Лабораторна робота №8 сила і швидкість вітру

Мета роботи: проаналізувати основні характеристики вітру та вітрового режиму, навчитися розв’язувати задачі.

Матеріали та обладнання: кліматичний атлас, кліматичний до­відник, метеорологічні щомісячники, лінійка, олівці.

Рекомендована література: [2], [8]-[10], [12], [13].

Загальні відомості з теми

Вітер — горизонтальний рух повітря над поверхнею Землі. Його характеризують швидкістю, силою, напрямом.

Швидкість вітру — числовий вектор. Це відстань, яку проходить частинка повітря за одиницю часу. Вимірюють швидкість вітру в метрах за секунду (м/с), кілометрах за годину (км/год), вузлах (морська міра). Для переведення: 1 м/с = 3,6 км/год, 1 вузол = 0,5 м/с. Середня швидкість вітру між двома пунктами орієнтовно дорівнює потроєній величині горизонтального баричного градієнта, вираженого у гектопаскалях.

Сила вітру — тиск повітряного потоку на предмети:

Р = 0,25·V², (19)

де Р — сила вітру, кг/м²; V — швидкість вітру, м/с.

Інакше сила вітру — це його швидкість, виражена в умовних одиницях (балах). За шкалою Бофорта встановлено 12 балів сили вітру (табл. 9).

Емпіричний зв’язок між числом балів (В) і швидкістю вітру такий:

V = 2В-1, (20)

де В — число балів (до восьми).

Напрям вітру характеризують тією стороною горизонту, звідки він дме. Його записують у градусах кута між напрямом географіч­ного меридіана і вектором вітру (азимутом) або в румбах за 16-румбовою системою. Розрізняють 8 основних румбів (напрямів) з одно- і двобуквеними позначеннями (наприклад, північний — Пн, південно-західний — ПдЗ) і 8 проміжних — з трибуквеними позна­ченнями (наприклад, північно-північно-західний — ПнПнЗ, східно-південно-східний — СПдС).

Таблиця 9. Шкала сили вітру

Бали Бофорта	Швидкість вітру м/c	Характеристика	Дія вітру
0	< 0.3	Штиль	Повна відсутність вітру. Дим піднімається прямовисно. Листя дерев нерухомі.
1	0.3–1.5	Тихий	Дим «пливе». Флюгер не обертається.
2	1.6–3.4	Легкий	Рух повітря відчувається обличчям. Шелестить листя. Флюгер обертається.
3	3.4–5.4	Слабкий	Тріпоче листя, хитаються дрібні гілки. Майорять прапори.
4	5.5–7.9	Помірний	Хитаються тонкі гілки дерев. Вітер піднімає пил та шматки паперу.
5	8.0–10.7	Свіжий	Хитаються великі гілки. На воді з'являються хвилі.
6	10.8–13.8	Сильний	Хитаються великі гілки
7	13.9–17.1	Міцний	Хитаються невеликі стовбури дерев На морі здіймаються хвилі, що піняться.
8	17.2–20.7	Дуже міцний	Ламаються гілки дерев. і важко йти проти вітру.
9	20.8–24.4	Шторм	Невеликі руйнування. Зриває черепицю, руйнує димарі
10	24.5–28.4	Сильний шторм	Значні руйнування. Дерева вириваються з корінням
11	28.5–32.6	Жорстокий шторм	Великі руйнування
12	≥ 32.7	Ураган	Призводить до спустошень

Вітровий режим території залежить від особливостей циркуляції атмосфери і характеру підстилаючої поверхні Землі: висоти, експо­зиції схилів відносно напряму повітряного потоку тощо.

Наочним зображенням вітрового режиму пункту є роза вітрів — діаграма повторюваності вітру по напрямах горизонту за певний проміжок часу (добу, декаду, місяць, сезон).

Побудова рози вітрів складається з трьох етапів: 1) обчислення повторюваності (числа випадків) вітру для 8 румбів; 2) побудови діаграми; 3) її аналізу.

Спочатку (1 етап) переводять результати спостережень за віт­ром з 16 румбів на 8. Для цього у таблицю по горизонталі випису­ють число випадків вітру для 16 напрямів. Щоб виключити проміж­ні (трибуквені) румби, їх парну кількість ділять на два і кожну половину додають до сусіднього румба зліва і справа. Якщо число випадків непарне, зайву одиницю додають до того сусіднього румба, який має більше число випадків. Якщо число випадків на су­сідніх румбах однакове, зайву одиницю додають до правого румба.

Потім визначають загальну повторюваність вітру кожного рум­ба з рознесеними величинами. Ці характеристики вітру визначають далі в процентах від загального числа випадків з вітром усіх на­прямів (без штилів), прийнятого за 100%.

Повторюваність штилів — безвітря або затишшя (при швидкості вітру до 0,2 м/с) обчислюють у процентах від загального числа спостережень за вітром разом із штилями.

Приклад 1. Обчислити середню місячну повторюваність (%) вітру ос­новних напрямів за наведеними даними табл. 10.

Розв’язання. У табл. 10 записуємо підраховане раніше число випадків вітру за місяць по 16 румбах.

Далі розносимо повторюваність проміжних румбів на сусідні. Так, ПнПнС вітер має 6 випадків. З них по 3 випадки додаємо до Пн і ПнС вітрів. Із СПнС вітру 4 випадки додаємо до ПнС, а три — до С вітру і т. д.

Повторюваність вітру в процентах обчислюємо від загальної кількості спо­стережень за вітром усіх напрямів (131), яку приймаємо за 100%. Так, повто­рюваність Пн вітру

П=13·100 = 10% 131

Повторюваність штилів обчислюємо від загальної суми спостережень за віт­ром (140):

Пш= 9·100 = 6% 140

Таблиця 10. Обчислення повторюваності напрямів вітру

Пн

ПнПнС

ПнС

СПнС

С

СПдС

ПдС

ПдПдС

Пд

ПдПдЗ

ПдЗ

ЗПдЗ

З

ЗПнЗ

ПнЗ

ПнПнЗ

Всього

Штиль

Число випадків Разом Повторю-ваність, %

6 +3 +4 13 10

6

8 +3 +4 15 11

7

4 +3 +2 9 7

5

7 +3 +3 13 10

6

8 +3 +6 17 13

13

8 +7 +6 21 20

12

14 +6 +6 26 20

11

8 +5 +4 17 13

8

131 131 100

9 140 6

Далі переходять до 2 етапу — побудови рози вітрів. Спочатку з центра олівцем проводять 8 прямих, які показують основні напря­ми горизонту. В точці перетину променів проводять коло діаметром до 1 см. Від кола відкладають повторюваність вітру кожного напряму за вибраним масштабом. Кінці відрізків з’єднують прямими. В центральному колі записують процент штилів. Розу вітрів можна будувати також безпосередньо за числом випадків кожного на­пряму.

Ці діаграми можна перетворити в комплексні, доповнивши їх да­ними про середні швидкості, температури, вологість повітря або суми опадів для кожного напряму. Їх будують на одній основі, ви­користовуючи різні масштаби.

Під час аналізу рози вітрів (3 етап) виявляють переважаючі напрями вітру для даного пункту, зіставляють вітрові режими у різних пунктах та ін. На станціях швидкість і напрям вітру визна­чають за допомогою флюгера [9].

Завдання

1. Знайдіть характеристики вітру за поданими даними: а) середню швидкість вітру між пунктами А і В; б) тиск по­вітряного потоку (в кг/м²); в) переведіть добуті середні швидкості вітру з метрів за секунду в кілометри за годину, у вузли, бали. Дай­те назви цим вітрам, використавши дані табл. 9.

а) б) в)	Пункт А	Пункт В	Відстань, км
	Р = 1022,2 Р = 988,4 Р = 992,7	Р = 1018,4 Р = 1005,9 Р = 1000,5	n = 380 n = 440 n = 125

2. Опишіть вітровий режим в одному з пунктів України за даними спостережень (табл. 11): а) обчисліть число випадків вітру для 8 румбів для кожного місяця і року; б) обчисліть повторюваність 8 напрямів вітру в процентах для ко­жного місяця і року; в) побудуйте рози вітрів для всіх місяців і ро­ку у масштабі 1 мм = 1%; г) проаналізуйте вітровий режим у ви­браних пунктах протягом року.

Таблиця 11. Середня місячна повторюваність вітру різних напрямів (число випадків) і штиль, %

Станція	Пн	ПнПнС	ПнС	СПнС	С	СПдС	ПдС	ПдПдС	Пд	ПдПдЗ	ПдЗ	ЗПдЗ	З	ЗПнЗ	ПнЗ	ПнПнЗ	Штиль
Луцьк	2	1	2	0	0	0	1	11	3	3	26	20	20	4	6	1	3
Львів	3	0	1	2	1	3	13	0	4	2	13	23	26	8	2	0	12
Івано-Франківськ	1	0	0	0	2	10	4	2	3	3	3	6	27	18	16	4	29
Ужгород	7	2	1	3	7	14	32	12	8	1	1	2	2	2	2	4	22
Чернівці	2	0	1	1	9	5	10	1	3	3	9	4	10	17	24	2	3
Чернігів	2	1	1	0	0	0	0	5	11	12	18	13	19	12	4	1	5
Житомир	1	1	2	1	0	0	3	6	4	4	20	9	20	21	5	3	2
Київ	2	1	0	1	0	1	3	7	4	10	10	18	18	15	7	4	10
Черкаси	0	0	0	0	1	1	2	4	14	16	12	12	15	14	7	6	6
Кіровоград	3	0	0	0	0	0	1	13	9	9	10	9	18	13	9	5	2
Одеса	2	6	3	2	1	10	2	1	2	3	6	6	14	19	14	9	0
Херсон	10	1	2	2	5	9	5	4	4	5	14	11	11	7	7	3	3

3. Напишіть реферат на тему «Використання енергії вітру в на­родному господарстві».

Контрольні запитання. 1. Що таке турбулентність, як вона впливає на вітер? 2. Які сили впливають на вітер біля поверхні Землі і на висотах? 3. Що таке геострофічний і градієнтний вітер? 4. Як змінюється швидкість вітру з висотою? Від чого залежать ці зміни? 5. Описати баричний закон вітру (закон Бюйс-Балло). 6. Якими приладами вимірюють вітер в стаціонарних і експедиційних умовах?