CN106932842A - 一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法 - Google Patents

一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法 Download PDF

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李必红
杨龙泉
赵丹
周觅
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Abstract

本发明属于气象领域和地球物理领域，具体涉及一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法。该技术包括以下步骤：测量设备选取；设置214Bi感兴趣区；伽玛全谱仪器标定；位置选择和监测；测量获取下雨时间段内这段时间伽玛全谱数据；确定雨量和降雨速度换算系数；获得降雨速度换算系数Sv；确定降雨量。本发明采用伽玛全谱测量大气氡衰变子体214Bi特征能量峰计数率,通过雨量具或雨量计实测数据与大气氡衰变子体214Bi特征能量峰计数率拟合，获得降雨量和降雨速度换算系数，便于现场判别降雨的危害程度，及时采取措施避免发生洪涝等灾害对人员和财产造成损失。

Description

一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法
技术领域
本发明属于气象领域和地球物理领域，具体涉及一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法。
背景技术
降雨影响着人类生产、生活甚至是生存，降雨太多或太少都会带来灾难，监测降雨有着重要的意义和社会价值。我国民间，采用手指或尺测量雨水渗透到土壤中深度来粗略估计降雨量，这种方法误差大也不够科学。长期以来，气象领域普遍采用雨量具、虹吸式雨量计、翻斗式遥测雨量计等设备来测量降雨量，其基本原理本质上都是一样的，设备基本结构是：外部为圆柱状铁筒，内置承水器、漏斗和储水瓶，另配与储水瓶直径相同的量杯。降雨时，雨水经漏斗流入储水瓶，测量时将储水瓶取出，把水倒入量杯内，从量杯上读出上水面刻度数(毫米)即为降雨量。这种测量方法受仪器的安置、风和地形等影响较大，产生误差较大，另外雨水的飞溅、刻度视线、蒸发等因素也会产生较大误差，降雨强度普遍采用24小时或12小时内测量的降雨量，时效性较差，基于传统的方法自身原理的局限性，降雨的监测还存在较多的不足，难以满足水文信息化快速发展，对于“互联网+”信息化的今天，发展降雨实时信息化方法具有重要的实际意义，特别是降雨速度的实时监测有利于及时评估和自动预警，及时采取有效措施，避免洪涝等灾害对人员和生产造成损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，有效实时监测降雨变化情况。
为解决上述技术问题，本发明一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一、选取测量设备；
步骤二、设置214Bi感兴趣区，及钍衰变子体208Tl、39K感兴趣区；
步骤三、伽玛全谱仪器标定，在铀、钍、钾、本底、混合标准模型上对伽玛全谱仪器标定，确定仪器剥离比α、β、γ；
步骤四、位置选择和监测，选择不易改变的固定露天平地或平台，监测固定点大气氡214Bi变化数据，获取给地段本底谱线；
步骤五、选择3次或以上的中强度降雨过程，且具有明显的降雨速度变化过程，将雨量具或雨量计杯置于仪器安置的固定点位置附近，测量获取下雨时间段内这段时间伽玛全谱数据，雨量具或雨量计读数；
步骤六、确定雨量和降雨速度换算系数，通过所述步骤五全谱数据获取214Bi特征能量峰净计数率数及净计率增量、K特征能量峰净计数率，通过所述步骤五中雨量具或雨量计测量获得每次降雨过程中的降雨量和降雨速度；
步骤七、计算降雨过程中214Bi特征能量峰计数率增量与降雨过程的时间组成的二维域面积，并将该二维域面积与实测降雨量组成数据组，采用最小二乘法对该数据组进行线性拟合，获得仪器降雨量的换算系数SQ，通过每次降雨过程中214Bi特征能量峰计数率与实测降雨速度拟合获得降雨速度换算系数Sv；
步骤八、将仪器固定在需要测量降雨量和雨速地段的露天地面或平台上，进行测量，不下雨时测定环境214Bi特征能量峰净计数率本底，下雨时，通过监测214Bi特征能量峰净计数率数据的增量，将该增量乘以换算系数Sv即可定量测定降雨速度，通过计算下雨过程中214Bi特征能量峰净计数率数据的增量与时间的二维域面积，再将该面积乘以换算系数SQ即可确定降雨量。
所述步骤六中，214Bi及K特征能量峰净计数率按下式获取；
N′Bi＝NBi-α·NTl
N′K＝NK－β·NTl－γ(NBi-α·NTl)
NK表示K特征能量峰计数率，NBi表示214Bi特征能量峰计数率，NTl表示208Tl特征能量峰计数率，N′K、N′Bi表示K、Bi特征能量峰净计数率。
所述步骤一中，伽玛全谱测量仪器要求仪器道址256道或以上，晶体BGO晶体体积要求100cm3以上，或NaI晶体体积要求300cm3以上，具有天然峰自动稳谱，能自动读取和存储全谱数据、全谱感兴趣区数据、GPS经纬度和海拔高度数据。
所述步骤四，仪器测量周期≤60s。
所述步骤六中，214Bi特征能量峰净计数率增量为将降雨时所测的214Bi特征能量峰净计数率减去降雨前检测的固定点的214Bi特征能量峰净计数率背景值。
所述步骤五中，测量降雨量时应选择中雨或中雨以上的降雨过程，测量降雨速度时，应选择大雨或大雨以上的降雨过程，降雨中间有一段时间连续近匀速降雨过程。
本发明的有益技术效果在于：本发明提供的基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测技术，采用伽玛全谱测量大气氡衰变子体214Bi特征能量峰计数率,通过雨量具或雨量计实测数据与大气氡衰变子体214Bi特征能量峰计数率拟合，获得降雨量和降雨速度换算系数，利用获得的换算系数可计算降雨时的降雨速度及降雨过程中的降雨量，实现降雨量的定量信息化计算及降雨过程中的降雨速度的实时监测，便于现场判别降雨的危害程度，及时采取措施避免发生洪涝等灾害对人员和财产造成损失。本发明还可以通过无线网络技术实现多个固定点网络无线联动式监测。
附图说明
图1为采用本发明提供的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测技术所获得的降雨速度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化监测方法，该技术包括以下步骤：
步骤一、测量设备选取，伽玛全谱测量仪器要求仪器道址256道(CH)或以上，晶体体积要求100cm3以上(BGO晶体)，或300cm3以上(NaI晶体)，具有天然峰自动稳谱、GPS(或能外接GPS)功能，能自动读取和存储全谱数据、全谱感兴趣区数据、GPS经纬度和海拔高度数据、日期时间等功能，量杯或雨量计一套；
步骤二、设置214Bi感兴趣区(或称能窗)，即214Bi特征能量峰(如609keV或1.76MeV)所对应的道址范围，及钍衰变子体208Tl(2.62MeV)、39K(1.46MeV)感兴趣区；
步骤三、伽玛全谱仪器标定(或称校准)，在铀、钍、钾、本底、混合标准模型上对伽玛全谱仪器标定，确定仪器剥离比α、β、γ；
步骤四、位置选择和监测，选择不易改变的固定露天平地或平台，设置仪器测量周期≤60s，连续测量模式，长期监测固定点大气氡214Bi(@609keV&1.76MeV)变化数据，获取给地段本底谱线；
步骤五、选择3次或以上的中强度降雨过程，且具有明显的降雨速度变化过程，将雨量具或雨量计杯置于仪器安置的固定点位置附近，测量获取下雨时间段内这段时间伽玛全谱数据，雨量具或雨量计读数及每(1～10)分钟时间内读数；
所述步骤五中，测量降雨量时应选择中雨或中雨以上的降雨过程，测量降雨速度时，应选择大雨或大雨以上的降雨过程，降雨中间有一段时间连续近匀速降雨过程最佳；
步骤六、确定雨量和降雨速度换算系数，通过所述步骤五全谱数据获取214Bi特征能量峰净计数率及净计数率增量、K特征能量峰净计数率，通过所述步骤五中雨量具或雨量计测量获得每次降雨过程中的降雨量和降雨速度；
所述步骤六中，214Bi及K特征能量峰净计数率按公式(1)和公式(2)获取，其中钾特征能量峰净计数率用于评价器能性能，在仪器正常工作时，固定点钾特征能量峰净计数率不变；
N′Bi＝NBi-α·NTl (1)
N′K＝NK－β·NTl－γ(NBi-α·NTl) (2)
公式(1)、公式(2)中，NK表示K特征能量峰计数率，NBi表示214Bi特征能量峰计数率，NTl表示208Tl特征能量峰计数率，N′K、N′Bi表示K、Bi特征能量峰净计数率；
所述步骤六中214Bi特征能量峰净计数率增量为将降雨时所测的214Bi特征能量峰净计数率减去降雨前检测的固定点的214Bi特征能量峰净计数率背景值；
步骤七、计算降雨过程中214Bi特征能量峰计数率增量与降雨过程的时间组成的二维域面积，并将该二维域面积与实测降雨量组成数据组，采用最小二乘法对该数据组进行线性拟合，获得仪器降雨量的换算系数SQ，通过每次降雨过程中214Bi特征能量峰计数率(CPM)与实测降雨速度(mm/min)拟合获得降雨速度换算系数Sv；
步骤八、将仪器固定在需要测量降雨量和雨速地段的露天地面或平台上，进行测量，不下雨时测定环境214Bi特征能量峰净计数率本底，下雨时，通过监测214Bi特征能量峰净计数率数据的增量，将该增量乘以换算系数Sv即可定量测定降雨速度，通过计算下雨过程中214Bi特征能量峰净计数率数据的增量与时间的二维域面积，再将该面积乘以换算系数SQ即可确定降雨量；
所述步骤八中，可通过仪器设置报警阈值，当降雨速度达到该阈值仪器就自动报警。
具体应用如下：
步骤(1)：测量设备选取，选择加拿大进口的RS230便携式伽玛全谱测量仪(该仪器可通过蓝牙外接GPS，道址为1024道，探头晶体为BGO晶体，该晶体体积103.24cm3)，GPS选择HOLUX M-241A蓝牙记录器，雨量杯一套。
步骤(2)：设置214Bi感兴趣区，设置214Bi(@1.76MeV)感兴趣区能量范围为1659keV～1860keV,对应道址范围为553CH～620CH；208Tl(@2.62MeV)感兴趣区能量范围为2409keV～2808keV,对应道址范围为803CH～936CH；39K(@1.46MeV)感兴趣区能量范围为1368keV～1569keV,对应道址范围为456CH～523CH。
步骤(3)：伽玛全谱仪器标定(或称校准)，在核工业计量站铀、钍、钾、本底、混合标准模型上对伽玛全谱仪器标定，确定仪器相关系数剥离比α＝0.272、β＝0.438、γ＝0.767。
步骤(4)：选择江西省抚州市乐安县公溪镇如意宾馆院内露天平地，设置仪器测量周期60S，连续测量模式，通过蓝牙连接仪器和HOLUX M-241A蓝牙GPS记录器，将记录器捆绑在仪器上，然后放置在院内平地点固定，观察并记录大气氡衰变子体214Bi(@1.76MeV)日变化，获得固定点大气氡衰变子体214Bi(@1.76MeV)净计数率背景值。
步骤(5)：选择监测期间遇到的3次的中雨或大雨的降雨过程，将雨量具杯置于仪器安置的固定点位置附近，测量获取下雨时间段内固定点大气氡衰变子体214Bi(@1.76MeV)净计数率，大雨或暴雨时，记录雨量具读数及每(1～10)分钟时间内读数获得降雨速度值(mm/min)。
步骤(6)：确定降雨量和降雨速度换算系数，通过所述步骤(5)全谱数据获取214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率，通过所述步骤(5)中雨量具测量获得每次降雨过程中的降雨量和降雨速度，计算每次降雨过程中214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率增量和时间组成的二维域面积，通过每次降雨过程计算的面积与降雨量组成数据组并对该数据组进行线性拟合，获得计算降雨量的换算系数SQ＝5.2×10-4。通过每次降雨过程中214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率增量与降雨速度拟合获得降雨速度换算系数SV＝7.6×10-4。
步骤(7)：将RS230及HOLUX M-241A蓝牙GPS记录器固定在江西省抚州市公溪镇一场地的露天平地上，通过监测获取该地点环境214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率日变背景数据，待到2015年11月15日21:42至2015年11月16日4:22，该地区为中雨到大雨，根据214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率增量获得该地点降雨速度(如附图1)，根据下雨过程中214Bi(@1.76MeV)特征能量峰净计数率增量与时间组成的二维域面积确定2015年11月15日至16日该时段降雨量为16mm，实测降雨量15mm，相对误差6.7％。

Claims (6)

1.一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选取测量设备；
步骤二、设置214Bi感兴趣区，及钍衰变子体208Tl、39K感兴趣区；
步骤三、伽玛全谱仪器标定，在铀、钍、钾、本底、混合标准模型上对伽玛全谱仪器标定，确定仪器剥离比α、β、γ；
步骤四、位置选择和监测，选择不易改变的固定露天平地或平台，监测固定点大气氡214Bi变化数据，获取给地段本底谱线；
步骤五、选择3次或以上的中强度降雨过程，且具有明显的降雨速度变化过程，将雨量具或雨量计杯置于仪器安置的固定点位置附近，测量获取下雨时间段内这段时间伽玛全谱数据，雨量具或雨量计读数；
步骤六、确定雨量和降雨速度换算系数，通过所述步骤五全谱数据获取214Bi特征能量峰净计数率数及净计率增量、K特征能量峰净计数率，通过所述步骤五中雨量具或雨量计测量获得每次降雨过程中的降雨量和降雨速度；
步骤七、计算降雨过程中214Bi特征能量峰计数率增量与降雨过程的时间组成的二维域面积，并将该二维域面积与实测降雨量组成数据组，采用最小二乘法对该数据组进行线性拟合，获得仪器降雨量的换算系数SQ，通过每次降雨过程中214Bi特征能量峰计数率与实测降雨速度拟合获得降雨速度换算系数Sv；
步骤八、将仪器固定在需要测量降雨量和雨速地段的露天地面或平台上，进行测量，不下雨时测定环境214Bi特征能量峰净计数率本底，下雨时，通过监测214Bi特征能量峰净计数率数据的增量，将该增量乘以换算系数Sv即可定量测定降雨速度，通过计算下雨过程中214Bi特征能量峰净计数率数据的增量与时间的二维域面积，再将该面积乘以换算系数SQ即可确定降雨量。
2.根据权利要求1所述的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，所述步骤六中，214Bi及K特征能量峰净计数率按下式获取；
N′Bi＝NBi-α·NTl
N′K＝NK－β·NTl－γ(NBi-α·NTl)
NK表示K特征能量峰计数率，NBi表示214Bi特征能量峰计数率，NTl表示208Tl特征能量峰计数率，N′K、N′Bi表示K、Bi特征能量峰净计数率。
3.根据权利要求2所述的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，所述步骤一中，伽玛全谱测量仪器要求仪器道址256道或以上，晶体BGO晶体体积要求100cm3以上，或NaI晶体体积要求300cm3以上，具有天然峰自动稳谱，能自动读取和存储全谱数据、全谱感兴趣区数据、GPS经纬度和海拔高度数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，所述步骤四，仪器测量周期≤60s。
5.根据权利要求4所述的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，所述步骤六中，214Bi特征能量峰净计数率增量为将降雨时所测的214Bi特征能量峰净计数率减去降雨前检测的固定点的214Bi特征能量峰净计数率背景值。
6.根据权利要求5所述的一种基于伽玛全谱方法的降雨定量信息化实时监测方法，其特征在于，所述步骤五中，测量降雨量时应选择中雨或中雨以上的降雨过程，测量降雨速度时，应选择大雨或大雨以上的降雨过程，降雨中间有一段时间连续近匀速降雨过程。
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