Том 37, номер 03, статья № 10

Аннотация:

Представлен краткий обзор задач, для решения которых требуется информация об энергетических характеристиках атмосферных осадков, выпадающих в виде дождя, а также методов ее получения. Предложена методика определения кинетической энергии, переносимой гидрометеорами, на основе микроструктурных характеристик осадков, получаемых с помощью оптического осадкомера ОПТИОС. Методика апробирована на примере сильного ливня, прошедшего в Томске 22.07.2023 г. Проанализировано влияние различных микроструктурных параметров на кинетическую энергию, приносимую каплями дождя на подстилающую поверхность. Проведено сравнение с величинами, получаемыми по упрощенным методикам. Возможности оптического осадкомера позволяют успешно применять его при решении задач, требующих точной оценки энергетических параметров дождей.

Ключевые слова:

осадки, интенсивность осадков, кинетическая энергия осадков, измеритель осадков, дисдрометр, эрозия почвы

Список литературы:

1. 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, N 6. 127715. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2022.127715.
2. 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, N 38. P. 383001. DOI: 10.1088/0022-3727/46/38/383001.
3. 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, N 11. P. 109382. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109382.
4. Chang J.-M., Chena H., Jou B.J.-D., Tsou N.-Ch., Lin G.-W. Characteristics of rainfall intensity, duration, and kinetic energy for landslide triggering in Taiwan // Eng. Geol. 2017. V. 231. P. 81–87. DOI: 10.1016/j.enggeo.2017.10.006.
5. 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, N 16. P. 3571–3581. DOI: 10.1002/hyp.13821.
6. Щепащенко Г.Л. Ливневая эрозия почв и методы борьбы с ней. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 1991. 178 с.
7. Щеглов Д.И., Горбунова Н.С. Эрозия и охрана почв: учеб.-метод. пособие для вузов. Воронеж: Изд.-полиграф. центр Воронеж. гос. ун-та, 2011. 34 с.
8. 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.
9. Yin S., Nearing M.A., Borrelli P., Xue X. Rainfall erosivity: An overview of methodologies and applications // Vadose Zone J. 2017. V. 16, N 12. P. 1–16. DOI: 10.2136/vzj2017.06.0131.
10. 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, N 6. P. 947–959. DOI: 10.1175/JAM2242.1.
11. Luo L., Wang L., Huo T., Chen M., Ma J., Li S., Wu J. Raindrop size distribution and rain characteristics of the 2017 Great Hunan Flood observed with a Parsivel² disdrometer // Atmosphere. 2021. V. 12, N 12. P. 1556. DOI: 10.3390/atmos12121556.
12. 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 // Proc. of the Oslo Symposium ”Erosion and Sediment Transport Monitoring Programmes in River Basins”, Oslo, August, 1992. IAHS Publ. 1992. N 210. P. 115–124.
13. Lim Y.S., Kim J.K., Kim J.W., Park B.I., Kim M.S. Analysis of the relationship between the kinetic energy and intensity of rainfall in Daejeon, Korea // Quatern. Int. 2015. V. 384. P. 107–117. DOI: 10.1016/j.quaint. 2015.03.021.
14. Kinnell P.I.A. Raindrop-impact-induced erosion processes and prediction: A review // Hydrol. Process. 2005. V. 19, N 14. P. 2815–2844. DOI: 10.1002/hyp.5788.
15. 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, N 4. P. 524–535. DOI: 10.1080/02626667.2019.1709641.
16. Catari G., Latron J., Gallart F. Assessing the sources of uncertainty associated with the calculation of rainfall kinetic energy and erosivity – application to the Upper Llobregat Basin, NE Spain // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2011. V. 15, N 3. P. 679–688. DOI: 10.5194/ hess-15-679-2011.
17. Meshesha D.T., Tsunekawa A., Tsubo M., Haregeweyn N., Adgo E. Drop size distribution and kinetic energy load of rainfall events in the highlands of the Central Rift Valley, Ethiopia // Hydrol. Sci. J. 2014. V. 59, N 12. P. 2203–2215. DOI: 10.1080/02626667.2013.865030.
18. 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, N 1–4. P. 172–187. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.12.016.
19. Jayawardena A.W., Rezaur R.B. Drop size distribution and kinetic energy load of rainstorms in Hong Kong // Hydrol. Process. 2000. V. 14, N 6. P. 1069–1082.
20. Assouline S. Drop size distributions and kinetic energy rates in variable intensity rainfall // Water Resour. Res. 2009. V. 45, N 11. P. W11501. DOI: 10.1029/2009WR007927.
21. Ramon R., Minella J.P.G., Merten G.H., Barros C.A.P., Canale T. Kinetic energy estimation by rainfall intensity and its usefulness in predicting hydrosedimentological variables in a small rural catchment in southern Brazil // Catena. 2017. V. 148, part 2. P. 176–184. DOI: 10.1016/j.catena.2016.07.015.
22. 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, N 1–4. P. 20–32. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.04.027.
23. 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, N 1. P. 115–126. DOI: 10.1623/hysj.51.1.115.
24. 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, N 8. P. 788–793. DOI: 0.1016/j.jhydrol.2015.05.045.
25. 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.
26. Salles Ch., Poesen J., Torres D.S. Kinetic energy of rain and its functional relationship with intensity // J. Hydrol. 2002 V. 257, N 1–4. P. 256–270. DOI: 10.1016/S0022-1694(01)00555-8.
27. Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting Rainfall Erosion Losses: A Guide to Conservation Planning. Handbook 537. US Department of Agriculture, Washington DC, 1978. 60 p.
28. Van Dijk A., Bruijnzeel L.A., Rosewell C.J. Rainfall intensity-kinetic energy relationships: A critical literature appraisal // J. Hydrol. 2002. V. 261, N 1–4. P. 1–23. DOI: 10.1016/S0022-1694(02)00020-3.
29. Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: учеб. пособие. Барнаул: Алтай, 2000. 395 с.
30. Carollo F.G., Serio M.A., Ferro V., Cerda A. Characterizing rainfall erosivity by kinetic power – Median volume diameter relationship // Catena. 2018. V. 165. P. 12–21. DOI: 10.1016/j.catena.2018.01.024.
31. 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, N 5. P. 2811–2837. DOI: 10.5194/hess-22-2811-2018.
32. Kruger A., Krajewski W.F. Two-dimensional video disdrometer: A description // J. Atmos. Ocean. Tech. 2002. V. 19, N 5. P. 602–617. DOI: 10.1175/1520-0426(2002)019<0602:TDVDAD >2.0.CO;2.
33. 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.
34. 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, N 11. P. 1175–1180. DOI: 10.1007/s11018-017-1111-9.
35. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Тихомиров А.А., Филатов Д.Е. Измерение количества осадков с помощью оптического осадкомера в течение летнего периода 2020 г. // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 2. С. 152–155; Kal’chikhin 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, N 3. P. 278–281. DOI: 10.1134/ S1024856021030052.