В метеорологии скорость ветра или скорость потока ветра — это фундаментальная атмосферная величина , вызванная перемещением воздуха из области высокого давления в область низкого давления , обычно из-за изменений температуры. Скорость ветра в настоящее время обычно измеряется анемометром .
Скорость ветра влияет на прогнозирование погоды , авиационные и морские операции, строительные проекты, темпы роста и метаболизма многих видов растений, а также на бесчисленное множество других последствий. [2] Направление ветра обычно почти параллельно изобарам (а не перпендикулярно, как можно было бы ожидать) из-за вращения Земли .
Метр в секунду (м/с) — единица измерения скорости в системе СИ , рекомендованная Всемирной метеорологической организацией для сообщения о скорости ветра и используемая, среди прочего, в прогнозах погоды в странах Северной Европы . [3] С 2010 года Международная организация гражданской авиации (ИКАО) также рекомендует использовать метры в секунду для сообщения о скорости ветра при приближении к взлетно-посадочным полосам , заменив свою прежнюю рекомендацию использовать километры в час (км/ч). [4]
По историческим причинам для измерения скорости ветра иногда используются и другие единицы, такие как мили в час (mph), узлы (kn), [5] и футы в секунду (ft/s). Исторически скорости ветра также классифицировались с использованием шкалы Бофорта , которая основана на визуальных наблюдениях за определенными эффектами ветра на море или на суше.
Скорость ветра зависит от ряда факторов и ситуаций, действующих в различных масштабах (от микро до макро). К ним относятся градиент давления , волны Россби , струйные течения и местные погодные условия. Также можно найти связи между скоростью и направлением ветра , в частности, с градиентом давления и условиями рельефа местности.
Градиент давления описывает разницу в давлении воздуха между двумя точками в атмосфере или на поверхности Земли. Он имеет жизненно важное значение для скорости ветра, поскольку чем больше разница в давлении, тем быстрее ветер течет (от высокого давления к низкому), чтобы уравновесить изменение. Градиент давления в сочетании с эффектом Кориолиса и трением также влияет на направление ветра .
Волны Россби — это сильные ветры в верхней тропосфере . Они действуют в глобальном масштабе и движутся с запада на восток (поэтому их называют западными ветрами ). Сами волны Россби — это скорость ветра, отличная от той, которая наблюдается в нижней тропосфере .
Местные погодные условия играют ключевую роль в влиянии на скорость ветра, поскольку образование ураганов , муссонов и циклонов как аномальных погодных условий может существенно повлиять на скорость потока ветра. [ необходима ссылка ]
Самая высокая скорость ветра, не связанная с торнадо , когда-либо зарегистрированная, была во время прохождения тропического циклона Оливия 10 апреля 1996 года: автоматическая метеостанция на острове Барроу , Австралия , зарегистрировала максимальный порыв ветра 113,3 м/с (408 км/ч; 253 мили в час; 220,2 узла; 372 фута в секунду) [6] [7] Порыв ветра был оценен оценочной группой ВМО, которая обнаружила, что анемометр был механически исправен и что порыв находился в пределах статистической вероятности, и утвердила измерение в 2010 году. Анемометр был установлен на высоте 10 м над уровнем земли (и, таким образом, на высоте 64 м над уровнем моря). Во время циклона было зафиксировано несколько экстремальных порывов ветра со скоростью более 83 м/с (300 км/ч; 190 миль/ч; 161 узел; 270 футов/с), при этом максимальная 5-минутная средняя скорость составила 49 м/с (180 км/ч; 110 миль/ч; 95 узлов; 160 футов/с); экстремальный фактор порыва ветра был порядка 2,27–2,75 раза больше средней скорости ветра. Характер и масштабы порывов предполагают, что мезовихрь был встроен в уже сильную стену глаза циклона. [6]
В настоящее время [ по состоянию на? ] вторая по величине скорость приземного ветра, когда-либо официально зарегистрированная, составляет 103,266 м/с (371,76 км/ч; 231,00 миль/ч; 200,733 узлов; 338,80 фут/с) в обсерватории Маунт-Вашингтон (Нью-Гэмпшир) на высоте 1917 м (6288 футов) над уровнем моря в США 12 апреля 1934 года с использованием анемометра с горячей проволокой . Анемометр, специально разработанный для использования на горе Вашингтон, позже был испытан Национальным бюро погоды США и подтвердил свою точность. [8]
Скорости ветра в определенных атмосферных явлениях (таких как торнадо ) могут значительно превышать эти значения, но никогда не измерялись точно. Прямое измерение этих торнадо-ветров проводится редко, так как сильный ветер может разрушить приборы. Метод оценки скорости заключается в использовании Доплера на колесах или мобильных доплеровских радаров для дистанционного измерения скорости ветра. [9] Используя этот метод, мобильный радар ( RaXPol ), принадлежащий и эксплуатируемый Университетом Оклахомы, зафиксировал ветры со скоростью до 150 метров в секунду (340 миль в час; 540 км/ч) внутри торнадо в Эль-Рино 2013 года , что стало самым быстрым ветром, когда-либо наблюдавшимся радаром в истории. [10] В 1999 году мобильный радар измерил скорость ветра до 135 м/с (490 км/ч; 300 миль/ч; 262 узла; 440 футов/с) во время торнадо Бридж-Крик-Мур в Оклахоме 3 мая 1999 года, [11] хотя для того же торнадо также приводилась другая цифра в 142 м/с (510 км/ч; 320 миль/ч; 276 узлов; 470 футов/с). [12] Еще одно число, используемое Центром исследований суровых погодных условий для этого измерения, составляет 135 ± 9 м/с (486 ± 32 км/ч; 302 ± 20 миль/ч; 262 ± 17 узлов; 443 ± 30 футов/с). [13] Однако скорости, измеренные с помощью доплеровского метеорологического радара, не считаются официальными рекордами. [12]
Скорость ветра на экзопланетах может быть намного выше . Ученые из Университета Уорика в 2015 году определили, что на HD 189733b скорость ветра составляет 2400 м/с (8600 км/ч; 4700 узлов). В пресс-релизе университет объявил, что методы, использованные при измерении скорости ветра на HD 189733b, могут быть использованы для измерения скорости ветра на экзопланетах земного типа. [14]
Анемометр — один из инструментов, используемых для измерения скорости ветра. [15] Устройство, состоящее из вертикальной стойки и трех или четырех вогнутых чашек, анемометр фиксирует горизонтальное движение частиц воздуха (скорость ветра).
В отличие от традиционных чашечно-крыльчатых анемометров, ультразвуковые датчики ветра не имеют подвижных частей и поэтому используются для измерения скорости ветра в приложениях, которые требуют работы без технического обслуживания, например, на вершинах ветряных турбин. Как следует из названия, ультразвуковые датчики ветра измеряют скорость ветра с помощью высокочастотного звука. Ультразвуковой анемометр имеет две или три пары звуковых передатчиков и приемников. Каждый передатчик постоянно излучает высокочастотный звук на свой приемник. Электронные схемы внутри измеряют время, необходимое звуку для прохождения пути от каждого передатчика до соответствующего приемника. В зависимости от того, как дует ветер, некоторые звуковые лучи будут затронуты больше, чем другие, замедляя его или ускоряя совсем немного. Схемы измеряют разницу в скоростях лучей и используют ее для расчета скорости ветра. [16]
Акустические резонансные датчики ветра являются вариантом ультразвукового датчика. Вместо использования измерения времени пролета акустические резонансные датчики используют резонирующие акустические волны внутри небольшой специально построенной полости. В полость встроен массив ультразвуковых преобразователей , которые используются для создания отдельных моделей стоячих волн на ультразвуковых частотах. Когда ветер проходит через полость, происходит изменение свойств волны (фазовый сдвиг). Измеряя величину фазового сдвига в полученных сигналах каждым преобразователем, а затем математически обрабатывая данные, датчик способен обеспечить точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра. [17]
Другим инструментом, используемым для измерения скорости ветра, является GPS в сочетании с трубкой Пито . [ необходима ссылка ] Трубка Пито , инструмент для измерения скорости потока жидкости, в основном используется для определения скорости воздушного потока самолета.
Скорость ветра является общим фактором в проектировании конструкций и зданий по всему миру. Она часто является определяющим фактором в требуемой боковой прочности конструкции конструкции.
В Соединенных Штатах скорость ветра, используемая при проектировании, часто называется «3-секундным порывом», что является самым высоким устойчивым порывом за 3-секундный период, вероятность превышения которого составляет 1 к 50 в год (ASCE 7-05, обновлено до ASCE 7-16). [18] Эта расчетная скорость ветра принята большинством строительных норм в Соединенных Штатах и часто определяет боковое проектирование зданий и сооружений.
В Канаде эталонное давление ветра используется при проектировании и основано на «среднечасовой» скорости ветра, вероятность превышения которой в год составляет 1 из 50. Эталонное давление ветра q рассчитывается с использованием уравнения q = ρv 2 / 2 , где ρ — плотность воздуха, а v — скорость ветра. [19]
Исторически скорости ветра сообщались с различными временами усреднения (такими как самая быстрая миля, 3-секундный порыв, 1 минута и среднее часовое), которые проектировщикам, возможно, придется учитывать. Для преобразования скорости ветра из одного времени усреднения в другое была разработана кривая Дёрста, которая определяет соотношение между вероятной максимальной скоростью ветра, усредненной за некоторое количество секунд, и средней скоростью ветра за один час. [20]
Медиа, связанные со скоростью ветра на Wikimedia Commons