16

М инистерство образования и науки, спорта и молодежи Украины Севастопольский национальный технический университет

Метеорология и климатология

МЕТОДИЧЕCКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы

«Определение скорости ветра при помощи

метеостанции RSTO 1923»

для студентов очной формы обучения по специальности 6.040106 –«Экология и охрана окружающей среды»

Севастополь

2011

УДК 006.91(073)

Методическое указание к выполнению лабораторной работы «Определение скорости ветра при помощи метеостанции RSTO 1923» для студентов специальности 6.040106 "Экология и охрана окружающей среды" дневной формы обучения / Сост. А.В. Холопцев, доцент кафедры ПЭОТ, А.А. Шидловская, аспирант кафедры ПЭОТ. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011. – 16 с.

Цель методического указания - оказать помощь при подготовке к выполнению лабораторной работы «Определение скорости ветра при помощи метеостанции RSTO 1923», а также при оформлении отчета по лабораторной работе.

Методическое указание рассмотрено и утверждено на заседании кафедры прикладной экологии и охраны труда (протокол № 9 от 23.05.2011).

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензент: Корчмит Ю.В. – к.т.н., доцент кафедры ПЭОТ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель работы…………………………………………………………………….3

2. Краткие теоретические сведения……………………………………………...3

3. Методика лабораторной работы и описание установки…………………….8

4. Порядок выполнения работы………………………………………………….9

5. Порядок проведения расчетов………………………………………………..10

6. Пример выполнения расчетов………………………………………………..11

7. Содержание отчета……………………………………………………………13

8. Контрольные вопросы………………………………………………………...15

Библиографический список……………………………………………………..15

ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………..……....16

1. Цель работы

Ознакомление с методикой измерения направления и скорости ветра, а также современным метеорологическим оборудованием, которое используется при этом.

2. Краткие теоретические сведения

Воздух, образующий земную атмосферу, находится в беспрерывном движении. Движения воздуха могут характеризоваться различными масштабами (от местного до глобального). При этом они всегда происходят по замкнутым траекториям, вследствие чего совокупность всех подобных движений в атмосфере называется общей атмосферной циркуляцией.

Горизонтальные составляющие подобных движений называются ветрами. Основными их количественными характеристиками являются мгновенные и средние скорости, а также направления. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду и километрах в час. Его направление определяется стороной горизонта, откуда он дует, и измеряется в градусах либо румбах.

Качественно характеристикой ветра является его сила, которая измеряется в баллах по шкале Бофорта.

Роль атмосферной циркуляции в биосфере определяется следующим. Атмосферная циркуляция – это фактор:

1. Климатообразующий и экологический. В результате различных движений воздуха в атмосфере переносится тепло, влага, а также любые, содержащиеся в ней вещества, вследствие чего регулируется климат и экологические условия.

2. Разрушительный. Ветры вызывают эрозию почв, обвалы и снежные лавины в горах, ломают ветви деревьев, поднимают волнение на водоемах, разрушают их берега, топят корабли, вызывают наводнения, разрушают здания и инженерные сооружения и вызывают аварии транспортных средств.

3. Энергетический. Ветер – практически неисчерпаемый источник энергии, функционирующий в любой точке нашей планеты и на большинстве небесных тел солнечной системы.

4. Электризующий. Движение воздуха вызывает электризацию любых поверхностей, о которые он трется, что приводит к возникновению гроз и других электрических явлений в атмосфере.

5. Перемешивающий. Взаимодействие ветра с подстилающей поверхностью вызывает образование турбулентного пограничного слоя, в котором существенно возрастает интенсивность тепло – и массообмена этой поверхности с воздушной средой, а также инициирует в атмосфере волновые процессы.

6. Вихреобразующий. В результате потери устойчивости воздушных течений в атмосфере возникают вихри различных масштабов. При этом механическая энергия передается от движений с большими пространственными масштабами, к движениям с меньшими масштабами.

7. Прогностический. Движения воздуха обладают весьма малой инерционностью. Изменения характеристик атмосферной циркуляции являются самыми ранними проявлениями многих процессов, проявляющихся в земной атмосфере. Поэтому выявление подобных изменений является эффективным методом их прогнозирования.

Непосредственной причиной возникновения ветра является неравномерное распределение атмосферного давления по поверхности планеты, обусловленное пространственной изменчивостью поля температуры. Если бы наша планета не вращалась, то воздух всегда перемещался бы из области с более высоким давлением в область с более низким давлением. Он приводился бы в движение силой барического градиента ( ). Если считать массу частицы равной единице, то ве­личина этой силы определится формулой:

= (Р₂-Р₁)/М, (1)

где Р_{1, 2} - атмосферное давление в точках 1 и 2, а М – расстояние между ними.

Эта сила направлена из области с большим давлением в область с меньшим давлением. Так как наша планета вращается, на движения воздуха действуют и иные силы, вследствие чего его траектория всегда отличается от прямолинейной..

Одной из них является сила Кориолиса - разновидность силы инерции, обусловленная вращением Земли. Силу эту впервые описал Гаспа́р-Гюста́в де Кориоли́с (1792—1843).Горизонтальная составляющая силы Кориолиса всегда направлена под углом 90^о к силе барического градиента и оп­ределяется формулой:

, (2)

где - угловая скорость вращения Земли, - географическая широта, - скорость ветра. В северном полушарии ускорение Кориолиса отклоняет любое воздушное течение вправо, а в южном направлении - влево. Из формулы видно, что при отсутствии движения ( =0) и на экваторе, где = 0, сила =0.

- сила трения. На движущиеся частицы воздуха оказывает действие также сила трения, которая замедляет и изменяет направление движения. Трение в воздушной массе состоит из внешнего и внутреннего. Внешнее трение вызывает­ся задерживающим действием подстилающей поверхности на нижние слои воздуха. Величина силы внешнего трения про­порциональна скорости ветра и направлена в сторону, проти­воположную движению:

, (3)

где – коэффициент трения, зависящий от характера под­стилающей поверхности. Над водной поверхностью к примерно в четыре раза меньше, чем над сушей. Знак минус указывает на то, что сила трения направлена в сторону, противополож­ную движению.

Действие внутреннего трения состоит в том, что соседние воздушные слои и частицы воздуха, обладающие различной скоростью движения, оказывают влияние друг на друга. Дви­жение становится турбулентным. Установлено, что сила трения у поверхности Земли, состоящая из внешнего и внутреннего трения, направлена не строго противоположно направлению движения, а с отклонением влево от вектора на угол 15— 20°.

- центробежная сила. Эта сила возникает при движении частиц воздуха по криволинейной траектории. Она определяется по формуле:

, (4)

где r – радиус кривизны траектории. Центробежная сила направлена по радиусу кривизны в сторону ее выпуклости. Ве­личина ее в условиях атмосферы обычно мала, так как траек­тории частиц имеют малую кривизну, поэтому эту силу можно не учитывать.

Для характеристики поля ветра у поверхности Земли стро­ят карты его средних значений, вычисленных за многолетний период наблюдений. На эти карты наносят результирующие векторы преобладающих потоков воздуха, которые характери­зуют их устойчивость. Для более детальной характеристики распределения ветра строят диаграммы, изображающие повто­ряемость каждого из наблюдаемых направлений ветра (часто их называют розой ветров).

Анализ таких карт показывает, что система ветров над по­верхностью Мирового океана строго соответствует распределе­нию атмосферного давления. Над материками на поле скорости ветра существенно влияет их рельеф.

В зависимости от масштабов территорий, над которыми характеристики ветров остаются практически неизменными, различают ветры глобальные, региональные и местные.

Примером глобальных ветров являются пассаты - ветры, дующие всегда с востока на запад в обоих полушариях между параллелями 5 и 25 градусов северной и южной широты, от поверхности океана до высоты 1—4 км, с практически постоянной скоростью 4-8 м/с.

Вследствие действия солнечных лучей в экваториальной полосе нижние слои атмосферы, сильнее нагреваясь, поднимаются вверх и стремятся по направлению к полюсам, между тем как внизу приходят новые более холодные потоки воздуха с севера и с юга; вследствие суточного вращения Земли согласно силе Кориолиса эти течения воздуха принимают в Северном полушарии направление в сторону юго-запада (северо-восточный пассат), а в Южном полушарии — направление на северо-запад (юго-восточный пассат).

Типичными региональными и сезонными ветрами являются зимний и летний муссоны. Зимний муссон сухой и холодный, действует с суши в океан. Летний муссон несет большое количество влаги с океана на сушу.

Слово муссон происходит от арабского «маусим», что значит сезон. В течение многих столетий арабские моряки называли этим словом систему ветров над Аравийским морем и Бенгальским заливом. В летние месяцы там дуют ветры с юго-запада, а в зимние – с северо-востока.

Внимание, которое в течение столетий в разных частях мира уделяется муссонам, связано не только с сезонной сменой преобладающих ветров, но и с закономерностями выпадения дождей в период муссона. Отсутствие муссонных дождей приводит к засухам, потере урожая, обмелению рек. В то же время слишком интенсивный муссон с бурными, продолжительными ливнями вызывает наводнения.

Причинами муссонов и смены их направления являются сезонные изменения потока солнечной излучения, поступающего на земную поверхность, а также различия теплоемкости суши и океана.

Муссоны распространены в тропиках на огромных территориях от Западной Африки до Юго-Восточной Азии и Индонезии. Муссонная составляющая общей циркуляции атмосферы оказывает существенное влияние и на формирование климата восточных районов азиатского побережья России. Наиболее четко такой муссонный перенос и смена материкового и морского влияния выражены на юге Дальнего Востока и особенно в Приморском крае.

В этом регионе муссоны бывают зимние и летние: Азия «выдыхает» воздух зимой и «вдыхает» летом. Зимой наиболее ярко проявляется влияние континента. По мере остывания Евразийского материка над ним все чаще формируются области высокого атмосферного давления. Преобладание таких областей ведет к тому, что на картах атмосферного давления при осреднении за зимние месяцы здесь прослеживается огромная область высокого давления, названная сибирским или азиатским антициклоном. В это время здесь формируется мощный северо-западный поток континентального воздуха, с вертикальной мощностью до 4 км – зимний муссон.

Местные ветры:

Бриз — ветер хорошей погоды, дующий с берега на море ночью и с моря на берег днём; в первом случае называется береговым бризом, а во втором — морским.

Бора — холодный, осенний, резкий и очень сильный ветер, дующий с гор на морское побережье. Для того, чтобы сформировалась бора нужны осень, море и горы.

Фён — сильный тёплый и сухой ветер, дующий с гор на побережье или долину. Фён - предвестник резкого ухудшения погоды в горах.

Суховей, Самум, Хамсин, Сирокко — сильные жаркие и сухие ветры в пустынях, полупустынях и степях, губительные для растений, животных и людей.

В соответствии с ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» пункт 8.6.2 и 8.6.3 размеры санитарно-защитной зоны предприятия должны уточняться отдельно для различных направлений ветра в зависимости от результатов расчета загрязнения атмосферы и среднегодовой розы ветров района расположения предприятия по формуле:

(5)

где (м) - расчетный размер санитарно-защитной зоны предприятия; (м) - расчетный размер участка местности в данном направлении, где концентрация вредных веществ (с учетом фоновой концентрации от других источников) превышает ПДК; (%) - среднегодовая повторяемость направления ветров рассматриваемого румба; (%) - повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров. Значения и отсчитываются от границы источников.