روشهای اندازه گیری بارش و صحت سنجی آمار و روشهای منطقه ای کردن بارش

۱. روش‌های اندازه‌گیری بارش

بارش معمولاً به صورت «عمق آب» (بر حسب میلی‌متر) اندازه‌گیری می‌شود. تجهیزات اندازه‌گیری به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

• باران‌سنج‌های معمولی (غیرثبات / Non-recording): این دستگاه‌ها شبیه به یک استوانه مدرج هستند. ناظر هواشناسی معمولاً هر ۲۴ ساعت یک‌بار مقدار آب جمع‌آوری‌شده را می‌خواند. این روش فقط مجموع بارش روزانه را می‌دهد و شدت بارش مشخص نمی‌شود.
• باران‌سنج‌های ثبات (Recording): این دستگاه‌ها به طور خودکار زمان شروع، پایان و شدت بارندگی را ثبت می‌کنند. معروف‌ترین نوع آن باران‌سنج ترازویی (Tipping Bucket) است که با پر شدن هر پیمانه کوچک (مثلاً معادل $0.1$ میلی‌متر بارش)، پیمانه تخلیه شده و یک پالس الکتریکی ثبت می‌شود.
• روش‌های نوین: امروزه برای پوشش بهترِ مناطق وسیع، از رادارهای هواشناسی (ارسال امواج و دریافت بازتاب از قطرات باران در ابرها) و تصاویر ماهواره‌ای نیز استفاده می‌شود.

۲. صحت‌سنجی آمار و بازسازی داده‌های ناقص

گاهی اوقات به دلیل خرابی دستگاه یا عدم حضور ناظر، آمار بارش در یک ایستگاه ثبت نمی‌شود. همچنین ممکن است خطاهای سیستماتیک در آمار وجود داشته باشد.

الف) بازسازی داده‌های ناقص (Missing Data Estimation)

برای تخمین بارش یک ایستگاه ناقص ($P_x$) از آمار ایستگاه‌های مجاور ($P_1, P_2, ..., P_n$) استفاده می‌شود:

1. روش میانگین حسابی: اگر میانگین بارش سالانه ایستگاه ناقص ($N_x$) با ایستگاه‌های مجاور ($N_i$) کمتر از ۱۰٪ اختلاف داشته باشد:

$$P_x = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} P_i$$

2. روش نسبت نرمال (Normal Ratio Method): اگر اختلاف میانگین سالانه بیش از ۱۰٪ باشد، از این روش استفاده می‌شود تا اثر اقلیم‌های کمی متفاوت جبران شود:

$$P_x = \frac{N_x}{n} \sum_{i=1}^{n} \frac{P_i}{N_i}$$

ب) صحت‌سنجی و بررسی همگنی (آزمون منحنی جرم مضاعف)

گاهی اوقات به دلیل جابجایی ایستگاه، رشد درختان اطراف یا تعویض دستگاه، روند ثبت آمار دچار خطای سیستماتیک می‌شود. برای بررسی این موضوع از روش منحنی جرم مضاعف (Double Mass Curve) استفاده می‌شود.

در این روش، مقادیر تجمع‌یافته‌ی ایستگاه مورد نظر در برابر مقادیر تجمع‌یافته‌ی میانگین چند ایستگاه پایه مجاور رسم می‌شود. اگر داده‌ها همگن باشند، نمودار یک خط راست خواهد بود. اما اگر نمودار دارای «شکستگی در شیب» باشد، نشان‌دهنده خطا است و داده‌ها باید با ضرب کردن در یک ضریب اصلاحی (نسبت شیب جدید به شیب قدیم) تصحیح شوند.

۳. روش‌های منطقه‌ای کردن بارش (Areal Precipitation)

باران‌سنج‌ها فقط بارش در یک «نقطه» را نشان می‌دهند. اما مهندس هیدرولوژی برای محاسبه رواناب، نیاز به میانگین بارش روی کل «سطح حوضه آبریز» دارد. برای تبدیل بارش نقطه‌ای به بارش متوسط منطقه‌ای ($\bar{P}$) از سه روش اصلی استفاده می‌شود:

۱. روش میانگین حسابی (Arithmetic Mean Method)

ساده‌ترین روش است. تمام بارش‌های ثبت‌شده در حوضه با هم جمع و بر تعداد ایستگاه‌ها ($n$) تقسیم می‌شود.

$$\bar{P} = \frac{\sum_{i=1}^{n} P_i}{n}$$

کاربرد: فقط برای حوضه‌های مسطح با توزیع یکنواخت باران‌سنج‌ها مناسب است.

۲. روش چندضلعی تیسن (Thiessen Polygon Method)

در این روش فرض می‌شود که بارش در اطراف هر ایستگاه، برابر با بارش همان ایستگاه است. با رسم عمودمنصفِ خطوطِ متصل‌کننده ایستگاه‌ها، حوضه به چند چندضلعی تقسیم می‌شود. بارش متوسط با استفاده از وزن دادن به مساحت هر چندضلعی ($A_i$) محاسبه می‌شود:

$$\bar{P} = \frac{\sum_{i=1}^{n} P_i A_i}{A}$$

که در آن $A$ مساحت کل حوضه است ($A = \sum A_i$).

کاربرد: برای حوضه‌های دشت و کوهپایه‌ای با توزیع نامنظم ایستگاه‌ها بسیار مناسب است.

۳. روش خطوط هم‌باران (Isohyetal Method)

دقیق‌ترین روش است. در این روش، مشابه نقشه‌های توپوگرافی، خطوطی که دارای بارش یکسان هستند (خطوط هم‌باران) روی نقشه رسم می‌شوند. سپس میانگین بارش دو خط مجاور، در مساحت بین آن دو خط ($A_i$) ضرب می‌شود:

$$\bar{P} = \frac{\sum_{i=1}^{n} (\frac{P_i + P_{i+1}}{2}) A_i}{A}$$

کاربرد: بسیار دقیق است و در مناطق کوهستانی که بارش تحت تاثیر ارتفاع تغییر می‌کند، بهترین گزینه است. (امروزه این روش توسط نرم‌افزارهای GIS به راحتی انجام می‌شود).