6.3: Управління напрямком і швидкістю вітру

Last updated
Save as PDF

Page ID: 38181

Michael E. Ritter
University of Wisconsin-Stevens Point via The Physical Environment

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Повітря постійно рухається, щоб шукати рівновагу між ділянками більшої кількості молекул повітря (більш високий тиск) та тими, у кого менше (нижчий тиск). Ви, напевно, відчули це, відкривши контейнер, який був упакований у вакуумі. Оскільки контейнер упакований у вакуумі, всередині банки менше повітря (нижчий тиск), ніж зовні банки (більш високий тиск). Коли ви відкриваєте контейнер, ви тут «вигук», як повітря спрямовується в нього. Повітря, що кидається ззовні контейнера в нього, є вітром, нехай і в мікромасштабі. Вітер - це не що інше, як рух молекул повітря з одного місця в інше. Напрямок і швидкість вітру являє собою баланс між трьома основними силами, що діють на нього: градієнтом тиску, силою Коріоліса і поверхневим тертям.

Градієнт тиску

Відстань ізобарів вказує на зміну тиску на відстань, інакше відому як градієнт тиску. Ми можемо викликати зміну тиску на відстані нерівномірним нагріванням поверхні Землі. Це можна зробити, коли одне місце отримує більше енергії, що надходить, ніж інше, можливо, тому, що одне місце має більший кут сонця, ніж інше. Нагрівання повітря в одному місці змушує його підніматися з поверхні, сприяючи низькому тиску, а тиск збільшується далеко від цього місця. Створення градієнта тиску спочатку змушує повітря текти від вищого до нижчого тиску, створюючи вітер. Отже, з точки зору причинно-наслідкового зв'язку:

Градієнт енергії -> градієнт температури -> градієнт тиску -> вітер

Орієнтація або напрямок градієнта тиску завжди описується як від вищого до нижчого тиску. Швидкість вітру контролюється силою градієнта тиску, чим сильніше градієнт тиску, тим вище швидкість вітру. Силу градієнта тиску можна розрізнити за інтервалом ізобарів на карті погоди. На малюнку PC.4 показано два різних градієнта тиску. Відстань між точками A і B і C і D однакові, але величина зміни тиску зовсім інша. Ви можете сказати, що градієнт тиску більший між A і B, оскільки відстань ізобарів набагато ближче, ніж між C і D. В результаті вітер дме набагато швидше між А і В.

Коріоліс Сила

Сила Коріоліса - це вплив обертання землі на напрямок вітру. Сила Коріоліса виникає з двох причин, спочатку наша спрямована система широти та довготи була зафіксована на обертовій землі. Таким чином, наша система відліку для спостереження за напрямком вільно рухається об'єкта над Землею постійно змінюється. Друга причина - величина повороту навколо вертикальної осі змінюється від максимуму на полюсах і мінімального на екваторі. Продемонструйте це, стоячи олівцем на північному полюсі і поверніть земну кулю. Олівець завершує одне повне обертання. Але стояння олівця дибки біля екватора і обертання землі не дає обертання навколо вертикальної осі. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показано відхилення, яке відчуває ракета при пострілі з Північного полюса в бік екватора. Оскільки Земля та ціль оберталися під вільно рухається ракетою, здається, що ракета відірвалася від курсу (змінила напрямок). Такий випадок для вітрів, що дме над поверхнею. Прогин працює так само для вітру схід-захід, шлях буде кривим вправо, коли він рухається по поверхні. Перейти до анімації Коріоліса Сила

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Вплив сили Коріоліса на вітер. (Надано NASA JPL, джерело)

Хоча повітря відхиляється праворуч від свого шляху в Північній півкулі, в Південній півкулі вітер відхиляється вліво від свого шляху. Чому різниця? Все це пов'язано з перспективою. Візьміть глобус і обертайте його в західному напрямку на схід. Тепер подивіться на нього зверху на Північний полюс. Виявляється, обертаючись проти годинникової стрілки. Тепер тримайте його обертанням із заходу на схід, підніміть земну кулю над головою і подивіться на нього зверху Південного полюса. Здається, він йде за годинниковою стрілкою. (Вид дивно, так?)

тертя

Взагалі кажучи, швидкість вітру збільшується з висотою над поверхнею, оскільки сила тертя поверхні зменшується з висотою. Тертя, що накладається на повітря, механічно уповільнює вітер і відводить його напрямок. Фрикційний шар - це шар повітря, на який впливає тертя, викликане поверхнею. Шар тертя змінюється по висоті по всій Землі, але здебільшого лежить в межах приблизно кілометра поверхні.

Дослідіть, як геолог вимірює та аналізує вітер, «Копаючи глибше: вимірювання, візуалізація та аналіз напрямку та швидкості вітру» або пропустіть та продовжуйте читання.

Глибше копання: вимірювання, візуалізація та аналіз напрямку та швидкості вітру

Існує два основних вимірювання умов вітру, швидкості та напрямку. Як зазначається в цьому розділі, швидкість вітру - це просто те, наскільки швидко дме вітер. Напрямок вітру описується як звідки приходить вітер, а не туди, куди він збирається. Давайте заглибимося в те, як вчені вимірюють і візуалізують швидкість і напрямок вітру при аналізі погоди.

Контрольно-вимірювальні прилади

Швидкість вітру вимірюється за допомогою анемометра. Типовий анемометр складається з 3 або 4 спінінгових «чашок», встановлених під рівними кутами один до одного і потім прикріплених до стрижня. Чашки обертаються пропорційно потоку повітря повз них. Число оборотів в одиниці часу перетворюється в швидкість вітру і записується на пристрій реєстрації даних або зчитується з циферблата. Швидкість повідомляється в милі на годину, кілометрах на годину, або вузлах.

лопаток і анемометр — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Анемометр (праворуч) та Флюгер (ліворуч) (люб'язність NOAA, джерело)

Шкала Бофорта була створена в 1805 році сером Френсісом Бофортом як якісний показник впливу стану вітру на вітрила свого корабля. Тринадцять класів, від 0 до 12, визначали кількість вітрил до підйомника. На 0 всі вітрила будуть підняті з достатньо вітру, щоб дати рульове управління. У 6 половина його вітрила буде вгору, а в 12 всі вітрила б вниз, оскільки умови були занадто суворими для полотняних вітрил, щоб витримати їх. У 1906 році описи були змінені на те, як поводяться моря при різних умовах вітру. Шкала Бофорта продовжує використовуватися громадянами погодних споттерів для оцінки умов за відсутності приладів під час суворої погоди.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Бофорта Шкала (люб'язність NOAA: Джерело)

Шкала Бофорта

Флюгер - це інструмент для вимірювання напрямку вітру (зліва в таблиці\(\PageIndex{1}\) вище). У своїй найпростішій конфігурації це загострений стрижень з лопаткою, встановлений перпендикулярно стрижню і прикріплений до вертикального стовпа, на якому він обертається. Лопатка діє, щоб зорієнтувати загострений кінець на вітер і, отже, вказує на напрямок, звідки походить вітер.

Аерован - це інструмент, який може одночасно вимірювати як напрямок вітру, так і швидкість. Aerovane сидить на вершині стовпа і обертається при зміні напрямку вітру. Пропелер обертається швидше у міру збільшення швидкості вітру. Обертання гвинта спереду обертається швидше, коли швидкість вітру збільшується. Сигнал надсилається на реєстратор даних, де орієнтація аерована та обертання гвинта перетворюється в одиниці напрямку та швидкості вітру. Флюгер на хвості орієнтує інструмент на вітер.

ареован — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Аерован. (Надано NOAA Джерело)

Візуалізація та аналіз

Після того, як дані вітру були записані, їх можна архівувати в друкованому або, швидше за все, цифровому вигляді та символізувати на картах для подальшого аналізу.

Напрямок вітру

Напрямок вітру можна повідомити як напрямок або в градусах. Напрямок вітру позначається на карті погоди лінією, що випромінюється з точки у напрямку вітру. Напрямок вітру, як символізується на малюнку,\(\PageIndex{6}\) - північний схід.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Символ погоди напрямку вітру

Переважаючий вітер той напрямок, з якого вітер виходить найчастіше. Його можна визначити шляхом вимірювання напрямку вітру в багато різних часів для конкретного місця та обчислення відсотка разів, коли вітер надходить з різних напрямків. Роза вітрів використовується для візуалізації переважаючого вітру вітру. «Роза» будується брусками або лініями, розміщеними по колу і намальованими на довжину, пропорційну кількості часу, коли вітер дме з різних боків. Переважаючий вітер, показаний на малюнку 6-Д, - з півдня. Вітрові котушкиабо колірний код можуть бути додані, щоб показати середню швидкість з заданого напрямку.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Роза вітрів. (Надано NOAA NWS (Джерело))

Швидкість вітру

Швидкість вітру реєструється або милями на годину, кілометрами на годину або вузлами. Невеликі зазуби або трикутники, прикріплені до символів напрямку погоди, використовуються для візуалізації швидкості вітру на погодних картах. Враховуючи, що швидкість вітру так сильно коливається протягом короткого періоду часу, символи представляють діапазони швидкості вітру.

«Емпіричне правило» для запам'ятовування символів - половина барб = 5 вузлів, повний барб = 10 вузлів, прапор = 50 вузлів.

Візерунки швидкості і напрямку вітру можуть бути показані на картах погоди, як на малюнку 6-Ф. Як описано раніше в розділі, градієнт тиску визначає швидкість вітру. Зверніть увагу, як швидкість вітру більша там, де ізобари ближче один до одного. Символи напрямку вітру показують типовий рух за годинниковою стрілкою навколо максимумів і проти годинникової стрілки навколо мінімумів. Місцеві умови на момент збору даних можуть свідчити про деяке відхилення від цього узагальнення.

погодна карта — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Карта поверхневої погоди. (Люб'язно NWS NOAA)

Поверхнева циркуляція навколо максимумів і мінімумів.

Комбіновані ефекти градієнта тиску, ефекту Коріоліса, поверхневого тертя показані на малюнку\(\PageIndex{10}\). Нагадаємо, що повітря завжди тече від вищого до нижчого тиску. Навколо систем високого тиску (Н) повітря направляється назовні від центру. Навколо систем низького тиску (L) повітря направляється всередину до центру. Якби градієнт тиску був єдиною силою, що діє на повітря, вітер рухався б безпосередньо через ізобари під перпедикулярним кутом. Вітер замість цього рухається по ізобарі під кутом від 10 ^o до 45 ^o. Оскільки ефект Коріоліса згинає повітря праворуч від свого шляху (тобто напрямку градієнта тиску) у північній півкулі, повітря приймає рух за годинниковою стрілкою навколо максимумів і проти годинникової стрілки навколо мінімумів. У Південній півкулі повітря циркулює проти годинникової стрілки навколо максимумів і за годинниковою стрілкою навколо мінімумів.

поверхнева циркуляція навколо антициклонів і циклонів — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Поверхнева циркуляція навколо систем високого та низького тиску

Над «шаром тертя» на вітер діють лише градієнт тиску та ефект Коріоліса. У певних широтах протилежний градієнт тиску та сили Коріоліса можуть врівноважувати один одного високо в тропосфері над шаром тертя. Коли це відбувається, вітри, як правило, дують паралельно ізобарі. Вітри, які дують приблизно паралельно ізобарі, називаються «геастрофічними вітрами». Швидко рухаються струменеві потоки - це тип геодестрофічного вітру.