Nauki hydrologiczne

Opad

Opad wynika z kondensacji wody z atmosfery, gdy powietrze jest schładzane do punktu rosy, czyli temperatury, w której powietrze staje się nasycone parą wodną. Proces chłodzenia jest zwykle inicjowany przez unoszenie się powietrza, które może wynikać z wielu przyczyn, w tym konwekcji, efektów orograficznych nad łańcuchami górskimi lub efektów frontowych na granicach mas powietrza o różnych charakterystykach. Kondensacja w atmosferze wymaga obecności jąder kondensacji, aby zainicjować tworzenie się kropel. Część kondensatu może być przenoszona na znaczne odległości w postaci chmur, zanim zostanie uwolniona w postaci deszczu lub śniegu, w zależności od lokalnych temperatur. Niektóre opady w postaci rosy lub mgły powstają w wyniku kondensacji na powierzchni ziemi lub w jej pobliżu. Na niektórych obszarach, takich jak wybrzeże północno-zachodniej części Stanów Zjednoczonych, krople rosy i mgły mogą w znacznym stopniu przyczynić się do bilansu wodnego. Tworzenie się gradu wymaga sekwencji epizodów kondensacji i zamarzania, wynikających z następujących po sobie okresów wypiętrzania. Kamienie gradowe zwykle pokazują wzór koncentrycznych pierścieni lodu jako rezultat.

Bezpośrednie pomiary opadów są wykonywane przez różne przyrządy pomiarowe, z których wszystkie składają się z jakiejś formy lejka, który kieruje napływającą wodę do jakiegoś pojemnika. Mierniki magazynowe po prostu przechowują opad, a nagromadzona woda jest zwykle mierzona codziennie, co tydzień lub co miesiąc. Rejestratory pozwalają na określenie wielkości opadów.

Objętość opadów jest zwykle przeliczana na jednostki głębokość-objętość na jednostkę powierzchni. Pomiary uzyskane z różnych typów deszczomierzy nie są bezpośrednio porównywalne ze względu na różną ekspozycję, wiatr i efekty rozpryskiwania. Najdokładniejszym typem deszczomierza jest deszczomierz na poziomie gruntu, w którym kryza deszczomierza jest umieszczona na poziomie powierzchni gruntu i otoczona siatką przeciwrozbryzgową. Połowy deszczomierza zmniejszają się w miarę podnoszenia kryzy nad ziemię, szczególnie na obszarach narażonych na silne wiatry. Na obszarach o znacznych opadach śniegu może być jednak konieczne podniesienie deszczomierza tak, aby jego kryza była wolna od powierzchni śniegu. Wypróbowano różne osłony kryzy przyrządu pomiarowego w celu zniwelowania wpływu wiatru. Efekty wiatru są większe dla śniegu niż dla deszczu i dla małych kropel lub lekkiego opadu niż dla dużych kropel.

Wrażenie przestrzennego rozkładu intensywności opadu można uzyskać poprzez pośrednie pomiary opadu, w szczególności rozpraszanie radarowe. Zależność pomiędzy natężeniem opadu a zmierzonymi sygnałami radarowymi zależy od różnych czynników, w tym od rodzaju opadu i rozkładu wielkości kropel. Pomiary radarowe są często stosowane w połączeniu z deszczomierzami, aby umożliwić kalibrację on-line przy przeliczaniu sygnału radarowego na wielkość opadu. Pomiary radarowe prowadzone są jednak w znacznie większej skali przestrzennej. Rozdzielczość od 5 do 10 kilometrów kwadratowych jest powszechna dla systemów operacyjnych. Mimo to, daje to znacznie lepszy obraz wzorców przestrzennych opadów na dużych obszarach zlewni, niż było to dotychczas możliwe. Wykorzystanie teledetekcji satelitarnej do określania wielkości opadów jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju, ale wydaje się, że technika ta może okazać się przydatna do szacowania wielkości opadów na odległych obszarach.

Pomiar ilości śniegu wprowadzanego do bilansu wodnego zlewni jest również trudnym problemem. Najbardziej podstawowa technika obejmuje tyczenie śniegu, czyli serię palików służących do pomiaru głębokości śniegu. Opady śniegu mogą jednak znacznie różnić się gęstością, co zależy przede wszystkim od temperatury, w jakiej śnieg się tworzył. Nagromadzony śnieg zmienia swoją gęstość w czasie, zanim się roztopi. Gęstość śniegu można zmierzyć poprzez zważenie próbki o znanej objętości pobranej w standardowym metalowym cylindrze. Inne techniki pomiaru opadów śniegu obejmują stosowanie poduszek śnieżnych, które rejestrują zmieniającą się masę śniegu leżącego nad nimi, lub stosowanie deszczomierzy wyposażonych w elementy grzewcze, które topią śnieg w miarę jego opadania. Techniki te podlegają wpływowi wiatru, zarówno podczas burzy jak i pomiędzy burzami, ze względu na redystrybucję śniegu przez wiatr.

Podsumowujące statystyki opadów są zazwyczaj tworzone na podstawie dziennych, miesięcznych i rocznych sum opadów w danej lokalizacji lub na obszarze zlewni. Częstotliwość występowania opadów o określonej objętości w określonym czasie jest również istotna dla analizy hydrologicznej. Ocena tej częstotliwości lub okresów powtarzania się opadu na podstawie próbki dostępnych danych jest problemem statystycznym, który zazwyczaj wymaga przyjęcia określonego rozkładu prawdopodobieństwa w celu przedstawienia charakterystyki opadów deszczu. Analizy takie muszą zakładać, że rozkład ten nie zmienia się w czasie, nawet jeśli wykazano, że w niektórych obszarach świata zmiany klimatyczne mogą powodować zmiany w statystykach opadów. Od dawna spekuluje się, że opady deszczu mogą wykazywać cykliczne wzorce w długich okresach czasu, a w poszukiwanie takich cykli włożono wiele wysiłku. W niektórych obszarach roczny cykl sezonowy ma pierwszorzędne znaczenie, ale demonstracje dłuższych okresów nie okazały się mieć ogólnego zastosowania.

Wzorce natężenia i czasu trwania opadów mają ogromne znaczenie dla hydrologa w przewidywaniu zrzutów ze zlewni i dostępności wody oraz w radzeniu sobie z powodziami, suszami, odwadnianiem gruntów i erozją gleby. Opady deszczu różnią się zarówno w obrębie burzy, jak i pomiędzy burzami, czasami drastycznie, w zależności od rodzaju i skali burzy oraz jej prędkości przemieszczania się. W obrębie jednej burzy, średnia intensywność ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem obszaru burzy.

W szerszej skali, sezonowe zmiany w opadach deszczu zależą od klimatu. Obszary o umiarkowanej wilgotności charakteryzują się dość równomiernym rozkładem opadów w ciągu roku; obszary śródziemnomorskie charakteryzują się szczytem zimowym i niskimi opadami letnimi; obszary sawannowe charakteryzują się podwójnym szczytem opadów; a obszary równikowe znów charakteryzują się stosunkowo równomiernym rozkładem opadów w ciągu roku. Średnie roczne opady deszczu również znacznie się różnią. Minimalna odnotowana średnia długoterminowa wynosi 0,76 milimetra w Arica w Chile, a maksymalna 11 897,36 milimetra w Tutunendo w Kolumbii. Maksymalne zarejestrowane intensywności opadów to 38 milimetrów w ciągu jednej minuty (Barot, Gwadelupa, 1970); 1,870 milimetrów w ciągu jednego dnia (Cilaos, Reunion, 1952); i 26,461 milimetrów w ciągu jednego roku (Cherrapunji, Indie, 1861).

.