مقياس المطر

نشر عالم الأرصاد الجوية جورج جيمس سيمونز المجلد السنوي الأول عن هطول الأمطار في بريطانيا عام 1860. احتوى هذا العمل الرائد على سجلات هطول الأمطار من 168 محطة برية في إنجلترا وويلز. انتُخب سيمونز لعضوية مجلس الجمعية البريطانية للأرصاد الجوية عام 1863، وكرّس حياته لدراسة هطول الأمطار في الجزر البريطانية. أنشأ شبكة من المتطوعين لجمع البيانات التي كانت تُعاد إليه لتحليلها. وقد حقق نجاحًا باهرًا في هذا المسعى، فبحلول عام 1866، تمكن من عرض نتائج تُقدّم تمثيلًا دقيقًا لتوزيع هطول الأمطار، وتزايد عدد المسجلين تدريجيًا حتى احتوى المجلد الأخير من كتاب "هطول الأمطار في بريطانيا"، الذي حرره سيمونز عام 1899، على بيانات من 3528 محطة  - 2894 في إنجلترا وويلز ، و 446 في اسكتلندا ، و188 في أيرلندا . كما جمع سجلات قديمة لهطول الأمطار تعود لأكثر من مئة عام. وفي عام 1870، قدّم سيمونز سردًا لهطول الأمطار في الجزر البريطانية بدءًا من عام 1725.

نظراً لتزايد أعداد المراقبين باستمرار، أصبح توحيد المقاييس ضرورياً. بدأ سايمونز بتجربة مقاييس جديدة في حديقته الخاصة، حيث جرب نماذج مختلفة بأحجام وأشكال وارتفاعات متباينة. في عام ١٨٦٣، بدأ تعاوناً مع مايكل فوستر وارد ^{[ ١٤ ]} من كالني ، ويلتشير ، الذي أجرى دراسات أكثر شمولاً. وبمشاركة وارد وآخرين من مختلف أنحاء بريطانيا، استمرت الدراسات حتى عام ١٨٩٠. تميزت هذه التجارب بتخطيطها وتنفيذها واستخلاص نتائجها بدقة. أدت نتائج هذه التجارب إلى اعتماد المقياس القياسي المعروف، والذي لا يزال يستخدمه مكتب الأرصاد الجوية البريطاني حتى اليوم، وهو مصنوع من  النحاس، مزود بقمع قطره خمس بوصات وحافته النحاسية على ارتفاع قدم واحدة فوق سطح الأرض ^{[ ١٥}  ] ^.

تقيس معظم مقاييس المطر الحديثة عادةً كمية الهطول بالملليمترات في الارتفاع خلال فترة زمنية محددة، أي ما يعادل لترات لكل متر مربع. وكان يُسجل المطر سابقًا بالبوصات أو النقاط، حيث تساوي النقطة الواحدة 0.254  مليمتر أو 0.01 بوصة. ^{[ 16 ]}

تُقرأ كميات الأمطار من مقياس المطر إما يدويًا أو بواسطة محطة أرصاد جوية آلية . ويعتمد تواتر القراءات على متطلبات الجهة المسؤولة عن جمع البيانات. وتستعين بعض الدول بشبكة من المتطوعين إلى جانب مراقبي الأرصاد الجوية المدفوعي الأجر للحصول على بيانات هطول الأمطار (وأنواع أخرى من الأحوال الجوية) للمناطق قليلة السكان.

في معظم الحالات لا يتم الاحتفاظ بالهطول، ولكن بعض المحطات تقدم بيانات هطول الأمطار والثلوج للاختبار، ويتم ذلك للحصول على مستويات الملوثات.

تُعاني مقاييس المطر من بعض القيود. فمحاولة جمع بيانات المطر أثناء إعصار استوائي قد تكون شبه مستحيلة وغير موثوقة (حتى لو صمدت المعدات) بسبب شدة الرياح. كما أن مقاييس المطر لا تُشير إلا إلى كمية الأمطار في منطقة محدودة. وفي معظم المقاييس، تلتصق القطرات بجوانب أو قمع جهاز التجميع، مما يؤدي إلى التقليل الطفيف من تقدير الكميات، وقد تُسجل كميات ضئيلة جدًا، مثل 0.01  بوصة أو 0.25  ملم، على أنها " أثر ".

من المشاكل الأخرى التي قد تواجهنا هي عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر أو تقل عنه. فقد يتساقط المطر على قمع القياس، ويتراكم الجليد أو الثلج في المقياس، مما يعيق هطول الأمطار اللاحقة. وللتخفيف من هذه المشكلة، يمكن تزويد المقياس بسخان كهربائي أوتوماتيكي للحفاظ على درجة حرارة أسطح تجميع الرطوبة والمستشعر أعلى بقليل من درجة التجمد.

ينبغي وضع مقاييس المطر في منطقة مفتوحة خالية من المباني والأشجار وأي عوائق أخرى تحجب المطر. وذلك لمنع تجمع مياه الأمطار على أسطح المباني أو أوراق الأشجار من التساقط على المقياس بعد هطول المطر، مما قد يؤدي إلى قراءات غير دقيقة. تساعد مقاييس المطر الناس على فهم كمية الأمطار المتساقطة خلال فترة زمنية محددة.

يتكون مقياس المطر القياسي التابع لهيئة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية ، والذي طُوّر في مطلع القرن العشرين، من قمع قطره 200 ملم ( 8 بوصات) يصب في أسطوانة مدرجة معدنية قطرها 64.1 ملم (2.525 بوصة)، [ 17 ] ^{تُركّب داخل وعاء} أكبر قطره 200 ملم (8 بوصات) وارتفاعه 510 ملم (20 بوصة) . إذا فاضت مياه الأمطار من الأسطوانة المدرجة الداخلية، فإن الوعاء الخارجي الأكبر سيلتقطها. عند أخذ القياسات، يُقاس ارتفاع الماء في الأسطوانة المدرجة الصغيرة، ثم يُسكب الفائض من الوعاء الكبير بحرص في أسطوانة مدرجة أخرى ويُقاس للحصول على إجمالي كمية الأمطار. ^{[ 18 ]} يُستخدم أحيانًا مقياس مخروطي لمنع التسرب الذي قد يؤدي إلى تغيير البيانات. في المناطق التي تستخدم النظام المتري، عادةً ما تكون الأسطوانة مُدرّجة بالمليمترات، وتقيس حتى 250 ملم (9.8 بوصة) من الأمطار.          

يبلغ طول كل خط أفقي على الأسطوانة 0.5 مم (0.02 بوصة) . في التصاميم المُعدّة للمساحات التي تستخدم الوحدات الإمبراطورية، يُمثل كل خط أفقي 0.01 بوصة (0.25 مم) بوصة.    

مقياس شدة هطول الأمطار (أو مقياس جاردي للأمطار) هو أداة تقيس متوسط ​​شدة هطول الأمطار في فترة زمنية محددة. صُمم في البداية لتسجيل نظام هطول الأمطار في كاتالونيا، لكنه انتشر لاحقًا في جميع أنحاء العالم. ^{[ 19 ]}

يعتمد هذا النظام على مبدأ التغذية الراجعة  ... حيث يدفع الماء الداخل العوامة إلى الأعلى، مما يجعل "الإبرة المخروطية المعدلة" السفلية تسمح بمرور نفس كمية الماء التي تدخل إلى الحاوية، وبهذه الطريقة  ... تسجل الإبرة على الأسطوانة كمية الماء المتدفقة من خلالها في كل لحظة - بوحدة مليمتر من الأمطار لكل متر مربع.

يتكون الجهاز من أسطوانة دوارة تدور بسرعة ثابتة ، تسحب هذه الأسطوانة ورقة من الورق المقوى مدرجة، حيث يُمثل المحور الأفقي الوقت، بينما يُمثل المحور الرأسي ارتفاع هطول الأمطار بالمليمترات . يُسجل هذا الارتفاع بقلم يتحرك عموديًا، مدفوعًا بعوامة، ليُسجل على الورقة كمية الأمطار مع مرور الوقت. تُستخدم كل ورقة من الورق المقوى عادةً ليوم واحد.

مع هطول المطر، يتجمع الماء في القمع ويسقط في الحاوية، مما يرفع العوامة التي بدورها ترفع ذراع القلم عموديًا، تاركةً علامةً على الورق المقوى. إذا لم يتغير معدل هطول المطر، يبقى مستوى الماء في الحاوية ثابتًا، وأثناء دوران الأسطوانة، تكون علامة القلم خطًا أفقيًا تقريبًا، يتناسب مع كمية الماء المتساقطة. عندما يصل القلم إلى الحافة العلوية لورقة التسجيل، فهذا يعني أن العوامة قد ارتفعت في الخزان، تاركةً طرف الإبرة المخروطية بحيث يكشف عن فتحة التنظيم، أي أقصى تدفق يمكن للجهاز تسجيله. إذا انخفض المطر فجأة، مما يؤدي إلى انخفاض العوامة بسرعة في الحاوية (مع تفريغها)، فإن هذه الحركة تُشكل خطًا مائلًا حادًا يمكن أن يصل إلى أسفل الورق المقوى المسجل إذا توقف المطر.

سمح مقياس شدة الأمطار بتسجيل هطول الأمطار على مدى سنوات عديدة، وخاصة في برشلونة (95 عامًا)، بالإضافة إلى العديد من الأماكن الأخرى حول العالم، مثل هونغ كونغ. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

يتكون مقياس الهطول الوزني من وعاء تخزين يُوزن لتسجيل الكتلة. تقيس بعض النماذج الكتلة باستخدام قلم على أسطوانة دوارة، أو باستخدام سلك مهتز متصل بجهاز تسجيل بيانات . ^{[ 9 ]} من مزايا هذا النوع من المقاييس مقارنةً بمقاييس الدلاء القلابة أنه لا يُقلل من تقدير شدة الأمطار، ويمكنه قياس أشكال أخرى من الهطول، بما في ذلك المطر والبرد والثلج. مع ذلك، فإن هذه المقاييس أغلى ثمناً وتتطلب صيانة أكثر من مقاييس الدلاء القلابة.

قد يحتوي مقياس التسجيل الوزني أيضًا على جهاز لقياس كمية المواد الكيميائية الموجودة في الغلاف الجوي للموقع. وهذا مفيد للغاية للعلماء الذين يدرسون آثار غازات الاحتباس الحراري المنبعثة في الغلاف الجوي وتأثيرها على مستويات الأمطار الحمضية . تستخدم بعض وحدات نظام الرصد السطحي الآلي (ASOS) مقياس وزن آليًا يُسمى مقياس تراكم هطول الأمطار في جميع الأحوال الجوية (AWPAG).

يتكون مقياس المطر ذو الدلو القلاب من قمع يجمع مياه الأمطار ويوجهها إلى وعاء صغير يشبه الأرجوحة . بعد هطول كمية محددة مسبقًا من الأمطار، ينقلب ذراع المقياس، فيفرغ الماء المتجمع ويرسل إشارة كهربائية. قد يتكون جهاز التسجيل القديم من قلم مثبت على ذراع متصلة بعجلة مسننة تتحرك مرة واحدة مع كل إشارة تُرسل من جهاز التجميع. في هذا التصميم، مع دوران العجلة، يتحرك ذراع القلم إما لأعلى أو لأسفل، تاركًا أثرًا على الرسم البياني، ومُصدرًا في الوقت نفسه صوت "نقرة" عالٍ.

مقياس المطر ذو الدلو القلاب ليس دقيقًا كالمقياس القياسي، لأن هطول الأمطار قد يتوقف قبل أن يستقر المؤشر. وعندما تبدأ فترة المطر التالية، قد لا يتطلب الأمر سوى قطرة أو قطرتين لاستقرار المؤشر. وهذا من شأنه أن يشير إلى هطول كمية محددة مسبقًا بينما لم تهطل فعليًا سوى جزء ضئيل منها. كما يميل مقياس الدلو القلاب إلى التقليل من تقدير كمية الأمطار، خاصةً في حالات تساقط الثلوج والأمطار الغزيرة. ^{[ 21 ] [ 22 ]} تكمن ميزة مقياس المطر ذي الدلو القلاب في سهولة تحديد نوع المطر (خفيف، متوسط، أو غزير). ويُحدد نوع المطر من خلال إجمالي كمية الأمطار المتساقطة خلال فترة زمنية محددة (عادةً ساعة واحدة) عن طريق عدّ عدد النبضات خلال تلك الفترة. ويمكن تطبيق خوارزميات على البيانات لتصحيحها في حالات هطول الأمطار الغزيرة.

تتكون مقاييس المطر الحديثة القابلة للإمالة من جامع بلاستيكي متوازن فوق محور ارتكاز. عندما يميل، فإنه يُشغل مفتاحًا (مثل مفتاح القصب ) والذي يتم تسجيله إلكترونيًا أو إرساله إلى محطة تجميع بعيدة.

يمكن أن تتضمن مقاييس الإمالة عناصر من مقاييس الوزن، حيث يُثبّت مقياس إجهاد على دلو التجميع لقراءة كمية الأمطار بدقة في أي لحظة. وفي كل مرة يميل فيها وعاء التجميع، يُعاد ضبط مقياس الإجهاد (مستشعر الوزن) إلى الصفر لإلغاء أي انحراف.

لقياس كمية الماء المكافئة للهطول المتجمد، يُسخّن دلو قلاب لإذابة أي جليد أو ثلج عالق في قمعه. وبدون آلية تسخين، غالبًا ما ينسد القمع أثناء هطول الهطول المتجمد، وبالتالي لا يمكن قياس أي هطول. تستخدم العديد من وحدات نظام الرصد السطحي الآلي (ASOS) دلاء قلابة مُسخّنة لقياس الهطول. ^{[ 23 ]}

يحتوي هذا النوع من أجهزة قياس المدى على صف من قمع التجميع. يوجد أسفل كل قمع في حيز مغلق ثنائي ليزري وكاشف ضوئي . عندما تتجمع كمية كافية من الماء لتكوين قطرة واحدة، تسقط من الأسفل في مسار شعاع الليزر. يُثبّت المستشعر بزاوية قائمة على الليزر بحيث يتشتت قدر كافٍ من الضوء ليتم رصده على شكل وميض ضوئي مفاجئ. تُقرأ الومضات الصادرة من هذه الكواشف الضوئية وتُرسل أو تُسجل. وقد استُخدمت أنواع مختلفة من أجهزة قياس المدى البصرية على مر العقود، كما شهدت هذه التقنية تطورًا ملحوظًا.

تستطيع أجهزة قياس قطرات المطر الصوتية ، والمعروفة أيضًا باسم الهيدروفونات، استشعار البصمات الصوتية لكل حجم من أحجام قطرات المطر عند اصطدامها بسطح الماء داخل الجهاز. ولأن كل بصمة صوتية فريدة، فمن الممكن عكس مجال الصوت تحت الماء لتقدير توزيع أحجام قطرات المطر. وتُستخدم لحظات مختارة من توزيع أحجام القطرات لتحديد معدل هطول الأمطار، وتراكمها، وخصائص أخرى لها. ^{[ 24 ]}