Pourquoi avons-nous besoin d'un algorithme pour la correction de l'intensité des précipitations ?

Dans cet article, j'expliquerai comment des erreurs peuvent se produire lors de la mesure de la quantité de précipitations, j'aborderai une approche de correction et je montrerai comment un algorithme peut être utilisé pour concevoir des pluviomètres à auget basculant de haute qualité.

Introduction

Les précipitations liquides (la pluie) sont à la fois l'une des mesures les plus simples d'un point de vue mécanique et électronique et l'une des mesures les plus difficiles à réaliser de manière correcte, précise et représentative. Il existe deux façons de quantifier les précipitations : la quantité - ou l'accumulation - et l'intensité. La quantité de pluie est rapportée comme une profondeur en unités en pouces ou en millimètres et l'intensité en termes de quantité par heure. L'intensité des précipitations est l'un des principaux facteurs d'erreur dans la mesure de la quantité de précipitations.

Le type de pluviomètre le plus largement utilisé est communément appelé "auget basculant". Il est doté d'un mécanisme de basculement situé sous un entonnoir qui est étalonné pour basculer d'avant en arrière lorsqu'il est rempli d'un volume d'eau calibré.

Il n'est pas surprenant qu'il y ait une limite à la vitesse à laquelle le mécanisme de l'auget peut basculer d'avant en arrière avant qu'une partie de l'eau ne soit perdue et que la mesure ne devienne de plus en plus imprécise. En d'autres termes, la précision de la mesure de l'accumulation de pluie dépend du débit, ou de l'intensité, des précipitations.

Une autre source d'erreur importante pour les précipitations liquides en général est le vent, qui représente parfois jusqu'à 20 % de perte. La forme distinctive en sablier de la série de pluviomètres RainVUE™ est spécifiquement conçue pour atténuer l'influence du vent sur le captage, et il est prouvé* qu'elle est efficace.

Chez Campbell Scientific, nous avons développé un algorithme de correction de l'intensité et l'avons intégré dans la série RainVUE™ de capteurs de pluie intelligents. Dans la suite de cet article, je vais décrire l'approche que nous avons adoptée pour développer et tester cet algorithme.

Le processus

La plupart des pluviomètres à augets basculants sont très simples sur le plan électronique : chaque basculement entraîne la fermeture d'un interrupteur, et ces fermetures sont comptées par un enregistreur de données. Cela signifie deux choses pour l'intensité :

1. Nous devons faire plus que simplement compter des basculements.
2. Le pluviomètre a besoin qu'on lui ajoute quelque chose pour effectuer les mesures (c'est-à-dire le chronométrage) et des calculs supplémentaires.

Tout cela pourrait être intégré dans le programme exécuté par la centrale de mesure. Cependant, pour des raisons de simplicité et de facilité d'utilisation, nous avons ajouté un module à la jauge pour effectuer les calculs et communiquer les données à un enregistreur via le SDI-12, de sorte que l'utilisateur n'a pas de programme compliqué à créer ou à maintenir. Le module peut également servir de sauvegarde des données et continuer à fonctionner pendant un certain temps sur la batterie interne en cas de perte de communication et d'alimentation de la centrale de mesure.

Une méthode de correction de l'intensité consiste à calculer d'abord l'intensité (quantité par heure). Puis, à partir de l'intensité, calculer une correction pour la quantité. Nous avons choisi une voie plus directe pour corriger l'accumulation ou la quantité pour l'intensité en mesurant le temps entre les basculements (TBT) et en l'utilisant comme prédicteur de la quantité de pluie par basculement. À partir du TBT et de la quantité, l'intensité est calculée par simple conversion d'unités.

Collecte de données et développement du modèle

Nous avons utilisé 10 nouveaux augets à bascule de chaque modèle RainVUE™ pour la collecte des données. Chaque auget a été soumis à trois répétitions à chacun des 12 à 16 niveaux fixes de précipitations simulées (selon le modèle et la plage de correction d'intensité ciblée). Les précipitations ont été simulées simplement en faisant couler des volumes mesurés d'eau désionisée à travers des buses de haute précision.

• Pour les taux supérieurs à 100 mm/h, on a fait passer suffisamment d'eau dans chaque auget pour obtenir un total de 1 000 basculement pour chaque réplique.
• Pour les niveaux inférieurs, un minimum de 330 basculements a été utilisé pour chaque réplication.

(Avec nos montages d'essai, nous pouvions faire fonctionner jusqu'à quatre augets simultanément, mais la collecte des données à elle seule a nécessité environ 1 000 heures ou plus pour chacun des modèles RainVUE™).

Avec la quantité de volume connue et les mesures précises du nombre de basculements et du TBT à l'aide des centrales d'acquisition de données CR6, nous avions toutes les données nécessaires pour développer nos modèles de correction. En utilisant la régression, plusieurs modèles ont été comparés pour leur ajustement. Les exemples de formes de modèles fonctionnels comprennent, entre autres, la loi de puissance et la décroissance exponentielle. La précision a été testée en comparant les modèles entre eux par validation croisée et en collectant de nouvelles données.

La figure ci-dessous montre un exemple de données brutes avec l'un des modèles candidats que nous avons envisagés (par exemple, loi de puissance, décroissance exponentielle, autres) :

Conclusion

Dans l'ensemble, ce projet a été un défi intéressant, et j'espère que cet article donne un aperçu du processus de développement et démontre les méthodes rigoureuses utilisées pour créer le meilleur algorithme possible afin d'ajouter de la valeur aux pluviomètres à auget basculant de haute qualité.

Si vous avez des questions au sujet de cet algorithm, veuillez les poster ci-dessous.

*Références

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017WR020549

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2017WR022421