Как найти скорость ветра формула

Unit Converter

1. Определение направление и скорости ветра в приземном слое по карте погоды.

Появление ветра
вызывается силой горизонтального
барического градиента, приводящей в
движение частицы воздуха. Барическим
градиентом называется отношение
изменения величины атмосферного давления
к расстоянию, на котором это изменение
происходит. Поскольку при проведении
изобар на карте погоды между соседними
изобарами берутся одинаковые разности
давлений (4 или 5 миллибар), получается,
что чем меньше расстояние между изобарами,
тем больше сила горизонтального градиента
и, соответственно, сильнее ветер в данном
районе. Если бы на частицы воздуха
действовала только сила барического
градиента, то они двигались бы из областей
повышенного атмосферного давления в
области пониженного перпендикулярно
изобарам. Но, как только частица воздуха
приходит в движение, на неё начинает
действовать сила Кориолиса, возникающая
вследствие вращения Земли, а если частица
движется по криволинейной траектории,
то, дополнительно – центробежная сила
(рис. 3). Сила Кориолиса в северном
полушарии стремится отклонить частицу
вправо от направления её движения (в
южном – наоборот). Частица воздуха
продолжает отклоняться от нормали к
изобаре до тех пор, пока сила барического
градиента не уравновесится суммой сил
Кориолиса и центробежной. Совокупное
воздействие этих сил приводит к тому,
что частицы воздуха в свободной атмосфере
(выше 1000 м от земной или водной поверхности,
где не действует сила трения) в средних
широтах движутся по касательным к
изобарам. При этом область пониженного
давления в северном полушарии остаётся
слева, а область повышенного давления
– справа от направления движения (в
южном полушарии – наоборот). Такое
движение частиц воздуха при прямолинейных
изобарах называется геострофическим
ветром.
Установившееся движение воздуха по
круговым траекториям под действием сил
градиента, Кориолиса и центробежной
при отсутствии трения называется
градиентным или геоциклострофическим
ветром.

В приземном
(приводном) слое атмосферы на частицы
воздуха дополнительно действует сила
трения, несколько замедляющая и
отклоняющая их от касательной к изобаре
в сторону пониженного давления (рис.3).
Угол отклонения зависит от широты. Его
величины представлены в таблице 1.
Скорость геострофического ветра можно
найти по формуле 1, являющейся результатом
векторного суммирования указанных выше
сил, действующих на частицу воздуха.

(1)

Здесь: G
– сила горизонтального барического
градинта.

– угловая скорость
вращения Земли.

– плотность воздуха.

– широта интересующего
нас места на поверхности Земли.

После подстановки
величин барического градиента, угловой
скорости вращения Земли и плотности
воздуха для изобар, проведённых
через 5 миллибар,
формула (1) может быть представлена в
следующем виде:

(2)

Здесь:
– расстояние между соседними изобарами
в интересующем нас месте вградусах
широты.

Скорость ветра по
данной формуле получается в метрах в
секунду.

Таблица 1 Углы
отклонения ветра в приземном слое от
касательной к изобаре

Широта, °	0	5	10	20	40	60	80	90
Угол отклонения ветра от касательной к изобаре,°	90	58	38	22	12	9	8	8

Таблица 2
Коэффициенты трения в приводном слое

Разность температур воздуха и воды	Коэффициент трения
Вода холоднее воздуха на 0.1 – 0.5°	0.6
Вода холоднее воздуха более, чем на 0.5°	0.5
Вода теплее воздуха на 0.0 – 2.0°	0.7
Вода теплее воздуха более, чем на 2.0°	0.8

На большинстве
современных карт погоды для определения
скорости геострофического ветра имеется
специальная номограмма, называемая
градиентной
линейкой,
вид и способ использования которой
представлен на рис. 4. На английских
картах погоды скорость ветра по
градиентной линейке определяется в
узлах, соответственно, для вычисления
скорости ветра в метрах в секунду
результат, полученный с градиентной
линейки, необходимо разделить на 2.

Исходя из
вышеизложенного, направление ветра в
приземном слое по карте погоды определяется
следующим образом:

• Вектор скорости
  градиентного ветра будет направлен по
  касательной к изобаре в интересующем
  нас месте, причём область низкого
  давления в северном полушарии будет
  находиться слева, а в южном – справа
  от направления ветра.

• Направление
  интересующего нас ветра в приземном
  слое (того, который воздействует на
  судно, создаёт волнение и т.д.) будет
  отклонено от направления градиентного
  на угол, указанный в табл. 1 в сторону
  области пониженного давления (рис. 3).
  В средних широтах (Северное, Балтийское,
  Чёрное, Средиземное моря) этот угол
  можно принять равным 10-15°. Не следует
  забывать о том, что карты погоды
  составляются, как правило, не в
  Меркаторской, а в гномонической проекции,
  поэтому, направление ветра необходимо
  соотносить с направлением ближайшего
  меридиана.

Для того, чтобы по
карте погоды найти скорость ветра в
приземном слое необходимо:

• При помощи циркуля
  снять с карты кратчайшее расстояние
  между соседними изобарами в интересующем
  нас месте.

• Не меняя раствора
  циркуля, приложить его ножки к градиентной
  линейке напротив отметки соответствующей
  широты и снять скорость геострофического
  ветра. При необходимости – произвести
  интерполирование между кривыми (рис
  4.). При отсутствии на карте градиентной
  линейки, если изобары проведены через
  5 миллибар, определить скорость
  геострофического ветра по формуле (2).

• При необходимости
  перевести скорость ветра в метры в
  секунду.

• Для определения
  скорости ветра в приземном слое умножить
  скорость геострофического ветра на
  коэффициент трения, величины которого
  приведены в табл. 2. Если разность
  температур воздуха и воды не определялась,
  этот коэффициент можно принимать
  равным: для суши – 0.4, для моря летом –
  0.6, зимой – 0.8.

Рис. 3 Силы,
действующие на частицу воздуха в
приземном слое и методика определения
направления ветра по карте погоды. Ветер
в данном примере – западный.

Рис. 4 Пример
определения скорости геострофического
ветра по градиентной линейке. Скорость
ветра в данном примере – 15 узлов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

1. Элементы и виды ветра
1.1. Ветер. Общие понятия

Ветер возникает из-за неравномерности распределения давления в атмосфере.

Рис.Образование ветра

Действие ветра неравномерно в пространстве и во времени, так как его скорость и направление всегда колеблются.
Воздушный поток состоит из отдельных вихрей, беспорядочно перемещающихся в пространстве. Поэтому скорость ветра, измеряемая в какой-либо точке, беспрерывно меняется во времени.

Наибольшие колебания скорости ветра наблюдаются в приводном слое.
Колебания скорости ветра характеризуются коэффициентом порывистости, под которым понимается отношение максимальной скорости порывов ветра к его средней скорости, полученной за 5—10 мин.
С возрастанием средней скорости ветра коэффициент порывистости уменьшается.
При больших скоростях ветра коэффициент порывистости равен примерно 1,2—1,4.

Штормовые ветры достигают иногда скорости 29 м/с.
Средние скорости ветра возрастают с высотой.
Наиболее резкое возрастание происходит в приводном слое.

Штормовые ветры возникают преимущественно в областях с пониженным атмосферным давлением.
Особенно большой силы достигают тропические циклоны, при которых скорость ветра нередко превышает 60 м/с.
Сильные штормы наблюдаются и в умеренных широтах.

1.2. Элементы ветра. Определения. Роза ветров
Ветер характеризуется двумя элементами: направлением и скоростью.

Направление ветра определяют по компасу той частью горизонта, откуда он дует.
Правило: «Ветер дует в компас».
Следовательно, направление ветра может быть: северное, северо-западное, юго-восточное, западное и т. д.

На реках направление ветра часто определяют относительно течения реки:
ветер может быть верховой (дует по направлению течения) и низовой (дует против течения).

В зависимости от того, с какой стороны дует ветер, у судна различают наветренный борт (борт, обращенный к ветру) и подветренный борт (противоположный наветренному).

Относительно направления движения судна ветер может быть встречным и попутным.

Ветер, дующий в сторону берега под прямым или небольшим углом к нему, принято называть навальным,
а ветер, дующий от берега в сторону реки или озера, — отвальным.

Таким образом, для одного берега ветер будет отвальным, для другого — навальным.
То же и для судна — в зависимости от того, у какого берега оно находится.

Если на неподвижном судне определять направление ветра, то оно называется истинным.
При движении судна возникает поток воздуха, который называется курсовым ветром.
Курсовой ветер имеет скорость судна и направлен в сторону, обратную его движению.
На движущемся судне будет измеряться кажущийся ветер.

Для того чтобы иметь возможность сопоставлять скорости ветра, за стандартную высоту была принята высота 10 м над уровнем моря.

Скорость ветра выражают в метрах в секунду, силу ветра — в баллах.

Соотношение между ними определено шкалой Бофорта, которая неоднократно изменялась.

Таб. Шкала силы ветра

В 20-м веке шкала Бофорта была доработана: систему из 12 баллов расширили до 17, чтобы можно было классифицировать особенно сильные ветры, например, тайфуны.
Но расширенная версия используется лишь в тех зонах, где такие тайфуны происходят достаточно часто (Китай, Тайвань и т.п.).

Согласно шкале Бофорта, сила ветра определяется по 2-м критериям: волнение открытого моря; влияние ветра на сухопутные объекты.

Соответственно имеется и 2 таблицы: одна для суши, другая – для морей и открытого океана.

В таблице для суши показана сила ветра и скорость в метрах за секунду.
Во втором варианте скорость ветра дается в узлах.

В обеих шкалах указаны общие черты, по которым можно определить силу воздушных потоков.

В практической работе часто необходимо перейти от скорости ветра к баллам или от баллов к скорости ветра в метрах в секунду.
Весь пересчет можно сделать в уме, используя данные табл.1

Таблицы 1. Формулы пересчета скорости ветра:

Скорость, м/с	Формула для перехода от скорости в м/с к баллам	Баллы	Формула для перехода от баллов к скорости в м/с
0—10	Балл =(Скорость/2)+ 1	0—5	Скорость =(Балл—1)*2
11—20	Балл = (Скорость/2)	6—10	Скорость =(Балл)*2
Более 20	Балл= (Скорость/2)- 1	Более 10	Скорость = (Балл +1)*2

При этом дробные числа округляются до целых; значения 0,5 и больше округляются до единицы; значения меньше 0,5 — отбрасываются.

Для более грубой оценки, чем указано в таблице, при переходе к баллам скорость в метрах в секунду делится пополам (балл = скорость, м/с : 2), а при переходе к скорости баллы удваиваются (скорость, м/с = 2 * балл)

На береговых станциях направление и силу ветра определяют по флюгеру и анемометру

На судне скорость кажущегося ветра измеряют по анемометру, а направление — по дыму, флагу, вымпелу.

Рис.1. Флюгер и анемометр

У судов, буксирующих состав или плот со скоростью 3—4 км/ч, истинный и кажущийся ветер практически одинаковы.

Иногда для определения направления ветра на судах устанавливают на открытых местах небольшие матерчатые конусы, называемые «колдунчиками».

Рис.2. “Колдунчик”

Располагая материалами наблюдений за ветром, метеорологами определяется повторяемость каждого направления и различных скоростей ветра.
Для наглядности повторяемость изображается графически в виде «розы ветров» (рис.3).
Розы ветров строятся для месяца или года.

Рис 3.Роза ветров

Роза ветров — векторная диаграмма, характеризующая в метеорологии и климатологии режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям.

Выглядит как многоугольник, у которого длины лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональны повторяемости ветров этих направлений («откуда» дует ветер).

Роза ветров, построенная по реальным данным наблюдений, позволяет по длине лучей построенного многоугольника выявить направление господствующего, или преобладающего ветра, со стороны которого чаще всего приходит воздушный поток в данную местность.

Поэтому настоящая “роза ветров”, построенная на основании ряда наблюдений, может иметь существенные различия длин разных лучей.

Виды ветров

По основной классификации ветры делятся на постоянные (или преимущественные) и сезонные.

Рис. Виды ветров

Постоянными называются ветры, которые не меняют своего направления.
Они образуются благодаря соприкосновению зон высокого и низкого давления.

Сезонные ветры, соответственно, меняют свое направление в зависимости от текущего времени года.

Разновидности преимущественных ветров:
пассаты;
западные;
восточные.

Пассаты – ветры, дующие с востока между тропиками и устремляющиеся к экватору.
Они разделены безветренной полосой.
Именно пассаты направляют тропические циклоны в западном направлении.

Западные ветры умеренного пояса представляют потоки воздуха, которые преобладают на умеренной широте – в зоне между 35 и 65 градусами северной и южной широты.
Движутся они с запада на восток.

Восточные ветры полярных районов направляются из зон высокого давления в зоны низкого давления.

Сезонные ветры
Сезонные ветры представлены одной категорией – муссонами.
Они дуют в области тропиков на протяжении нескольких месяцев.
При этом дважды в год муссоны резко меняют свое направление.

Рис.Муссоны

В летний период воздушные потоки движутся с океана на сушу, а зимой, наоборот – с материковой части в сторону океана.
Муссоны приносят с собой большое количество осадков в теплое время года.
Формирование ветров происходит на востоке и юго-востоке Азии.

В первую очередь необходимо определиться, что такое ветер. Ветер – это перемещение воздушных масс из одной точки в другую. Как известно, любое воздушное судно перемещается внутри воздушной массы. А что если воздушная масса, в которой проходит полет, также перемещается относительно земли? Помимо движения с собственной скоростью относительно воздушной массы, самолет будет перемещаться еще и со скоростью движения этой воздушной массы. Учитывая то, что скорость ветра на высотах может достигать значений более 200-300 км/ч, становится очевидно, что учет ветра в полете крайне важен. Несложно посчитать, что если при таком ветре (предположим строго боковом) выполнять полет по трассе в течение одного часа и при этом не учитывать ветер, то в итоге через час самолет окажется в 200-300 км в стороне от трассы. В случае же, если это ветер встречный, и экипаж не учтет его на этапе подготовки к полету, может элементарно не хватить топлива до аэродрома назначения.

Истинная и путевая скорость.

При учете влияния ветра на полет различают два вида скоростей: истинная воздушная скорость (обозначается Vи или по-английски TAS – true airspeed) и путевая скорость (обозначается W или по-английски GS – ground speed).

Истинная воздушная скорость – это скорость движения воздушного судна относительно воздушной массы, в которой проходит полет.

Путевая скорость – скорость воздушного судна относительно земли.

Следует запомнить, что ветер не оказывает влияния на истинную воздушную скорость. Влияние ветра сказывается только на путевой скорости.

Курс и путевой угол.

По аналогии со скоростью, при учете ветра различают два направления полета воздушного судна: курс (HDG – heading) и путевой угол (обозначается ПУ, по-английски TRK — track).

Курс – это угол, заключенный между северным направлением меридиана, принятого за начало отсчета и продольной осью воздушного судна.

Путевой угол – это угол, заключенный между северным направлением меридиана, принятого за начало отсчета, и линией пути. Различают фактический путевой угол (ФПУ) и заданный путевой угол (ЗПУ).

Что касается отсчета направлений, в навигации применяются несколько меридианов начала отсчета: истинный, магнитный, опорный. При решении задач, связанных с учетом ветра, при условии, что все величины приведены к одному и тому же меридиану, неважно, какие направления применяются, истинные или магнитные.

Направление ветра.

В аэронавигации различают два вида ветра: навигационный (НВ) и метеорологический, их направления различаются на 180 градусов и на магнитное склонение. Дело в том, что в основном в авиации принято все расчеты выполнять от магнитного меридиана, в то время как в метеорологии гораздо удобнее пользоваться истинным направлением меридиана начала отсчета.

Навигационный ветер – угол между северным направлением меридиана, принятого за начало отсчета и направлением, куда дует ветер.

Метеорологический ветер – угол между северным направлением меридиана, принятого за начало отсчета и направлением, откуда дует ветер.

Навигационный ветер применяется исключительно как вспомогательная величина при расчетах. Метеорологическое направление ветра – та величина, к которой привык каждый из нас. Юго-западный ветер, означает, что ветер дует с Юго-запада, или если пересчитать в градусы, то получим направление 225 градусов, именно в таком виде и применяется значение направления ветра в авиации.

Навигационный треугольник скоростей.

Как известно, скорость величина векторная. Вектора воздушной скорости, ветра, и путевой скорости образуют так называемый навигационный треугольник скоростей (НТС) – основу основ аэронавигации. Применяя общие правила геометрии и тригонометрии можно вычислить все величины и углы, зная направление и величину двух векторов.

Как видно из рисунка, полет самолета проходит по определенной траектории – линии заданного пути, которая соответствует вектору путевой скорости, однако продольная ось самолета отвернута на ветер для компенсации сноса, как мы помним, продольная ось соответствует вектору воздушной скорости.

Таким образом, мы получили угол, на который нужно отвернуть на ветер, чтобы полет проходил по трассе, это и есть угол сноса – УС (по-английски WCA – wind correction angle или drift angle).

Другими словами, это угол, заключенный между векторам воздушной и путевой скоростей. Отсчитывается угол сноса всегда от вектора воздушной скорости по часовой стрелке (как в нашем случае) со знаком плюс, против часовой – со знаком минус.

Чтобы вычислить скорректированный на ветер курс полета, необходимо из путевого угла вычесть угол сноса со своим знаком.

Расчет угла сноса и путевой скорости.

Для вычисления угла сноса и путевой скорости, необходимо вычислить вспомогательную величину, которая называется угол ветра (УВ) – угол, заключенный между вектором путевой скорости и вектором ветра, то есть, это направление ветра с привязкой к направлению движения воздушного судна.

Напомним, что навигационный ветер (НВ) отличается от метеорологического на 180 градусов и, как правило, на величину магнитного склонения.

С помощью теоремы синусов получаем и формулу угла сноса:

Эту формулу легко упростить, выразив угловые величины в радианах:

U – скорость ветра, Vи – истинная воздушная скорость. Для корректного расчета обе этих величины должны быть приведены к одной единице измерения, например к узлам или метрам в секунду. На практике вместо постоянного значения 57,3 применяют 60, что дает минимальную ошибку, но значительно упрощает вычисление угла сноса в уме.

Формула путевой скорости выводится методом проецирования векторов воздушной скорости и ветра на соответствующую ось и выглядит следующим образом:

При небольших значениях угла сноса можно использовать упрощенную формулу:

Если в России традиционно угол сноса принято вычислять со знаком плюс или минус, то на западе пилотов учат несколько по-другому: сам угол вычисляется как модульная величина, к которой добавляется буквы R или L, R означает, что ось самолета нужно развернуть против ветра вправо, то есть прибавить угол сноса к путевому углу, а L – наоборот влево, то есть угол сноса вычитается из путевого угла. Кроме того, вычисление угла сноса и путевой скорости в основном производится не по формулам, а с помощью механического компьютера E6B и его аналогов.

Считаем в уме.

Существует простой алгоритм вычисления угла сноса в уме.В первую очередь необходимо вычислить максимальный угол сноса при данном ветре. Как легко догадаться, максимальным он будет при боковом ветре, то есть при угле ветра в 90 градусов, а поскольку синус 90 градусов равен единице, эту часть формулы упраздняем и получаем:

Прикинув максимальное значение угла сноса, его нужно скорректировать на направление, что легко делается в уме, если знать значения синусов основных углов:

Знак же определяется исходя из направления ветра, если ветер дует в правый борт, то минус, если в левый, то плюс.

Зная косинусы основных углов легко также в уме вычислить продольную составляющую ветра, которая в свою очередь позволит вычислить путевую скорость.

Для примера рассчитаем в уме угол сноса и путевую скорость для самолета Боинг-737 при заходе на посадку, имея следующие данные:

Воздушная скорость при заходе 140 узлов

Посадочный путевой угол 90˚

Ветер 120˚, 30 узлов

Определяем максимальный угол сноса: 12˚, корректируем на направление ветра. Ветер встречно-боковой в правый борт под 30˚, таким образом, угол сноса равен минус 6˚, то есть необходимо довернуть вправо против ветра на 6˚. Далее рассчитываем встречную составляющую ветра: 26 узлов. Вычитаем ее из воздушной скорости, получаем путевую скорость на глиссаде 114 узлов.