logoKMiON. Materiały dla studentów Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni

Pomiar parametrów wiatru

Definicje, uwagi ogólne

Mianem wiatru określa się ruch powietrza. Ruch powietrza jest (może być) opisany wektorem o określonej wielkości (prędkość wiatru) i zwrocie (kierunek wiatru). Wektor ten jest odniesiony do punktu na powierzchni Ziemi. Stan, w którym powietrze znajduje się w bezruchu określa się mianem ciszy (cisza; ang. Calm). Określenie "cisza" jednoznacznie określa, że wiatru nie ma (wiatr nie występuje). W czasie ciszy prędkość ruchu powietrza jest zerowa, zaś pojecie kierunku ruchu traci sens logiczny (kierunek nie istnieje)
Pomiar wiatru sprowadza się określenia jaki jest kierunek i jaka jest prędkość wiatru.

Kierunek wiatru jest kierunkiem z jakiego wiatr wieje ("wiatr wchodzi do róży kompasowej"). Określenie "wiatr zachodni" oznacza że wiatr wieje z kierunku zachodniego, wiatr północny - że wiatr wieje z północy itd. W praktyce obserwacyjnej kierunek wiatru powinien być określony z dokładnością nie mniejszą niż 10° (miary kątowej, współrzędne azymutalne). W zależności od rodzaju pomiaru i charakteru wiatru (przyrządy, metoda pomiaru) realną dokładnością kierunku wiatru są granice od 2 do 8-10°. Podawane niekiedy wartości kierunku wiatru z dokładnością do 0.1° stanowią jedynie przejaw naiwności oraz głębokiej wiary obserwatora i nijak się mają do rzeczywistości.
Jeśli kierunek wiatru mierzony jest względem nieruchomego punktu na powierzchni Ziemi, kierunek taki jest kierunkiem rzeczywistym wiatru (kierunek wiatru rzeczywistego). Jeśli pomiar kierunku wiatru prowadzony jest przez przyrząd znajdujący się w ruchu względem powierzchni Ziemi (znajdujący się na statku, samolocie, innym obiekcie ruchomym) taki kierunek jest kierunkiem wiatru pozornego.
Prędkość wiatru określa drogę, jaką w jednostce czasu powietrze przebywa względem przyrządu pomiarowego. Jeśli przyrząd pomiarowy jest w momencie pomiaru nieruchomy względem punktu na powierzchni Ziemi, przyrząd będzie mierzył prędkość wiatru rzeczywistego. jeśli przyrząd znajduje się na obiekcie poruszającym się względem powierzchni Ziemi (statek, samolot, wózek inwalidzki, ...) mierzona będzie prędkość wiatru pozornego.
Prędkość wiatru określa się w metrach na sekundę (m/s). Dopuszczalną (legalną) wielkością są również węzły (w; 1 w = Mm/godz; 1 w  ~ 0.5 m/s). Spotyka się często z podawaniem prędkości wiatru w km/godzinę, milach statutowych na godzinę, itp; takie są jednostkami nielegalnymi - WMO nie dopuszcza ich stosowania w wymianie informacji meteorologicznych (co nie znaczy, że służby meteorologiczne niektórych państw kompletnie lekceważą te zalecenia  lub nie są wystarczająco wewnętrznie zdyscyplinowane (zarządy czy dyrekcje służb meteorologicznych same nie znają obowiązujących w tym względzie norm lub nie panują nad zatrudnionym personelem). Wobec tego, że ta sama prędkość wiatru podawana w różnych jednostkach będzie miała całkowicie rożne wartości, przekazana wartość prędkości wiatru bez jednoznacznie określonego miana staje się bezwartościowa, w niektórych sytuacjach stwarza wręcz zagrożenie. Z tego względu, przy korzystaniu z informacji (danych) zewnętrznych należy się zawsze upewnić, w jakich jednostkach jest podawana prędkość wiatru.

Przyrządy do pomiaru prędkości i kierunku wiatru

Przyrządy służące do pomiaru elementów wiatru można podzielić na:

Obecnie, na statkach powszechnie stosuje się wiaromierze stacjonarne najróżniejszych typów, których zasada działania również może być bardzo różna. Wiatromierze stacjonane najczęściej mają dwa odrębne czujniki:
wiatromierz stacjonarny
Ryc. 1. Czujniki wiatromierza stacjonarnego. Lewy (z czaszami) - czujnik pomiaru prędkości wiatru, prawy - czujnik kierunku wiatru (brzechwa).

Czujniki wiatromierzy stacjonarnych najczęściej zamieniają mierzone wielkości prędkości i kierunku wiatru na wielkości elektryczne (napięcie, częstotliwość prądu zmiennego, liczby impulsów prostokątnych, etc.) które następnie są przekazywane drogą kablową do  urządzenia odbiorczego znajdującego wewnątrz statku (wewnątrz pomieszczeń stacji meteorologicznej), w nim odpowiednio dekodowane i przedstawiane za pomocą wskaźników wychyłowych (obecnie rzadziej) lub wyświetlaczy cyfrowych (częściej).
    Najprostsze układy pomiaru prędkości wiatru to układy czaszowe (patrz ryc. 1). Najczęściej 3 lub 4 czasze, dokładnie wyważone, osadzone są na obrotowej, łożyskowanej osi. W czasie działania wiatru powstające różnice ciśnienia na wypukłej i wklęsłej części czasz doprowadzą do powstania siły wprawiającej w ruch obrotowy układ czasz. Prędkość obrotów czasz (i ich osi) zamieniana jest na wielkość elektryczną (np na liczbę impulsów - co 2 pełne obroty czasz pojawia się 1 impuls elektryczny lub w innym przyrządzie - oś obraca wirniczek mikrosilnika elektrycznego ze stałymi magnesami stojana - im większa prędkość obrotowa wirnika, tym większa częstotliwość prądu (jeśli prądniczka prądu zmiennego) lub wyższe napięcie, jeśli prądniczka prądu stałego tętniącego). Generowane przez czujnik prędkości wiatru impulsy następnie są systematycznie zliczane w jednostce czasu (np. co 1 sek) przez układ pomiarowy. Jeśli np. do obrotu układu czasz o 360° wiatr musi przebyć względem czasz np. 60 cm, każdy obrót czaszy o 360° generuje 1 impuls, układ zliczył w ciągu sekundy 3 impulsy, to:

1 impuls na 1 obrót czasz: 3 impulsy * 0.6 m = 1.8 m/s (prędkość wiatru).

Odpowiedni układ przeliczający, najczęściej przetwornik analogowo-cyfrowy, sterujący jednocześnie wyświetlaczem cyfrowym, dokonuje tych operacji obliczeniowych i wyświetlacz wyświetla podaną przez sterownik wartość. W przypadku pomiaru częstotliwości, napięcia, oporu lub innej wartości elektrycznej, stosuje odpowiednio inne układy analizująco-zliczające i odpowiednie, dostosowane do tych urządzeń urządzenia wizualizujące (od wskaźników wychyłowych po monitory).
    Czujniki kierunku wiatru najczęściej konstrowane są jako "oś z brzechwą". Do dobrze ułożyskowanej, pionowej osi, przymocowany jest element poprzeczny (horyzontalny), na którego jednym z końców znajduje się brzechwa (element pionowy o jakiejś, na ogół niewielkiej powierzchni), na drugim - obciążenie, równoważące masę brzechwy. W przypadku działania wiatru, na powierzchni brzechwy powstają różnice ciśnień, w wyniku ich istnienia pojawia się moment skręcający. Brzechwa stabilizuje swoje położenie względem wiatru. gdy różnice ciśnienia na obu jej powierzchniach bocznych wyrównują się. Jest to sytuacja, gdy brzechwa ustawia się zgodnie z kierunkiem wiatru (równoległe do kierunku przepływu powietrza). W tym przypadku przeciwny do położenia brzechwy koniec wlementu horyzontalnego wskazuje kierunek z którego wieje wiatr (kierunek wiatru). Orientacja względem początku układu odniesienia (na przyrządach na lądzie - północy, na statkach - osi symetrii (diametralnej) kadłuba) jest zamieniana na wielkość elektryczną (np. za pomocą silika synchronicznego - układ selsynowy), która w układzie pomiarowym zostaje dekodowana i wizualizowana.
    Istnieją wiatromierze, pozwalające na pomiar prędkości i kierunku wiatru, nie zawierające żadnych części ruchomych. Działają one na przykład na  zasadzie pomiaru różnic ciśnienia występujących na 4 (na ogół, niekiedy 5 lub 6) rurkach Pittota, których wyloty są odpowiednio odchylone. Tam, różnice ciśnienia, proporcjonalne do kierunku i prędkości wiatru względem każdego z wylotów rurek Pittota, zamieniane na wielkości elektryczne (przetwornik analogowo-cyfrowy), są odpowiednio przeliczane przez wyspecjalizowany mikroprocesor i wizualizowane. Obecnie dość często na statkach spotyka się również wiatromierze ultradźwiękowe. Działanie tych ostatnich oparte jest na pomiarze efektu doplerowskiego.

    Jak więc można się domyślić z przedstawionego opisu, rozwiązań technicznych i konstrukcyjnych wiatromierzy jest bardzo wiele. Każdy jednak z prototypów wiatromierzy konstrowanych do użytku jako narzędzie pomiarowe, przechodzi skomplikowany proces badania w tunelu aerodynamicznym, gdzie podlega określeniu szereg jego cech (charakterystka prędkościowa i kierunkowa, czułość, zakres pomiarowy, etc.). Każdy wyprodukowany i dostarczony wiatromierz powinien mieć świadectwo dopuszczenia (stwierdzające jego przydatność jako narzędzia pomiarowego; dotyczy to danego typu wiatromierza), świadectwo tarowania (gwarantujące odpowiednią dokładność pomiaru konkretnego przyrządu) i świadectwo techniczne (stwierdzające wykonanie zgodnie z określoną normą/normami i przejście wszystkich badań sprawdzających). Bez tych świadectw przyrząd jest przyrządem, który coś powinien mierzyć, ale nie do końa wiadomo, co i jak. Z punktu widzenia przydatności do pomiarów meteorologicznych takiego przyrządu, jest on bezwartościowy.  Należy zdecydowanie preferować przyrządy wytwarzane przez firmy legitymujące się odpowiednim certyfikatem ISO.
Przykłady niektórych układów wiatromierzy przedstawiają ryciny 2 i 3.
wiatromierz jachtowy prod. MORS
Ryc. 2. Układ czujników i zespół mierników wiatromierza jachtowego (prod. MORS, Gdynia). Czujnik kierunku wiatru i prędkości wiatru znajdują się w tym samym bloku, na wytyku (zółta, ugięta rurka). Z wytyku wyprowadzony jest kabel wielożyłowy, zakończony wtykiem, służącym do połączenia z następnym odcinkiem kabla, doprowadzojącego sygnał do mierników (w szarej  obudowie). Prawy miernik - prędkość wiatru pozornego, mierniki lewy i środkowy - wskaźniki sektorowe kąta wiatru pozornego.

anemometr mlodego Zootechnika
Ryc. 3. Czujnik prędkości wiatru (3.czaszowy) i miernik prędkości i kierunku wiatru (wiatromierz prod. polskiej). Tu kierunek wiatru oznaczony jest przez świecenie diody półprzewodnikowej na obwodzie róży wiatrów. Przyrząd konstruowany dla stacji lądowych, na których istnieje możliwość (i potrzeba) stałego zorientowania czujnika kierunku wiatru względem stron świata, stąd geograficzne oznaczenia kierunków N, NE, E, itd.

Przyrządy ręczne to proste i niewielkie urządzenia pozwalające na pomiar prękości wiatru. Dzielą się one na:

Anemometr mierzy średnią prędkość wiatru. Przyrząd taki zlicza drogę wiatru przebytą względem przyrządu. W najprostszym przypadku zapisuje się stan licznika przyrządu przed pomiarem, następnie trzymając przyrząd w ręku uruchamia się licznik na określony czas (100 lub 60 sekund) i po upływie tego czasu wyłącza. Następnie odczytuje się stan licznika po pomiarze. Od stanu licznika po pomiarze odejmuje się stan licznika przed pomiarem; otrzymana wartość stanowi drogę powietrza względem przyrządu. Dzieląc tą wielkość przez czas pomiaru uzyskujemy średnią (100 sekundową lub 60 sekundową) prędkość wiatru. Tak działa na przykład anemometr Robinsona. Są anemometry, w których odpowiednim przyciskiem można skasować wynik wcześniejszego pomiaru, wtedy licznik zlicza drogę wiatru względem przyrządu od zera - uzyskana po pomiarze wartość dzielona jest przez czas.
Pewną odmianą anemometrów są anemometry całkujące (np. anemometr całkujący Rosemillera). W tych przyrządach znajduje się mechanizm zegarowy, który wraz z rozpoczęciem pomiaru uruchamia się i wyłącza pomiar automatycznie po 100 sekundach. Jednocześnie wewnątrz przyrządu znajduje się mechaniczny układ całkujący, "liczący" od razu wartość średniej prędkości wiatru. Tak więc, po zakończeniu pomiaru, ze skali przyrządu odczytuje się natychmiast gotową średnią 100.sekundową prędkość wiatru, co czyni zbędnym wykonywanie jakichkolwiek obliczeń.
anemometr calkujacy Rosemillera
Ryc. 4. Anemometr całkujący Rosemillera. Widoczny przycisk z prawej strony przyrządu służy do zerowania licznika średniej prędkości wiatru. Na dużej skali - średnie prędkości wiatru w m/s (0.0-9.9). Okrągły mały licznik (prawo-góra od osi dużej strzałki) zlicza dziesiątki metrów; jeśli wskazówka na liczniku "głównym" pokazuje wartość np. 2.3 m/s a wskazówka małego licznika znajduje się w położeniu między 1 a 2, średnia prędkość wiatru wynosi 12.3 m/s (suma przekroczonych wartości dziesiątek i m/s). Anemometry całkujące Rosemillera okazują się być bardzo wytrzymałymi przyrządami - takim anemometrem autor zmierzył na statku stojącym na kotwicy w Zatoce Ezcurra (Anatraktyka, Wyspa Króla Jerzego) średnią prędkość wiatru 52 m/s (luty 1978) i przyrząd nadawał się jeszcze do użytku.

Anemotachometr mierzy chwilową prędkość wiatru. Jego konstrukcja oparta jest najczęściej na podobnej zasadzie, co i konstrukcja szybkościomierza motocyklowego (napędzana przez wirujące czasze oś pionowa obraca niewielki magnes, wzbudzający prąd wirowy w znajdującej się pod magnesem aluminiowej tarczy, która skręca się o kąt proporcjonalny do prędkości wirowania magnesu). Wystawiony na działanie wiatru przyrząd wskazuje aktualną prędkość wiatru. Przyrządy skalowane są w metrach na sekundę lub w węzłach, niekiedy dodatkowo znajduje się pomocnicza skala siły wiatru (skala Beauforta).

anemotachometr METRA
Ryc. 5. Anemotachometr (produkcji czechosłowackiej, firma "Metra"). Widoczne dwie skale - górna (czarna) w m/s, dolna - czerwona w stopniach Beauforta (siła wiatru). Zasadniczą wadą przedstawionego na rycinie przyrządu jest ograniczenie zakresu prędkości pomiaru do 25 m/s i delikatność przyrządu. Przy większych prędkościach wiatru ulega on zniszczeniu, nawet prawidłowo stosowany, w warunkach morskich wykazywał krótką żywotność, ze względu na szybko postępującą korozję elementów metalowych od zasolonego pyłu wodnego, znajdującego się w powietrzu.

W czasie pomiaru prędkość wiatru odczytuje się w tym miejscu skali, wokół którego strzałka przyrządu znajduje się najczęściej (odpowiada to w przybliżeniu średniej prędkości wiatru). Za pomocą anemotachometru można określić maksymalną prędkość wiatru w porywach, czego nie można dokonać korzystając z amemometrów.
    Wykonując pomiary anemometrem czy anemotachometrem ręcznym, należy wyjść na otwartą przestrzeń (np. pokład pelengowy), na statku w ruchu i przy występowaniu silniejszego wiatru tworzą się silnie zróżnicowane pod względem prędkości strugi powietrza opływającego statek. W niektórych miejscach (np. na nawietrznej forszotu przy kursie pod wiatr) prękości powietrza mogą być znacznie większe od prędkości wiatru, w innych - mniejsze.

Ogólne uwagi do przyrządów służących do pomiaru wiatru.
1. Każdy z przyrządów służących do pomiaru prędkości wiatru ma górną granicę zakresu pomiaru. W wielu przyrządach jest ona stosunkowo niska (np. 40 m/s, 30 m/s (np. w anemotachometrach produkcji ZSRR), 25 m/s (w anemotachometrach prod. CSSR). Wykonując pomiar przy dużej prędkości wiatru, jeśli miernik pokazuje górny zakres pomiarowy, należy sprawdzić, czy prędkość wiatru w rzeczywistości nie wykracza poza górny zakres pomiaru przyrządu.
2. Największe prędkości wiatru nad morzem nie zostały zarejestrowane, gdyż wiatromierze nie wytrzymują naporu wiatru. Te prędkości zostały oszacowane w inny, skomplikowany sposób (metodą prób zniszczeniowych). Po przejściu ekstermalnie silnego wiatru, wiatromierze statkowe powinny zostać sprawdzone przez odpowiedni serwis. Nawet jeśli wiatromierz "coś pokazuje", istnieje duże prawdopodobieństwo, że to "coś" ma niewiele wspólnego z rzeczywistością.
3. Proszę mi na egzaminie i kolokwiach nie bredzić na temat wiatromierzy Wilda. To, że w polskich podręcznikach znajdują się informacje na ten temat, nie znaczy, że te przyrządy stosowane do obserwacji meteorologicznych, stanowi to jedynie przejaw głębokiego przywiązania do tradycji (lub mówiąc otwarcie - kompromitującego zacofania). Wiatromierze Wilda, były stosowane wyłącznie na stacjach lądowych (nigdy na morzu, gdzie stosowano bezpośrednio skalę Beauforta) w okresie od końca XIX wieku do lat 50. XX wieku; nie mierzyły one prędkości wiatru, lecz siłę wiatru (patrz siła wiatru). Nie pozwalały one na określenie siły wiatru większej niż 8°B - przy tej sile wiatru płytka wiatromierza ustawiała się już poziomo (od 17.2 m/s) i dalszy wzrost prędkości wiatru nie dawał żadnych rezultatów (przynajmniej do momentu, kiedy pod naporem wiatru nie łamał się słup, na którym był zamocowany wiatromierz).

Obserwacje wiatru

Pomiar kierunku i prędkości wiatru powinien być pomiarem instrumentalnym, tylko w wyjątkowych przypadkach można zastąpić go w części lub w całości obserwacją. Standardy wykonywania obserwacji meteorologicznych wymagają, aby podawana w depeszach SHIP (ale i SYNOP) oraz zapisywane w dziennikach obserwacyjnych prędkość wiatru była średnią 10 minutową. Dopuszcza się również przekazywanie w depeszy i notowanie w dziennikach obserwacyjnych średnich 100 lub 60.sekundowych, lecz fakt taki musi być wyraźnie zaznaczony w uwagach zawartych w Dzienniku Obserwacji (wpis dokonany przez obserwatora; dotyczy to sytuacji pomiaru wiatru w cyklonie tropikalnym). Żadne inne okresy uśredniania prędkości wiatru nie są dopuszczalne. W związku z powyższym autora tych słów wprawiają w zdumienie rozważania (spotykane również na konferencjach naukowych) na temat ":jaki okres uśredniania daje najlepsze rezultaty", czy też "czy lepsza jest średnia 5.minutowa czy 15.minutowa". "Badania" tego typu są bezsensowne z punktu widzenia jakości obserwacji, zaś z logicznego punktu widzenia, dowolna średnia, jeśli jest tylko poprawnie policzona, jest prawdziwa. Jeśli wiatromierz znajdujący się na statku ma możliwość regulacji okresu uśrednienia, a nie jest fabrycznie ustawiony na 1.sekundowy okres próbkowania, należy ustawić okres próbkowania na 1-10 sekund.
Podana wartość średniej prędkości wiatru powinna być zaokrąglona do pełnych metrów na sekundę, zgodnie z obowiązującymi zasadami zaokrąglania. Należy zdawać sobie sprawę z tego, że rzeczywista dokładność pomiaru prędkości wiatru standardowymi urządzeniami pomiarowymi jest równa około 1 m/s. Uzyskanie wartości z kilkoma miejscami po przecinku stanowi jedynie wynik operacji arytmetycznej (dzielenie), nie stanowi zaś o rzeczywistej dokładności pomiaru.
Kierunek wiatru odczytuje się ze wskazań wiatromierza, dokładność odczytanego kierunku powinna być zgodna z wskazywaną wartością. Ponieważ na statku w ruchu odczytuje się parametry wiatru pozornego, wiatr pozorny należy zamienić na wiatr rzeczywisty (patrz "parametry wiatru rzeczywistego"). Na statku stojącym w dryfie lub na kotwicy, można efekty dryfu czy łukowania uznać za nieistotne i przyjąć, że odczytane z wiatromierza stacjonarnego wartości są parametrami wiatru rzeczywistego.
Wykorzystując anemometry czy anemotachometry ręczne, uzyskujemy tylko prędkość wiatru. Kierunek wiatru ustalamy wtedy na podstawie obserwacji (np. bandery, icka, spalin uchodzących z komina, ...). Obserwacja powinna być dokładna, nie gorsza niż 10°. Ponieważ obserwacje te można wykonać tylko w jasnej porze doby, dobrze jest (jeśli go jeszcze nie ma) zainstalować reflektor, podświetlający icka.
Należy pamiętać, aby nie określać na statku znajdującym się w ruchu kierunku wiatru z przemieszczania się fali wiatrowej - odtwarza on kierunek wiatru rzeczywistego. Przyjęcie do dalszych kalkulacji prędkości wiatru pozornego i kierunku wiatru rzeczywistego (zamiast kierunku wiatru pozornego), skutecznie doprowadzi do uzyskania błędnego określenia parametrów wiatru rzeczywistego.
W przypadku braku lub uszkodzenia wiatromierzy (anemometru, anemotachometru), określenia parametrów wiatru rzeczywistego można dokonać bezpośrednio z obserwacji powierzchni morza (patrz: wiatr pozorny). Dokładność takiego szacunku jest jednak mniejsza (wymaga pewnego doświadczenia) i powinna być stosowana wyłącznie w wyjątkowych przypadkach. 


AAM, 10.2002