Ciências hidrológicas
Precipitação
Precipitação resulta da condensação da água da atmosfera à medida que o ar é arrefecido até ao ponto de orvalho, a temperatura a que o ar fica saturado em relação ao vapor de água. O processo de arrefecimento é geralmente iniciado pela elevação do ar, que pode resultar de várias causas, incluindo convecção, efeitos orográficos sobre cadeias montanhosas, ou efeitos frontais nos limites de massas de ar de características diferentes. A condensação dentro da atmosfera requer a presença de núcleos de condensação para iniciar a formação de gotículas. Alguns dos condensados podem ser transportados a distâncias consideráveis como nuvens antes de serem libertados como chuva ou neve, dependendo das temperaturas locais. Alguma precipitação sob a forma de orvalho ou nevoeiro resulta da condensação na superfície da terra ou perto dela. Em algumas áreas, tais como o noroeste costeiro dos Estados Unidos, orvalho e o nevoeiro podem contribuir significativamente para o equilíbrio da água. A formação de granizo requer uma sequência de episódios de condensação e congelamento, resultantes de sucessivos períodos de elevação. As pedras de granizo mostram geralmente um padrão de anéis concêntricos de gelo como resultado.
Medições directas da precipitação são feitas por uma variedade de manómetros, todos eles constituídos por alguma forma de funil que direcciona a água em infusão para algum recipiente de armazenamento. Os medidores de armazenamento armazenam simplesmente a precipitação incidente, e a água acumulada é normalmente medida numa base diária, semanal, ou mensal. Os medidores de registo permitem determinar as taxas de precipitação.
Os volumes de precipitação são normalmente convertidos em unidades de volume de profundidade por unidade de área. As medições obtidas de diferentes tipos de pluviómetros não são directamente comparáveis devido à exposição variável, ao vento e aos efeitos de salpicos. O tipo de medidor mais preciso é o medidor de nível do solo, no qual o orifício do medidor é colocado ao nível da superfície do solo e rodeado por uma grelha anti-salpicos. As capturas do pluviómetro diminuem à medida que o orifício é levantado acima do solo, particularmente em áreas sujeitas a ventos fortes. Em áreas de queda de neve significativa, contudo, pode ser necessário elevar o pluviómetro para que o seu orifício fique livre da superfície da neve. Vários escudos para o orifício do manómetro foram experimentados num esforço para compensar os efeitos do vento. Os efeitos do vento são maiores para a neve do que para a chuva e para pequenas gotas ou chuva leve do que para grandes gotas.
Uma impressão da distribuição espacial da intensidade da precipitação pode ser conseguida através de medições indirectas da precipitação, em particular a dispersão do radar. A relação entre a intensidade da precipitação e os sinais de radar medidos depende de vários factores, incluindo o tipo de precipitação e a distribuição do tamanho das gotas. As medições de radar são frequentemente utilizadas em conjunto com os pluviómetros para permitir a calibração on-line na conversão do sinal de radar em quantidades de precipitação. As medições de radar são, contudo, efectuadas a uma escala espacial muito maior. A resolução de 5 a 10 quilómetros quadrados é comum para sistemas operacionais. Mesmo assim, isto proporciona uma imagem muito melhor dos padrões espaciais de precipitação em grandes áreas de captação do que tem sido possível anteriormente. A utilização da detecção remota por satélite para determinar os volumes de precipitação está ainda nas suas fases iniciais, mas a técnica parece ser provavelmente útil para estimar quantidades de precipitação em áreas remotas.
A medição das entradas de neve para o balanço hídrico da bacia hidrográfica é também um problema difícil. A técnica mais básica envolve o curso de neve, uma série de estacas para medir a profundidade da neve. As quedas de neve podem, contudo, variar muito em densidade, dependendo principalmente do histórico de temperatura da formação de neve. A neve acumulada altera a sua densidade ao longo do tempo antes de derreter. A densidade da neve pode ser medida pesando uma amostra de volume conhecido, recolhida num cilindro metálico padrão. Outras técnicas para medir a queda de neve incluem a utilização de almofadas de neve, que registam a alteração do peso da neve deitada por cima delas, ou a utilização de pluviómetros equipados com elementos de aquecimento, que derretem a neve à medida que esta cai. Estas técnicas estão sujeitas a efeitos de vento, tanto durante um evento de tempestade como entre eventos devido à redistribuição da neve pelo vento.
As estatísticas sumárias sobre precipitação são normalmente produzidas com base em quantidades diárias, mensais e anuais que caem num determinado local ou sobre uma área de captação. A frequência com que uma precipitação de um determinado volume ocorre dentro de um determinado período é também importante para a análise hidrológica. A avaliação desta frequência, ou o intervalo de recorrência da precipitação da amostra de dados disponíveis, é um problema estatístico que geralmente envolve a hipótese de uma distribuição de probabilidade particular para representar as características das precipitações. Tais análises devem assumir que esta distribuição não está a mudar ao longo do tempo, embora tenha sido demonstrado que em algumas áreas do mundo as alterações climáticas podem fazer com que as estatísticas pluviométricas variem. Há muito que se especula que as chuvas podem exibir padrões cíclicos durante longos períodos de tempo, tendo sido despendido um esforço considerável na procura de tais ciclos. Em algumas áreas, o ciclo sazonal anual é de suma importância, mas as demonstrações de periodicidade mais longa não provaram a sua aplicabilidade geral.
Os padrões de intensidade e duração da precipitação são de grande importância para o hidrologista na previsão de descargas de captação e disponibilidade de água e no tratamento de cheias, secas, drenagem do solo e erosão do solo. As precipitações variam tanto no interior como entre tempestades, por vezes dramaticamente, dependendo do tipo e escala da tempestade e da sua velocidade de movimento. Dentro de uma tempestade, a intensidade média tende a diminuir com um aumento da área da tempestade.
A uma escala maior, as variações sazonais da precipitação variam com o clima. As áreas temperadas húmidas tendem a ter precipitações que se distribuem de forma bastante uniforme ao longo do ano; as áreas mediterrânicas têm um pico de Inverno com baixas precipitações de Verão; as áreas de savana têm um duplo pico de precipitação; e as áreas equatoriais têm novamente uma distribuição relativamente uniforme da precipitação ao longo do ano. As precipitações médias anuais também variam consideravelmente. A média mínima registada a longo prazo é de 0,76 milímetros em Arica, Chile; a máxima de 11.897,36 milímetros em Tutunendo, Colômbia. A intensidade máxima de precipitação registada é de 38 milímetros num minuto (Barot, Guadalupe, 1970); 1.870 milímetros num único dia (Cilaos, Reunião, 1952); e 26.461 milímetros num ano (Cherrapunji, Índia, 1861).