Cmos bulletin scmo volume 5 No. April 2017 avril 2017



Yüklə 4,39 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə3/15
tarix22.07.2018
ölçüsü4,39 Mb.
#58091
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

 

CMOS Bulletin SCMO 

Vol. 45, No.2 

 

               



Article: The Nipher Rain Gauge 

While the “Nipher” used in the Canadian service is classified as a snow gauge, 

it  was  originally  designed  in  the  nineteenth  century  as  a  rain  gauge  (Abbe, 

1888).  


In  1769  William  Heberden  found  that  an  unshielded  rain  gauge  caught  less 

rainfall as it was raised (Heberden, 1769). This was due to the general increase 

in wind with height. An unshielded receiver will have an additional increase in 

wind speed over the gauge orifice due to air from below being forced over the 

top  of  the  orifice.  This  increase  in  wind  speed  would  cause  some  of  the  rain 

drops to be deflected away from the receiver orifice. Hence, the rainfall caught 

by  the  gauge  would  be  less  than  the  actual  rainfall.  In  1878,  F.E.  Nipher  

developed a rain gauge that was shielded so that the air flow below the orifice 

top was directed downward (Figure 1), making the gauge height independent. 

The  original  Nipher  included  a  receiver  surrounded  by  three  interconnected 

cones that acted as a wind shield.  

Snowfall is more affected by this wind increase over the receiver orifice than is 

rainfall. Beginning in the USA this same Nipher shield was applied to a receiver 

in  order  to  measure  snowfall  (Figure  2).  The  original  Nipher  had  the  lowest  

conic section narrowed down to the same diameter as the receiver. The shield 

would have filled with snow rendering it useless. Brooks opened up the lower 

end to allow the snow to fall free of the shield. A shielded gauge which appears 

similar  to  Brooks’  was  field  tested  in  Canada  during  WWII  (Figure  3;  Toronto 

Register No. 300).  

Further developments by the National Research Council under the direction of 

Bill  Middleton,  head  (until  1946)  of  the  Instrument  Section  of  Meteorological 

Service of Canada (MSC), led to a manual snow gauge with an exponentially 

shaped  horn  to  replace  Nipher’s  conic  sections  –  a  design  that  was  uniquely 

Canadian (Figure 4).  

During WWII Bill Middleton and his staff tested a 5" snow gauge similar to the 

Brooks gauge. Middleton likely also incorporated the curved shield design from 

M.S. Bastamoff (Bastamoff, 1932 and Abbe, 1888). Eventually a number of tiny 

models of different types of snow shields were constructed. These were tested 

in a small wind tunnel at the National Research Council (NRC) in Ottawa, from 

which the shield with the elliptical curve was selected (Macartney, 1945). The 

shields,  which  went  into  service  circa  1953,  were  made  from  solid  aluminum 

spun into a flare which was 24" (61 cm) wide at the top (MSC, 1953). During 

the development of fiberglass Nipher shields for 8" weighing gauges in 1985, a 

smaller  one  for  the  manual  5"  gauge  was  also  designed,  since  the  fiberglass 

units  were  one  third  the  cost  of  the  aluminum  shields  (Metcalfe  &  Goodison, 

1985).  At  that  time  the  curve  of  the  shield  was  changed  from  elliptical  to  

spherical with no change in collection efficiency. 

The Nipher Rain Gauge

 

 

Kenneth A. Devine, Meteorological Instrument Consultant 



 

Figure  1:  Nipher’s  Rain  Gauge  of 

1878 (Middleton, 1969). 

Figure 2: The Brooks Shield, 1938.  

For  172  daily  rainfall  events  between  1943  and  1945,  this  5”  Nipher/Brooks 

snow gauge reported volumes 0.24% higher than the 3.6” standard copper rain 

gauge (Toronto Register No. 300). But it should be noted that the 3.6” copper 

gauge  measured  -5.2%  with-respect-to  (wrt)  a  World  Meteorological  standard 

pit gauge during a six year rain gauge comparison at Egbert, Ontario (Devine & 

Mekis, 2008). In general, the gauge which catches the most precipitation, thereby minimizing negative errors, is 

the better gauge. A later study of the aluminum shielded Canadian Nipher snow gauge at Swift Current from 1961 

to 1965 reported that it was -2.9% wrt the 3.6” copper gauge from 137 rainfall days (Pelton, 1965). For 76 days 

with  rainfalls  of  2.3  mm  or  less  at  Swift  Current,  the  Nipher  reported  -13.9%  wrt  the  standard  copper  gauge.  A  

reanalysis  of  the  1999  to  2005  data  for  158  rain  days  at  Egbert,  Ontario  indicated  that  the  fiberglass  shielded  

Nipher reported -7.4% wrt the pit gauge but -18.2% for those 100 days with less than three millimeters of rainfall. 

Thus while the Nipher reports similar rainfall values to the older copper manual gauge, for very light rainfalls it has 

a large negative error. From the Egbert data there was a loss of 0.15 mm per measurement which is mostly due to 

the retention errors of the large, 52 cm high, copper receiver used in the Nipher (Goodison & Louie, 1985). The 

evaporative and splash errors have previously been documented (Devine & Mekis, 2008). 

Figure  3:  A  similar  gauge  to  the 

Brooks  Shield  being  tested  in  

Kapsukasing, Ont, in the 1940s. 




 

CMOS Bulletin SCMO 

Vol. 45, No.2 

 

               



Article: The Nipher Rain Gauge 

While  primarily  used  a  snow  gauge  in  Canada,  the  Nipher  still  collects  the  

increasingly  frequent  winter  rainfalls.  The  Nipher  acts  as  a  precipitation  gauge 

throughout the year, whereas the gauges designed only for rainfall such as the Type 

B  manual  gauge  and  TB3  tipping  bucket  are  taken  out  of  service  for  most  of  the  

winter.  

The present Canadian 5” Nipher snow gauge has proven to be the best system for 

snowfall  measurements  in  the  world  next  to  the  Double  Fence  International  

Reference  (Goodison  et  al,  1998),  and  superior  to  the  Tretyakoff  shielded  gauges 

used  in  northern  Europe  (Strangeways,  2007).  This  report  documents  the  

operational  accuracy  for  rainfall.  Since  manual  gauges  remain  the  best  method  for 

determining  total  rainfall  or  snowfall,  locating  Nipher  gauges  at  manned  climate  

stations  would  be  worthwhile  since  the  present  snow  depths  are  not  an  accurate 

method  for  measuring  snowfall.  The  Nipher  also  has  the  highest  precipitation  

capacities,  next  to  the  storage  gauges,  which  may  be  useful  in  coastal  areas  with 

high  rainfall.  Both  the  advantages  and  shortfalls  of  the  Nipher  gauges  for  rainfall 

have  been  shown,  and  this  gauge  remains  an  important  source  for  accurate  

precipitation measurements in Canada (AES, 1985). 



“Let us hope that, in time, it will be realized that an accurate knowledge of the amount  

of rain or snow which falls on a country is as important as many other statistical  

activities of government.” (Middleton, 1941) 

 

References: 



Abbe, C., 1888. 

Meteorological Apparatus and Methods

, Government Printing Office, Washington. 

AES, 1985. 

Measuring Snowfall Water Equivalent using the Nipher Shielded Snow Gauge System

, IB 04-03-01/1, Toronto, 

October 30 1985. 

Bastamoff, M.S., 1932. 



Sur les pluviometers

, La Meteorologie, Vol.8. 

Brooks, C.F., 1938. 

Need for Universal Standards for Measuring Precipitation, Snowfall, and Snowcover

, International  

Association of Hydrology, Bulletin 23, Riga. 

Devine, K.A. and É. Mekis, 2008. 



Field accuracy of Canadian rain measurements

. Atmosphere-Ocean 46 (2), 213–227. 

Goodison, B.E., Louie, P.Y.T., 1985. 

Canadian Methods for Precipitation Measurement and Correction

, WMO Workshop on 

the Correction of Precipitation Measurements, Zurich, April 1985. 

Goodison, B.E., Louie, P.Y.T., Lang, D., 1998. 



WMO Solid Precipitation Measurement Intercomparison

, WMO Instruments 

and Observing Methods Report No.67, WMO/TD-No.872. Geneva. 

Heberden, W., 1769. 



Of the different quantities of rain, which appear to fall at different heights, over the same ground

,  


Philosophical Transactions of the Royal Society, 59: 359-362. 

Macartney. L.E., 1945. 



Wind Tunnel Investigation of Airflow over Snow Gauges

, National Research Council of Canada,  

Report No.MA-168, Ottawa, November 1945. 

Metcalfe, J.R., Goodison, B.E., 1985. 



Fiberglass vs Aluminum Nipher Shield – Field Test

, Report of the Canadian Climate 

Centre, AES, Toronto, October 24 1985. 

Meteorological Service of Canada (MSC), 1953. 



Snow Gauges

, Instrument Circular 54, MSC Circular 2360. 

Middleton, W.E. Knowles, 1941. 

Meteorological Instruments

, University of Toronto Press, Toronto. 

Middleton, W.E. Knowles, 1969. 

Invention of the Meteorological Instruments

, John Hopkins Press, Baltimore. 

Nipher, F.E., 1878. 

On the Determination of the True Rainfall in Elevated Gauges

, American Association for the Advancement 

of Science, Vol.27. 

Pelton, W.L., 1965. 



A Comparison of Three Types of Rain Gauges

, Can. J. Plant Sci., Vol.45. 

Strangeways, I., 2007. 

Precipitation: Theory, Measurement and Distribution

, Cambridge University Press, New York. 

Toronto Register No. 300, 1946. Climate Archive, Downsview. 

 

Figure 4: The Canadian Nipher 



Snow  Gauge,  with  dimensions 

in centimeters. 



About Ken 

Ken began his career as an observer and Officer-in-Charge at remote upper air stations. Later 

he  worked  three  years  as  a  senior  electronics  technician  which  included  installing  the  first  

operational  weather  stations  in  Canada.  After  obtaining  his  degree  and  completing  the  

meteorologist  training  in  1971,  he  spent  four  years  forecasting  on  the  east  coast  before  

moving  to  headquarters.  In  Toronto  he  worked  in  instrument  development,  project  

management, Field Services and finally as Superintendent of Climate Standards. After retiring 

in  1998  he  has  been  researching  and  writing  articles  on  the  history  of  meteorological  

instruments in Canada.  



Yüklə 4,39 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə