1.7. Вітровий режим

Внаслідок нерівномірного горизонтального розподілу тиску, обумовленого нерівністю температур в атмосфері, виникають вітри - переміщення повітряних мас по земній поверхні з області з великим в область з низьким тиском. Вітер поряд з температурою і вологістю є одним з головних кліматоутворюючих факторів, який обумовлює зміну погоди на місцевості.

Вітер характеризується двома основними показниками: напрямком руху повітря і його швидкістю. Напрямок (вектор) указує ту сторону горизонту (румб), звідки дує вітер. В метеорології прийнято 16 румбів, найменування яких скорочено позначаються буквами українського або латинського алфавітів. Чотири основних румба позначаються наступними буквами: Пн – північ; Сх – схід; Пд – південь; Зх – захід або N – норд (північ), E – ост (схід), S – зюйд (південь), W – вест (захід). Інколи напрямок позначається в градусах горизонту, що відраховуються від півночі, тоді Пн – 0^о (або 360^о), Сх – 90^о, Пд – 180^о і Зх – 270^о. Для містобудівельної аеродинаміки при попередній оцінки умов аерації досить інформації по 8 румбах.

Швидкість вітру вимірюється в метрах за секунду (м/с) або кілометрах за годину (км/год). В європейських стандартах міститься також інформація в милях за секунду.

В метеоданних окремо фіксуються періоди відсутності вітру (0 – 1 м/с), що зветься штилем, який встановлюють в % до строку спостереження, що роздивляється.

Напрямок вітру та його швидкість є величини непостійні. Вітер майже завжди дує поривами. Пориви пов’язані з наявністю багатьох невеликих вихорів, що виникають в повітряному потоці і пересікають його в різних напрямках. Рухаючись поперек потоку, вихор створює з навітряного боку підпор повітряних мас, а із завітряної – розрядження. Пересуваючись далі вихор звільняє місце для накопичених мас повітря і ті з силою вриваються у звільнений простір. Так людина відчуває порив вітру після деякого часу затишку. Оскільки таких вихорів виникає велика кількість, то вітер сприймається як безперервний пульсуючий рух повітря.

Стандартна висота флюгера становить 10 м від поверхні землі. У всякому випадку указується висота флюгеру. В системі національної гідрометеослужби для вимірювання вітру використовуються на опорних мережах прилади М–63М-1 (інтервал вимірювання миттєвої швидкості – 3 сек) як основні і флюгери Вильда з легкою або важкою дошкою як резервні.

В мережі авіаційних метеослужб (АМСГ) використовуються окрім М-63М-1 ще й автоматичні станції фірми VAISALA “MILOS - 500” з датчиками WAV-15A або WAA-15A (вони найбільш точні і інтервал вимірювання миттєвої швидкості становить 2 сек) і інші.

Вимірюються наступні параметри:

• швидкість вітру (м/с) максимальна між строками вимірів (тобто. в останні 3 години)

• середня швидкість вітру за 10 хв (як правило 45 – 55 хв або 40 – 50 хв останньої години перед строком;

• максимальна швидкість вітру в строк (тобто за ті 10 хв, коли вимірюється середня швидкість);

• середній напрямок вітру за 2 хв (градус, румб).

При використанні флюгера Вільда вимірюється середній напрямок вітру за 2 хв(48 –50 хв останньої години перед строком) по 16 румбах, середня швидкість вітру за 2 хв і максимальна швидкість за 2 хв. Данні обробляються і випускаються у всеукраїнських виданнях “Метеорологічний щомісячник” і “Метеорологічний щорічник”. Узагальнена інформація по всіх станціях України розміщується в таблицях:

Таблиця 1. Данні про температуру повітря.

Таблиця 4. Швидкість втру (середня і максимальна та кількість випадків за градаціями).

Таблиця 5. Вітер за 16 румбами (повторюваність в % і середня швидкість вітру).

Таблиця 6. Вітер за 8 румбами (повторюваність в % і середня швидкість) та атмосферний тиск.

Ці видання зберігаються у Отраслевому Державному архіві Гідрометкомітета України у м. Києві. Інформація може бути одержана замовником за оплату.

Крім перелічених джерел можна користуватися “Справочником по климату СССР”, СНиП 2.01.01-82 або даними ближньої метеостанції. Найбільше практичне значення має “Научно-прикладной справочник по климату СССР”, в котрому окрім інформації про середні швидкості вітру містяться данні про середнєквадратичні відхилення середнємісячної і середнєрічної швидкості вітру.

Закордонна метеорологія має данні про годинні спостереження за вітром з безперервним (щосекундним) записом інформації. Це надає можливість фіксувати пориви вітру та екстремальні значення швидкості і виконувати розрахунки середніх швидкостей вітру та среднєквадратичних відхилень.

В ДонНАБА є власні наукові розробки (Є.В. Горохов, А.М. Югов та Ю.П Некрасов) і спеціально сконструйовані прилади безперервного спостереження за характеристиками вітру і обробкою результатів, що проводяться за допомогою ПЕОМ. Указані приладне та програмне забезпечення пройшло перевірку на полігоні випробувань високовольтних опор і при дослідженнях вітрового поля Новоазовскої вітроелектростанції. Воно може з успіхом використовуватися для додаткового спостереження за вітром в натурних умовах.

Рис. 1.2. Роза вітрів для січня, м Донецьк (румби помічені російською мовою)

Побудова рози вітрів. Загальною графічною інформацією про вітер по румбах є роза вітрів. Вона будується за значеннями повторюваності та середньої швидкості вітру і може мати вигляд такий, як це показано на рис. 1.2. В центрі рози вітрів вказується повторюваність штилю, %. Концентричними колами відмічаються повторюваності. Цифрами указуються значення швидкостей за румбами. Коло з повторюваністю 16 % є рубіжним при виборі основного напрямку і розрахункової швидкості вітру.

Для детальної інформації про вітер будується роза вітрів повторюваності різних значень швидкостей за румбами. Таку розу (див. рис. 1.3) приводить, наприклад, J.Gerchardt (Німеччина). Подібна роза вітрів підходить для детальної оцінки вітрового режиму.

Рис. 1.3. Роза вітрів повторюваності різних швидкостей вітру

Вертикальний профіль швидкостей. З ростом висоти швидкість вітру збільшується і змінюється його напрямок. Останнє пов’язано з дією сил Коріоліса, за рахунок яких вітер у північній півкулі землі, наприклад, повертає вправо. На побутовому рівні це поняття зводиться до того, що якщо стати спиною до вітру, то з висотою він повертає в сторону правої руки приблизно до 30 - 45^о. В метеорології використовується спіраль Екмана, котра описує цей процес.

Існують два найбільш простих засоби розрахунку швидкості вітру: по ступені і за логарифмічним законом. На рис. 1.4. приведено вид вертикальних профілів над характерними шорсткості земної поверхні.

Логарифмічний закон є більш точним на висотах до 100 -200 м, що цілком підходить для території міської забудови. Багато вчених неодноразово звертали увагу, що логарифмічний закон розподілу швидкості вітру в приземному шарі являється лише частковим випадком більш загального закону за ступенем. Логарифмічний закон є слушним лише для адіабатичного стану атмосфери і при інверсіях цей закон повинен бути змінений на закон за ступенем.

Рис. 1.4 - Профілі швидкостей над різними шорсткостями(за A. Davenport’ом)

Коли є інформація про середню швидкість () на будь якій фіксованій висоті (z_ref) (флюгер метеостанції), то логарифмічний закон розподілу має вигляд:

, (1.4)

де - середня швидкість на висоті z;

- параметр шорсткості (висота, на якій швидкість дорівнює 0);

- товщина витискання (складає біля 2/3 висот перешкод).

В таблиці 1.2 наведені значення і для різних категорій територій, що прийняті в європейському стандарті.

Закон за ступенем, на відміну від логарифмічного, котрий використовується за кордоном, є найбільш простим. Він прийнятий в нормах СРСР при розрахунках вітрових навантажень на будівлі та споруди.

Загально прийнятою є залежність наступного виду

, (1.5)

де  - показник ступеню, останні позначення ті ж самі, що в формулі (1.4).

Величина показника ступеню  залежить від швидкості вітру і характеру місцевості (шорсткості підлеглої поверхні), над якою відбувається рух вітру.

В інженерних розрахунках прийнято три типу місцевості:

перший (А) – відкриті узбережжя озер і водосховищ, пустелі, степи, лісостепу, тундра, для котрих  = 0,16;

другий (В) – міські території, лісні масиви і інші місцевості, що рівномірно вкриті перешкодами висотою більше 10 м, для котрих  = 0,22;

третій (С) – місцевість з крупними елементами шорсткості (міські райони з забудовою будинками більшими 25 м), для котрих  = 0,33.

Споруда вважається розташованою в місцевості даного типу, якщо місцевість зберігається з навітряного боку споруди на відстані 30h – при висоті споруди h до 60 м і 2 км – при більшій висоті. За кордоном прийнята інша класифікація територій та інші показники ступеню.

Таблиця 1.2 – Категорії території та значення величин z_o і d_o

№	Категорія території	zo, м	do, м
1	Центр міста, ліс	0,70	15 - 25
2	Маленькі міста Передмістя населених пунктів і міст Лісні масиви (багато дерев)	0,3	5 -10
3	Околиця маленьких міст Дерева Заміські території з великою кількістю перешкод	0,1	0 – 2
4	Відкриті території (за містом) з деякою кількістю дерев, перешкоди будинками, що стоять окремо, сільськогосподарські території, що обробляються	0,03	0
5	Луки з деревами, що стоять окремо	0,01	0
6	Море при екстремальному штормі (раз в 50 років) Рівнинна територія з короткою травою і без перешкод Територія взльотно-посадочних смуг аеропортів	0,003	0
7	Море при екстремальному штормі (раз на рік) Сільськогосподарські території, що вкриті снігом Рівнина або пустеля Поверхня озер при екстремальному штормі	0,001	0

Рубіжні значення швидкостей вітру

На засадах гігієнічних і соціологічних досліджень встановлено рубіжні значення швидкостей:

• більш 4 м/с - визиває дискомфорт у пішоходів;

• більш 6 м/с – початок переносу снігу та піску;

• більш 12 м/с – можливі механічні пошкодження будівельних конструкцій.

Інформація про вітер використовується в наступних інженерних розрахунках:

• аерація і захист міських територій;

• теплотехнічні розрахунки огороджувальних конструкцій;

• вітрове навантаження на будинки і будівельні елементи;

• вітроенергетика;

• снігові заноси вулиць, доріг і територій.