Лабораторна робота 7

Вітер, характеристики вітру, прилади для вимірювання швидкості і напрямку вітру, спостереження, обробка інформації, побудова рози вітрів

Мета роботи: Ознайомлення з характеристиками визначення вітру, будовою приладів для визначення напряму і швидкості вітру та правилами користування ними, порядком спостережень і обробки інформації

Прилади та обладнання: Флюгер, анемометр ручний чашковий МС-13, анеморумбометр М63М-1, анеморумбограф М63 МР

Загальні положення

Вітром називають процес переміщення повітряних мас у горизонтальному напрямі, який виникає внаслідок перепаду атмосферного тиску над різними поверхнями. Вітер характеризується трьома параметрами: напрямом, швидкістю і силою.

Напрям вітру визначають за стороною світу звідки він дме і вимірюється у румбах, або градусах. Для визначення напряму вітру в метеорології користуються 16 румбами, назва яких відмічається початковими літерами російського алфавіту, при цьому чотири основних румба позначують назву сторін світу: север (С), юг (Ю), восток (В), запад (З). При визначенні проміжних румбів називаються обидва румба, між якими знаходиться даний напрям вітру. При цьому першим називається завжди основний румб: С, Ю, В, З (табл. 7.1)

В авіації при розрахунках використовують навігаційний вітер. Його напрям визначають за тією частиною горизонту, куди направлений повітряний потік. Напрям навігаційного вітру відрізняється від виміряного напрямку на 180°.

Графічне зображення повторюваності напрямку вітру називають розою вітрів.

Швидкість вітру – це відстань в метрах, яку проходить повітряна маса за одиницю часу (секунду). Швидкість вітру залежить головним чином від величини горизонтального баричного градієнту, умов циркуляції атмосфери, характеру підстилаючої поверхні. Звичайно швидкість вітру визначається у м/с.

В авіації і мореплаванні використовуєть друга одиниця вимірювання – км/год. В деяких країнах використовується англійські милі за годину і морські милі за годину (вузли).

Співвідношення між ними:

1м/с = 3,6км/год =2,237милі/год =1,943вузла.

1км/год =0,278м/с =0,621милі/год =0,540вузла.

Таблиця 7.1

Назва і позначення румбів

Російська назва	Позначення буквами	Градуси	Міжнародна назва	Позначення буквами	Позначення в цифрах коду
Север (північ)	С (Пн)	0 або 360	Норд	N	00 (36)
Северо-северо-восток (північно-північно-східний)	ССВ (ПнПнСх)	22,5	Норд-норд-ест	NNE	02
Северо-восток (північно-східний)	СВ (ПнСх)	45,0	Норд-ест	NE	04
Восток-северо-восток (східно-північно-східний)	ВСВ (СхПнСх)	67,5	Ест-норд-ест	ENE	07
Восток (східний)	В (Сх)	90,0	Ест	E	09
Восток-юго-восток (східно-південно-східний)	ВЮВ (СхПдСх)	112,5	Ест-зюд-ест	ESE	11
Юго-восток (південно-східний)	ЮВ (ПдСх)	135,0	Зюд-ест	SE	14
Юго-юго-восток (південно-південно-східний)	ЮЮВ (ПдПдСх)	157,5	Зюд-зюд-ест	SSE	16
Юг (південний)	Ю (Пд)	180,0	Зюд	S	18
Юго-юго-запад (південно-південно-західний)	ЮЮЗ (ПдПдЗх)	202,5	Зюд-зюд-вест	SSW	20
Юго-запад (південно-західний)	ЮЗ (ПдЗх)	225,0	Зюд-вест	SW	22
Запад-юго-запад (західно-південно-західний)	ЗЮЗ (ЗхПдЗх)	247,5	Вест-зюд-вест	WSW	25
Запад (західний)	З (Зх)	270,0	Вест	W	27
Запад-северо-запад (західно-північно-західний)	ЗСЗ (ЗхПнЗх)	295,5	Вест-норд-вест	WNW	29
Северо-запад (північно-західний)	СЗ (ПнЗх)	315,0	Норд-вест	NW	32
Северо-северо-запад (північно-північно-західний)	ССЗ (ПнПнЗх)	337,5	Норд-норд-вест	NNW	34

Рис. 7.1. Положення румбів

Для візуальної оцінки швидкості вітру користуються балами по шкалі, яка введена в 1806р. адміралом Бофортом. За цією шкалою весь інтервал можливих швидкостей вітру розподіляється на 12 градацій. Ця шкала сполучає швидкість вітру з різними його ефектами, такими як ступінь хвилювання, гойдання гілок дерев і т.ін.

Таблиця 7.2

Шкала Бофорта для визначення сили вітру

Бали	Швидкість вітру, м/с	Терміни,які визначають силу вітру
0	0	штиль
4	5-7	помірний
7	12-15	сильний
9 12	18-21 >29	шторм ураган

На гідрометеорологічних станціях визначають середнє значення швидкості і напряму вітру за 2 хвилини спостережень. Крім швидкості і напряму вітру дається характеристика вітру: по швидкості – поривчастий або рівний; по напряму – мінливий або постійний.

Коли напрям вітру протягом 2 хвилин змінюється більше, ніж на 1 румб, то це-мінливий вітер. Коли швидкість вітру протягом 2 хвилин змінюється на 4 м/с і більше, то це – поривчастий вітер. Короткочасне посилення вітру до 20 м/с і більше із значною зміною напряму називається шквалом.

Прилади для вимірювання швидкості і напряму вітру

Флюгер Вільда – один з найбільш розповсюджених приладів для спостережен-ня за направленням і швидкістю вітру. Спостереження за напрямом і швидкістю вітру на гідрометеорологічних станціях виконують за допомогою флюгера з легкою, або важкою дошкою (флюгери ФВЛ і ФВТ). Флюгер типу ФВЛ застосовують при швидкості вітру менше 20 м/с, а типу ФВТ – при швидкості вітру до 40м/с. Флюгер – станційний прилад, який встановлюють на метеомайданчику на висоті 1

Рис.7.2. Флюгер Вільда

0-12 м [1].

Принцип дії флюгерів полягає у використанні тиску повітряного потоку на перпендикулярну поверхню. Флюгери ФВЛ і ФВТ мають однакову конструкцію і різняться лише масою дошки показника швидкості вітру, яка становить 200 г у приладу першого типу та 800 г – у другого. Перший служить для вимірювання швидкості вітру до 20 м/с, другий – до 40 м/с. Обидва прилади складаються з нерухомих і рухомих опорних частин.

До нерухомої частини входять дві згвинчені між собою стінки і втулка із штифтами, орієнтованими за сторонами світу.

До рухомої частини входять показники швидкості і напряму вітру. Показник швидкості вітру складається з дошки, дуги з радіально розташованими штифтами і противаги, а показник напряму вітру – із втулки, стержня, противаги-показника і двох розкрилків. Розкрилки під дією повітряного потоку орієнтують противагу-показник у напрямку вітру, який визначають за штифтами-румбами.

На рис. 7.2 зображено флюгер Вільда. Показником напрямку вітру є флюгарка – металева трубка (1) з розкрилками (2) і противагою-показником (3), яка насаджена на металевий стержень, загвинчений у стовп. Флюгарка вільно обертається на стержні і при зміні напрямку вітру встановлюється за вітром таким чином, що положення противаги (3) показує той напрямок звідки дме вітер. Для орієнтації напрямку по країнам світу на нижню потовщену частину нерухомого стержня флюгера надіта муфта (4) з вісьмома загвинченими в неї металевими прутами. До прута, зверненого на північ прироблена металева літера N або С.

Показник швидкості вітру закріплений на верху трубки (1). Він складається із дошки (5) і рами з дугою (6), що обладнана вісьмома штифтами. Дошка може вільно коливатись коло горизонтальної вісі (7), яка має противагу (8), зроблену у вигляді диску. Рама з дошкою закріплена на трубці таким чином, щоб дошка (5) і дуга із штифтами (6) знаходячимися на тому ж боці трубки де і розкрилки флюгарки, а площина вертикально висячої дошки перпендикулярна флюгарці.

Завдяки флюгарці вісь обертання дошки завжди встановлюється перпенди-кулярно напрямку вітру. Діючи на дошку вітер відхиляє її від підвісного положення тим більше, чим більша його швидкість.

Величина відхилення дошки визначається по положенню її ребра відносно штифтів. Під дією вітру дошка відхиляється на той чи інший кут в залежності від швидкості вітру. Положення дошки відраховується по дузі, яка закріплена на одному кінці горизонтальної вісі. Дуга має вісім штифтів від 0 до 7. При цьому для зручності непарні штифти коротші парних. При спостереженнях за швидкістю вітру відраховують положення дошки по дузі, тобто записують номер штифта коло якого знаходиться дошка. Потім по перевідній таблиці, яка складена на основі залежності між швидкістю вітру (м/с) і кутом відхилення дошки, визначається швидкість вітру, м/с. (табл. 7.3)

Флюгери з легкою дошкою встановлюються на всіх гідрометеорологічних станціях. У місцях, де спостерігаються вітри великих швидкостей крім флюгера з легкою дошкою, встановлюється на окремому стовпі другий флюгер з важкою дошкою.

Таблиця 7.3

Швидкості вітру (м/с), які визначаються за положенням легкої (200г) і важкої (800г) дошки флюгера

Положення дошки відносно штифтів	Швидкість вітру при дошках		Положення дошки відносно штифтів	Швидкість вітру при дошках
	Легкій	важкій		легкій	важкій
Штифт 0	0	0	Штифт 4	8	14
Між 0 і 1	1	2	Між штифтами 4і5	9	18
Штифт 1	2	4	Штифт 5	10	20
Між штифтами 1і2	3	6	Між штифтами 5і6	12	24
Штифт 2	4	8	Штифт 6	14	28
Між штифтами 2і3	5	10	Між штифтами 6і7	17	34
Штифт 3 Між штифтами 3і4	6 7	12 14	Штифт 7	20	40

Встановлення флюгера. Флюгер повинен займати таке положення, щоб вітер з усіх боків міг без перешкод впливати на нього. Тому його встановлюють на відкритому місці на значному віддаленні від споруд, дерев, лісу і інших більш-менш високих предметів.

Невисокі окремі перешкоди: окремі дерева, споруди, башти і т. ін. можуть знаходитися на відстані десятикратної висоти цих перешкод.

Великі перешкоди, які перебільшують флюгер і мають значну протяжність (ліси, великі групи будівель, безперервні лінії будівель) – повинні бути віддалені від встановлення флюгера на відстані не менше двадцятикратної висоти цих перешкод. При встановленні флюгера необхідно уникати таких місць, де можливо очікувати викривлення вітру (наприклад, поблизу, або на краю ярів на дахах будівель і т. ін.).

Флюгер встановлюється суворо вертикально на дерев’яному стовпі або металевій щоглі на висоті 10-12 м. Дерев’яний стовп повинен бути міцно закріпленим і мати розтяжки. Для підйому на вершину стовпа в нього забивають залізні костилі. Металева щогла стандартного типу (рис.7.2) повинна бути міцно закріплена двома рядами розтяжок.

Спостереження за напрямом і швидкістю вітру по флюгеру

Для визначення напряму вітру (звідки дме) спостерігач підходить до стовпа на якому встановлена флюгарка, і спостерігає на протязі 2хв. за положенням противаги-кулі флюгарки відносно штифтів, орієнтованих за сторонами світу, і візуально визначає румб, який є середнім показником коливань. Для визначення швидкості вітру спостерігач повинен відійти від стовпа флюгера у напрямку перпендикулярному до положення флюгарки. Швидкість вітру безперервно змінюється, тому необхідно спостерігати за зміною положення дошки флюгера обов’язково на протязі двох повних хвилин. Спостерігач повинен визначити середнє положення дошки середню швидкість і максимальне граничне відхилення (пориви), яке вона займала на протязі двох хвилин. Потім швидкість вітру переводиться в м/с.

Крім визначення напряму і швидкості вітру дається характеристика вітру по швидкості – рівний або поривчатий; по напряму постійний або мінливий.

Рівним називається вітер у тому випадку, коли його швидкість на протязі часу спостережень (2 хв.) залишається більш-менш постійною: коливання дошки флюгера обмежені двома сусідніми штифтами або дошка коливається коло одного штифта. Вітер називається поривчатим якщо його швидкість на протязі часу спостережень різко змінюється, швидко зростає до певного максимуму, а потім зменшується.

Напрям вітру приймається постійним у тому випадку якщо він за час спостережень (2 хв.) утримується в межах одного румбу. Мінливим по напряму характеризується вітер у тому випадку, якщо за час спостережень його напрямок змінювався більш ніж на 1 румб.

Спостереження за напрямом і швидкістю вітру на метеорологічний станціях виконується у основні кліматологічні строки (1,13,19 год), а також у синоптичні строки (3,9,15,21 год) і записують у книжку КМ-1 у графи «флюгер» і «характеристика вітру».

У графу «флюгер» записується напрям вітру. Поряд записується швидкість вітру; спочатку вказується номер штифта, біля якого спостерігалось середнє положення дошки флюгера з додатком літери «л», якщо спостереження виконувалось по флюгеру з легкою дошкою, і літери «в», якщо спостереження виконувалось по флюгеру з важкою дошкою. У дужках проставляється швидкість вітру у м/с, яку визначають за допомогою перевідної таблиці 7.3.

Наприклад: NE 3-4л (7 м/с), S 6 в (28 м/с) і т. д.

При сильному вітрі фіксують також крайнє положення дошки, куди вона доходить протягом 2 хв.

Коли дошка стоїть зовсім нерухомо і руху повітря не відчувається, у книжку записується 0 без значення напрямку. Якщо спостерігається незначний рух повітря відмічається напрям цього вітру із указанням яким способом він визначений, наприклад «NE по диму». У другому рядку книжки КМ-1 у графі «характеристика вітру» записується словами характеристика вітру по напрямку і швидкості.

Анемометр ручний чашковий МС-13 призначений для визначення середньої швидкості вітру від 1 до 20 м/с за певний проміжок часу, (рис. 7.3)

Цей прилад облаштований наступним чином: невелика вертушка з чотирма напівсферичними чашками (1) закріплена на вісі (2), обидва кінці якого опираються на підшипники. Верхній підшипник вісі (2) знаходиться у гвинті, який загвинчений у гніздо у верху захисних дужок (3), нижній підшипник знаходиться в середині корпусу (4). На нижньому кінці вісі є черв’як (5), який з

Рис. 7.3 Анемометр ручний чашковий

’єднує вісь (2) з лічильником обертань. Лічильник складається із зубчатих коліс, з’єднаних з трьома стрілками, які при обертанні вертушки переміщуються по трьом шкалам. Переміщення стрілки на одне із ста поділок великої шкали відповідає трьом обертанням вертушки, кожні поділки маленьких шкал відповідають одна десяти, а друга ста обертам великої стрілки. Збоку у кожуха анемометра виступає рухоме кільце (6), за допомогою якого можна включати або виключати лічильник. Чашки анемометра мають захист у вигляді дротяної хрестовини. У нижній частині приладу є гвинт (7) з нарізкою для загвинчування його у дерево. Прилад вкладається у футляр.

Для вимірювання швидкості вітру ручним анемометром його загвинчують у дерев’яну жердину близько двох метрів і утримують на витягнутій руці таким чином, щоб він був повернутий циферблатом перпендикулярно напряму вітру. Перед спостереженням при вимкнутому лічильнику записують початковий показник анемометру, тобто положення всіх трьох стрілок на циферблаті (одиниці, сотні, тисячі) і встановлюють анемометр на заданій висоті. Через одну-дві хвилини, коли швидкість обертання півкуль встановлюється, включають лічильник анемометра повертанням кільця угору, і одночасно включать секундомір. Через певний час (на практиці найчастіше анемометр включають на 100 сек.) лічильник вимикають (кільце обертають вниз) і знову записують показання приладу (одиниці, сотні, тисячі) і час роботи приладу у секундах. Секундомір вмикають і вимикають одночасно з анемометром.

Різниця у відліках до спостережень і після спостереження розділена на час роботи приладу дає кількість поділок лічильника анемометра у секунду. Для перерахунку кількості обертань лічильника анемометра у величину швидкості вітру кожний анемометр повинен бути перевірений і оснащений повірочним свідоцтвом, в якому дається переведення показників лічильника даного анемометра у швидкість вітру (м/с).

Приклад: Відлік по анемометру перед спостереженням – 7582, після спостережень – 7982. Анемометр вмикався на 100сек.

1. Знаходимо кількість поділок лічильника в одну секунду:

(7982-7582)/100=4.

2. Із повірочного свідоцтва визначаємо швидкість вітру в м/с:

чотирьом поділкам лічильника відповідає швидкість вітру – 3,8м/с.

Вітромір Третьякова – це прилад для визначення швидкості і напряму вітру в польових умовах. За принципом дії він нагадує флюгер. Вітромір включає: флюгарку, яка надягнута на вертикальний стержень, ложкоподібну металеву пластину з противагою. Флюгарка, за допомогою якої визначають напрям вітру, має вигляд хвилястої увігнутої пластинки з противагою. Під дією вітру пластина з противагою відхиляється на певний кут. Положення пластини визначають за шкалою, поділки на якій нанесені у м/с. Вітромір встановлюють вертикально на спеціальній підставці або дерев’яній палиці необхідної висоти. Спостереження по вітроміру нічим не відрізняються від спостережень за флюгером. Точність вимірювання швидкості вітру по вітроміру складає 0,5 м/с (в інтервалі від 1 до 6 м/с) і 1 м/с при швидкості понад 6 м/с.

Швидкість вітру визначають за кутом відхилення

Анеморумбометр М63М-1 призначений для дистанційного вимірювання миттєвої, максимальної і середньої швидкості і напрямку вітру в стаціонарних умовах.

Принцип дії цього приладу полягає у використанні залежностей між швидкістю вітру і частотою обертання вертушки та між напрямом вітру і вільно орієнтованою флюгаркою датчика вітру. Цей дистанційний прилад складається із датчика, вказівника напряму і швидкості вітру і блоку живлення. Датчик складається із приймача, який реєструє швидкість вітру і положення флюгарки. Швидкість і напрям вітру перетворюються в електричні сигнали, які відлічують візуально за показами вимірювального пульта.

Анеморумбограф М-63 МР – призначений для вимірювання і реєстрації середньої, миттєвої і максимальної швидкостей та напряму вітру. Він виконаний на базі електронного автоматичного потенціометра КСП-4 –(реєстраційний пристрій) та анеморумбометра М63М-1. Принцип його роботи аналогічний принципу роботи анеморумбометра М63М-1.

Р

Рис. 7.4. Роза вітрів

оза вітрів. Для вирішення багатьох практичних задач і при кліматологічній обробці спостережень за вітром необхідно знати переважаючий напрям вітру для даної місцевості. Для визначення переважаючого напряму вітру необхідні тривалі спостереження. На основі щоденних спостережень складаються таблиці повторюваності напряму вітру по румбам (звичайно по восьми румбам). Повторюваність напряму вітру виражається у відсотках (%) або у кількості випадків. За 100% приймаються випадки усіх напрямів (румбів) без урахування штилів і розраховується відсоток повторюваності для кожного румба. Для конкретного даного пункту можливо побудувати діаграму, яка являє собою розподіл повторюваності напрямів вітру по основним румбам і вигляді так званої рози вітрів.

Для побудови рози вітрів із одної точки проводяться вісі, які відповідають напряму восьми румбів: С-Ю, З-В, СВ- ЮЗ, СЗ- ЮВ. Від початку координат відкладається напрям вітру по румбам горизонту (8 або 16) відрізками, довжина яких пропорційна повторюваності вітрів даного напряму. Кінці відрізків з’єднуються ломаною лінією. Повторюваність штилів визначається числом у центрі діаграми. При побудові рози вітрів можливо врахувати також середню швидкість вітру по кожному напряму, множачи її на повторюваність даного напряму. Тоді графік покаже в умовних одиницях кількість повітря, що переноситься вітрами кожного напряму. Румб, на якому відкладена найбільша кількість відсотків або випадків визначить переважаючий напрям вітру (рис. 7.4).

Приклад.

Напрям вітру (%) і середня кількість штилів за рік по метеостанції Губиниха Новомосковського району Дніпропетровської області

С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	Число штилів
12	11	8	9	12	20	15	14	4

На кліматичних картах визначається переважаючий напрям вітру. За переважаючий напрям вітру приймається середня лінія квадранта з найбільшою повторюваністю.

Завдання для лабораторної роботи

1. Визначити напрям вітру у румбах і назвати його, якщо повітряний потік рухається:

а) с севера на юг (з півночі на південь).

б) с запада-юго-запада на восток-северо-восток (з заходу-півдня-заходу на схід-північ схід).

в) с юго-юго-востока на северо-северо-запад (з півдня-півдня-сходу на північ-північ-захід).

Якщо точка горизонту звідки рухається повітряний потік знаходиться між:

г) западом-северо-западом (заходом-повніччю-заходом).

д) югом і юго-западом (півднем і південним-заходом).

е) северо і северо-востоком (північчю і північним-сходом).

2. Визначити у градусах окружності напрям вітру: ЮЗ, ВСВ, ЮЮВ, ЗСЗ, С. Визначити у румбах напрям вітру 26, 72, 144⁰ .

3. Перевести швидкості вітру з милі за годину у м/с, км/год і навпаки (варіанти завдань).

4. Побудувати розу вітрів (варіанти завдань – додаток И).

Питання для самоконтролю

1. Що називається вітром?

2. Які існують характеристики вітру і як вони визначаються?

3. За допомогою яких приладів вимірюється вітер і їх конструкція?

4. Конструкція флюгера, порядок, обробка і реєстрація спостережень.

5. Принцип дії анемометра чашкового, анеморумбометра і анеморумбографа.

6. Що називають розою вітрів і її побудова?

7. Для чого використовують шкалу Бофорта?