PRZYRZĄDY POMIAROWE

Przyrządy do pomiaru kierunku i prędkości wiatru przeważnie ustawia się w ogródku meteorologicznym od strony północnej. Instaluje się je na maszcie drewnianym, metalowym lub żelbetowym, w miejscu odległym od wysokich przedmiotów o co najmniej ich 10- krotną wysokość. Wyjątkowo umieszcza się je na dachu budynku ( ponad 6 metrów nad dachem i z dala od komina). Na stacjach meteorologicznych pomiary wiatru wykonuje się zasadniczo do wysokości 30 m nad gruntem, standardowo prowadzi się je na wysokości 10 m.

RODZAJE RUCHÓW POWIETRZA

W atmosferze występuje kilka rodzajów ruchów powietrza. Do najważniejszych można zaliczyć następujące ich rodzaje:

1. poziomy,

2. pionowy (konwekcyjny, a także cyklonalny i antycyklonalny), w którym rozróżniamy ruchy wstępujące i zstępujące,

3. falowy, powstający pod wpływem rzeźby terenu lub występujący wzdłuż powierzchni inwersyjnych,

Poziomy ruch powietrza nazywamy wiatrem. Ruchy poziome powietrza należą do najbardziej intensywnych w atmosferze, mimo że pionowy spadek ciśnienia jest wielokrotnie większy od poziomego. Wpływa na to siła ciężkości, która niejako przytrzymuje cząstki powietrza przy Ziemi, nie pozwalając im odpływać w górę, w kierunku niższych ciśnień.

SIŁY WARUNKUJĄCE WIATR

Należą do nich: siła gradientu ciśnienia, siła Coriolisa, siła tarcia i siła odśrodkowa.

Siła gradientu ciśnienia. Przy nierównomiernym rozkładzie ciśnienia atmosferycznego zagęszczenie izobar na mapie synoptycznej jest w jednym miejscu większe, a w innym mniejsze. Im bliżej siebie one leżą, tym zmiany poziome ciśnienia są większe i większa jest prędkość wiatru. Poziome zmiany ciśnienia można wyrazić za pomocą tzw. poziomego gradientu ciśnienia nazywanego krótko gradientem ciśnienia. W meteorologii za jednostkę odległości określającą poziome różnice ciśnienia przyjmuje się km ( to jest odległość 1° długości geograficznej na równiku) lub 100 km. Spadek ciśnienia powietrza na 111 km w kierunku prostopadłym do izobary nazwano właśnie gradientem ciśnienia. Powietrze zmierza od wyższego do niższego ciśnienia najkrótszą drogą, zgodnie z kierunkiem gradientu. Przyspieszenie poruszającego się powietrza rośnie przy tym wraz ze wzrostem gradientu ciśnienia. Gradient ten jest więc siłą powodującą powstawanie i wzrost prędkości wiatru. Ażeby wyznaczyć gradient należy zmierzyć na mapie synoptycznej odległość między izobarami o znanej różnicy ciśnienia i obliczyć wielkość spadku ciśnienia na 111 km. Prędkość ruchu powietrza w m/s jest równa w przybliżeniu potrójnej wielkości gradientu ciśnienia, wówczas wiatr wiałby zgodnie z kierunkiem gradientu, tj. prostopadle do izobar w kierunku niższego ciśnienia. Tak jednak nie jest. Gdy cząstki powietrza zostają wprowadzone w ruch wskutek różnicy ciśnienia, zaczynają na nie działać inne siły, a mianowicie: siła Coriolisa, siła tarcia, a przy ruchu krzywoliniowym również siła odśrodkowa. Siły te odchylają kierunek ruchu od kierunku gradientu lub hamują prędkość ruchu.

Siła Coriolisa. Siła ta powstaje wskutek dobowego obrotu Ziemi i działa na każde ciało poruszające się po powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu, a więc i na przemieszczające się cząstki powietrza.

WIELKOŚCI CHARAKTERYZUJĄCE WIATR

Wiatr określamy zwykle za pomocą dwóch podstawowych wielkości - kierunku i prędkości.

Kierunek wiatru. W meteorologii kierunek wiatru określa się przez podanie strony świata, z której on wieje. Kierunek wiatru oznacza się symbolami utworzonymi z pierwszych liter nazw angielskich: N - północ, E - wschód, S - południe, W- zachód. Wyróżnia się 8 głównych i 8 pośrednich kierunków wiatru. Oto pełne brzmienie tych skrótów: N - wiatr północny, NNE - północo -północno - wschodni, NE - północno wschodni, ENE - wschodnio -północno - wschodni, E - wschodni, ESE - wschodnio - południowo - wschodni, SE - południowo - wschodni, SSE - południo - południowo - wschodni, S - południowy, SSW - południo - południowo - zachodni, SW - południowo - zachodni, WSW - zachodnio - południowo - zachodni, WNW - zachodnio - północno - zachodni, NW - północno - zachodni, NNW - północo - północno - zachodni. Kierunek wiatru podaje się niekiedy według kierunków kompasowych w rumbach albo w stopniach, przyjmując N za 0° (360°), E - 90°, S - 180°, W - 270°.

PRĘDKOŚĆ WIATRU

Wyraża się w metrach na sekundę (m/s) , w kilometrach na godzinę (km/h) lub w węzłach (milach morskich na godzinę). Potocznie prędkość wiatru utożsamia się czasem z siłą wiatru. Siłą wiatru nazywamy parcie przemieszczających cząstek powietrza na napotykaną przeszkodę i wyrażamy ją w kg/m
. Zależy ona nie tylko od prędkości, ale i od gęstości poruszającego się powietrza, np. przy tej samej prędkości większa jest siła wiatru nad morzem niż w górach.

WIATRY MIEJSCOWE

Powstają one pod wpływem oddziaływania lokalnych warunków fizjograficznych. Przyczyny powstawania tych wiatrów mogą mieć charakter termiczny lub dynamiczny. Do wiatrów miejscowych można m.in. zaliczyć bryzy, wiatry dolin i gór, fen, wiatr bora.

Bryzy są to wiatry występujące na wybrzeżach mórz i wielkich jezior, zmieniając kierunek dwa razy na dobę. Wiatr wiejący w ciągu dnia z morza na lad, jest bryzą morską, a wiejący w nocy, z lądu na morze, bryzą lądową. Wiatry te powstają w związku z dobowym przebiegiem temperatury powierzchni lądu. W dzień gradient ciśnienia skierowany jest z morza w stronę cieplejszego lądu, co powoduje ruch powietrza z morza na ląd (bryza morska), a nad nią prąd przeciwny. W nocy jest odwrotnie: wiatr wieje dołem z lądu w stronę w stronę cieplejszego morza (bryza lądowa), a górą znad morza na ląd. W dzień i w nocy występuje wiec zamknięta cyrkulacja powietrza: ląd - morze.

WIATRY DOLINNE I GÓRSKIE

Występują one w dolinach i w kotlinach górskich, głównie w ciepłej porze roku, podczas bezchmurnych dni i przy małych ruchach atmosfery. Wiatr dolinny wieje w ciągu dnia od ujścia dolin w kierunku zboczy, a dalej wzdłuż zboczy w górę ku szczytom, a wiatr górski - w dół zboczy i od zboczy ku dolinom i równinom. Są to na ogół wiatry słabe, czasem jednak osiągają prędkość 10 m/s i większą.

Fen. Fenem nazwano suchy, ciepły i zwykle porywisty wiatr, wiejący z gór. Wiatry o cechach i warunkach powstawania podobnych do tych, jakimi charakteryzuje się fen, występują w górach różnych części świata, gdzie mają nazwy lokalne. W Polsce (Karpaty, Karkonosze) typowym wiatrem fenowym jest wiatr halny. Wywołują go czynniki natury dynamicznej. Powstaje przy ruchu powietrza skierowanym do zboczy, gdy wskutek różnic ciśnienia między jedną a drugą stroną grzbietu gór powietrze przepływa przez dostatecznie wysoki łańcuch górski zgodnie z kierunkiem gradientu barycznego. Po polskiej stronie Karpat wiatr halny wieje przy wiatrach południowych, a po czeskiej - przy północnych. Duża suchość wiatry halnego wywołana jest kondensacja pary wodnej i opadami przy wznoszeniu się powietrza wzdłuż zbocza strony nawietrznej łańcucha górskiego, a stosunkowo wysoka ciepłota - adiabatycznym ogrzewaniem się powietrza podczas spadania w dół po zawietrznej stronie gór. Wiatr halny najczęściej pojawia się w Polsce w październiku i w listopadzie, rzadziej w lutym i marcu. W pozostałych miesiącach występuje sporadycznie, ale niekiedy powoduje wyjątkowo wielkie zniszczenia. Niekiedy powoduje tak szybkie parowanie pokrywy śnieżnej, że nawet przy dużych zasobach śnieżnych obywa się bez powodzi. Innym razem wywołuje powódź, jeśli przy gwałtownym tajaniu śnieg wolno paruje. Dłużej utrzymujący się wiatr halny sprzyja powstawaniu posuch. Jego wpływ sięga niekiedy dosyć daleko w głąb kraju. Silne ocieplenie, jakie niesie wiatr halny, może być tez przyczyną powstawania lawin.

Wiatr bora. Podobnie jak fen należy do wiatrów opadających. Jest to silny porywisty i chłodny wiatr, wiejący w dół po zboczach niskich, przymorskich części gór w stronę znacznie cieplejszego morza. Powietrze spadające w dół ogrzewa się wprawdzie adiabatycznie, jednak niewysokie góry i niska początkowo temperatura powietrza powodują, że bora pozostają nadal wiatrem chłodnym. Chłodne masy powietrza spadają ku powierzchni morza z dużą siłą, powodując parowanie i rozprysk wody. Bora w Europie występuje między innymi wzdłuż wschodnich wybrzeży Morza Czarnego i północnego Adriatyku.

MASY POWIETRZA

Powietrze arktyczno - kontynentalne (PAk) tworzy się nad podbiegunowymi obszarami okolic Grenlandii. Następuje tam bardzo silne ochładzanie dzięki wymianie cieplnej z powierzchnią o ujemnych wartościach bilansu promieniowania oraz wysokie wartości albedo pokrywy śnieżnej i lodów. Powietrze ma bardzo niską temperaturę, niewielką zawartość pary wodnej. Charakteryzuje się znaczną przezroczystością, gdyż rodzaj podłoża i brak konwekcji nie sprzyjają zapyleniu.

Powietrze arktyczno - morskie (PAm) tworzy się nad północnym Atlantykiem w pasie szerokości geograficznych 65÷85°. Charakteryzuje się nieco wyższą temperaturą i wilgotnością w porównaniu z Pak.

Powietrze polarno - kontynentalne (PPk) powstaje nad północnymi rejonami Rosji. W zimie jest oziębione od podłoża i dość suche, w lecie wykazuje wysokie temperatury, niską wilgotność i znaczną zawartość pyłów.

Powietrze polarno - morskie (PPm) tworzy się nad północnym Atlantykiem w pasie szerokości geograficznych 45÷65° (Islandia, Spitsbergen). Zawiera duże ilości pary wodnej. W porównaniu z PPk jest znacznie cieplejsze w zimie i o wiele chłodniejsze w lecie ze względu na specyfikę bilansu cieplnego wód oceanicznych.

Powietrze zwrotnikowo - kontynentalne (PZk) powstaje nad obszarami pustyń Iranu, Turcji i pólnocnej Afryki. Charakteryzuje się bardzo wysoką temperaturą, znikomą zawartością pary wodnej i bardzo dużą ilością pyłów.

Powietrze zwrotnikowo - morskie (PZm) tworzy się w rejonie Wysp Azorskich. Ponad silnie ogrzanymi obszarami Atlantyku powstaje ciepła masa atmosferyczna, zawierająca bardzo duże ilości pary wodnej.

ANEMOMETRY

ANEMOMETR RĘCZNY

Do bardziej dokładnych pomiarów prędkości wiatru używa się anemometrów. Należą do nich powszechnie stosowane, bardzo przydatne w warunkach polowych, anemometry ręczne z wirnikami czasowymi. Częścią anemometru ręcznego, reagującą na wiatr, jest wirnik czaszowy. Wirnik ten, zaopatrzony zwykle w cztery lekkie czasze zwrócone powierzchniami wklęsłymi w jedną stronę, obraca się swobodnie pod wpływem wiatru na odpowiednio ułożyskowanej osi. Liczba obrotów wirnika rośnie wraz ze wzrostem prędkości wiatru. Ruch ten przekazywany jest poprzez zespół przekładni zębatych mechanizmu licznikowego na odpowiednie wskazówki, powalające odczytywać na tarczy wartości w metrach. Dzieląc liczbę metrów uzyskaną w czasie pomiaru przez liczbe sekund trwania pomiaru, otrzymuje się średnią prędkości wiatru w m/s. W innych wersjach przyrządu przekładnie zębate są tak dobrane , że po upływie określonego czasu pomiaru (np. po 100 s pomiaru) odczytuje się na tarczy bezpośrednio średnią prędkości wiatru w m/s.

Anemometry z czujnikiem rotorowym wyposażone są w układ licząący liczbę obrotów w określonym czasie, zazwyczaj w ciągu kilku minut. Inny typ tego przyrządu wyposażony jest w mechanizm, pozwalający na uzyskanie w wyniku średniej prędkości. Do tego typu przyrządów należy anemometr ręczny z mechanizmem liczącym, pozwalającym na pomiar średniej prędkości wiatru w przedziałach wartości od 1 do 20 m/s lub od 0,3 do5 m/s oraz anemotr mechaniczny z automatycznym uśrednieniem prędkości.

Nieco inna metoda rejestrowania liczby obrotów rotora zastosowana jest w anemometrach kontaktowych. W przyrządzie tym co określoną liczbę obrotów, zwykle co 75 lub 100 obrotów, zamykany jest kontakt w obwodzie elektrycznym, dając odpowiedni impuls elektryczny. Na podstawie liczby zamknięć kontaktu w ciągu określonego czasu wyznacza się średnią prędkość wiatru.

ANEMOMETR CZASZOWY (ROBINSONA)

Przyrząd ten używany jest w miernictwie meteorologicznym do pomiaru średniej prędkości wiatru w ustalonym przedziale czasu.

Budowa: przyrząd ten składa się z trzech podstawowych zespołów urządzeń:

• czujnika

• przetwornika

• układu pomiarowego

Czujnikiem jest najczęściej wirnik czaszowy, śmigłowy lub łopatkowy. Czasze mogą mieć kształt półkolisty, stożkowy lub półelipsodalny, których wypukłości zwrócone są w jedną stronę. Wykonane są one z aluminium lub tworzyw sztucznych. Trzy lub cztery czasze są umieszczone symetrycznie na osi obrotu ustawionej prostopadle do kierunku przepływu powietrza. Pod wpływem parcia wiatru na wklęsłe strony czasz, wirnik jest wprawiany w ruch w kierunku wypukłych stron czasz bez względu na kierunek wiatru.

Ruch wirnika jest przekazywany poprzez przekładnię ślimakową i zespół przekładni zębatych mechanizmu licznikowego na wskazówki. Pomiar prędkości polega na odczytaniu przed jego rozpoczęciem stanu licznika a następnie równoczesnym włączeniu stopera i licznika. Po zakończeniu pomiaru obliczamy różnicę odczytów na liczniku i dzielimy ją przez czas pomiaru, otrzymując średnią prędkość wiatru w tym okresie. Ze względów praktycznych czas pomiaru wynosi najczęściej 100 sekund.

Zalety: anemometry czaszowe są powszechnie stosowane w meteorologii do pomiaru prędkości wiatru, na lotniskach, w tunelach, przy pracy urządzeń technicznych typu dźwigi, w badaniach nad rozprzestrzenianiem zanieczyszczeń w atmosferze itp. Wynika to głównie z ich prostej, niezawodnej konstrukcji, niewielkich wymagań eksploatacyjnych, odporności na czynniki zakłócające typu zmiany temperatury i wilgotności powietrza, opady i zanieczyszczenia atmosferyczne. Przyrządy te wykazują długookresową stałość i liniowość charakterystyk statycznych. Sygnały pomiarowe nimi uzyskiwane można stosunkowo łatwo obrabiać i przesyłać na znaczne odległości.

Wady: do wad anemometrów rotacyjnych należy przede wszystkim wrażliwość lekkiego wirnika na mechaniczne uszkodzenia. Ponadto nieliniowość charakterystyki dynamicznej wpływa na wyniki pomiarów.

Zakresy pomiarowe tych przyrządów obejmują najczęściej następujące przedziały prędkości wiatru: 0,1 - 10 m/s lub 1 - 50 m/s. Dokładność pomiarów jest na poziomie ±2%. Źródła błędów związane są z gęstością powietrza, która zależy od temperatury, ciśnienia, wilgotności powietrza, a także z tarciem w łożyskach, z opadami i osadami, z korozją, wyładowaniami elektrycznymi, uszkodzeniami mechanicznymi wirników.

RĘCZNY ANEMOMETR INDUKCYJNY

Przeznaczenie: ręczny anemometr indukcyjny (ARI - 49) przeznaczony jest do określania prędkości wiatru w przedziale od 2 do 30 m/s bezpośrednio na wysokości ustawienia przyrządu.

Opis urządzenia: działanie anemometru oparte jest na zasadzie pomiaru prędkości kątowej obrotu anemometru czaszowego (trójczaszowego) metodą indukcyjnego tachometru. Częścią odbiorczą anemometru jest wirniczek składający się z 3 czasz, zamontowanych na stałe w tulejce, osadzonej na osi, która obraca się w łożysku kulkowym.

Na dolnym końcu osi zamocowany jest na stałe układ magnetyczny składający się z magnesu stałego, magnesowego przewodu i kompensatora wydłużeń cieplnych. Zadaniem kompensatora przedłużeń cieplnych jest zmniejszenie wpływu temperatury na wskazania anemometru.

Do dolnej części anemometru przymocowana jest płytka, na której zamontowana jest wskaźnikowa część urządzenia, składająca się z osi, na której osadzony jest metalowy kapturek, wykonany ze specjalnego stopu, włosek i strzałka. W cylindrycznej części kapturka znajduje się luz pierścieniowy między magnesem i przewodem magnetycznym.

Prędkość wiatru określa się według położenia strzałki na skali zamontowanej na płytce.

Przyrząd posiada rękojeść nakręcaną na grzbietową część końcówki, posiada też specjalną nasadkę, którą nakręca się na końcówkę zamiast rękojeści w przypadku kiedy anemometr ustawia się na drewnianej tyczce. Do dolnej części korpusu przyrządu wkręcone są dwie nóżki jako oparcie, kiedy anemometr bez futerału kładziemy na stół lub inną płaską powierzchnię.

Zasada działania: przy oddziaływaniu prądu powietrza na przyrząd niezależnie, od jego kierunku, wirniczek wraz z osią zawsze obraca się w jedną stronę. Anemometry indukcyjne składają się z magnesu stałego wprawianego w ruch przez wirnik czujnika. Obracający się wraz z osią układ magnetyczny tworzy pole magnetyczne, wywołujące w metalowym kapturku prądy wirowe. Współdziałanie prądów wirowych z polem magnetycznym magnesu wywołuje moment siły w metalowym kapturku. Pod działaniem tego momentu kapturek obraca się, zakręcając włosek. Wielkość kąta obrotu osi z kapturkiem jest proporcjonalna do liczby obrotów wirniczka, stąd odchylenie strzałki anemometru odpowiada prędkości wiatru.

Przy niewielkich porywach wiatru odczyt na urządzeniu można przeprowadzić jeden raz. Przy pomiarze silniejszych porywów należy wykonać kilka pomiarów i wyliczyć średnią wartość prędkości. W celu uzyskania rzeczywistej wartości prędkości wiatru należy koniecznie odczyt z urządzenia poprawić przez wprowadzenie poprawki ze skali.

Wady: wadą metody wiroprądowej (magnetycznej) jest zależność wyników pomiarów od temperatury. Taki sposób generacji sygnału pomiarowego jest stosowany przede wszystkim w przenośnych urządzeniach.

OPRACOWANIA WYNIKÓW WIETRZNYCH

W klimatologii kierunki wiatru przedstawia się w postaci częstotliwości, należy więc liczbę przypadków z danym kierunkiem przedstawić w procentach ogólnej liczby pomiarów. Najczęściej stosowaną metodą graficzną do przedstawiania kierunków wiatru jest róża wiatrów. Jej sporządzenie polega na wykreśleniu osi odpowiadających kierunkom podstawowym i odłożeniu na nich odcinków proporcjonalnych do częstości wyrażonej w procentach. Procent cisz wpisuje się najczęściej liczbą obok.

OPRACOWANIE OBSERWACJI

Pomiary kierunku i prędkości wiatru na stacjach klimatologicznych wykonuje się o godzinie 07/08, 13/14, 19/20 i wpisuje się do odpowiednich rubryk w dzienniku obserwacyjnym. Po ostatnim pomiarze oblicza się średnią dobową prędkości wiatru według wzoru.

	INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
		METEOROLOGIA LABORATORIUM
I ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 28 B		12.12.2005
ANEMOMETR RĘCZNY AUTOR OPRACOWANIA: Sławomir Ławniczak

---