007]. Геометрия и входные данные для моделирования описаны в [Яковлева B.C., Каратаев В.Д., Зукау В.В. Моделирование атмосферных полей γ- и β-излучений, формирующихся почвенными радионуклидами // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. - 2011. - №1 (2). - С. 64-73]. Рассчитанные значения плотности потоков бета-излучения ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi на высоте 1 м составили, соответственно:

Средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона и в приземной атмосфере были определены с использованием известной модели переноса радона и короткоживущих продуктов его распада в приземной атмосфере, включающей систему стационарных уравнений, в которых учтены процессы молекулярной диффузии, турбулентного переноса и радиоактивного распада [Яковлева B.C., Вуколов А.В., Нагорский П.М., Гвай И.А., Нейман Д.А. Исследование сдвига радиоактивного равновесия между изотопами радона и продуктами их распада // АНРИ. 2011. №3 (66). С. 43-51]. Для расчетов использовали измеренное с помощью радиометра «Альфарад плюс - РП» (Россия) по прилагаемой к радиометру методике значение плотности потока радона на участке, где производятся измерения плотности потока бета-излучения, равное 10,6 мБк/(м²с). Рассчитанные в программном пакете «Wolfram Mathematica 10.0» средние значения объемных активностей короткоживущих продуктов распада радона ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi в приземной атмосфере составили:

Коэффициент абсолютной вымывающей способности дождя k равен 36,0, 1/м (10^-5 ч/(мм⋅с)) [Бютнер Э.К., Гисина Ф.А. Эффективный коэффициент захвата частиц аэрозоля дождевыми и облачными каплями. Труды ЛГМИ, вып. 15. - С. 103-117].

Определили интенсивность и количество дождевых осадков в приземном слое атмосферы из выражений (1) и (2), которые составили, соответственно:

Полученное значение интенсивности дождевых осадков хорошо согласуется с данными института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН г. Томска, полученными с использованием челночного осадкомера (б на фиг. 1), что свидетельствует о достоверности предлагаемого способа определения интенсивности и количества дождевых осадков в приземном слое атмосферы.