Wiatr przywodny.doc

  Wiatr przywodny, kierunek i prędkość, samodzielne odczytanie z mapy pola ciśnienia
 
  Wiatr przywodny, czyli wiejący na poziomie około 10 m nad powierzchnią morza stanowi w codziennej praktyce nawigacyjnej jeden z najważniejszych elementów meteorologicznych. Wywiera on bezpośrednie działanie na statek (parcie wiatru, opory aerodynamiczne...) jak i wpływ na powierzchnię morza, generując falowanie wiatrowe i prąd wiatrowy. Parcie wiatru stanowi dodatkową siłę (dodatkowe siły) przyłożoną do statku, stanowiącą przyczynę dryfu i wymagające korygowania kursu (poprawka na dryf). Wprowadzane opory aerodynamiczne powodują zmiany prędkości statku. Falowanie wiatrowe wprowadza (tak jak i falowanie rozkołysu) wystąpienie dodatkowych oporów falowych, mających na ogół znacznie większe znaczenie niż same opory aerodynamiczne. Dodatkowo falowanie wiatrowe powoduje występowanie przechyłów bocznych i wzdłużnych statku i związanych z tym przyspieszeń, oddziałujących na kadłub, ładunek, pracę mechanizmów okrętowych i załogę. Z tego względu wymogi konwencyjne (STCW) wymagają od każdego oficera pokładowego, niezależnie od klasy dyplomu, biegłej umiejętności odczytywania z mapy pola ciśnienia kierunku i prędkości wiatru. Kierunek i prędkość wiatru odczytuje się tak samo na mapach analiz i mapach prognoz.

Określanie kierunku wiatru przywodnego z mapy faksymilowej (mapy dolnej pola ciśnienia)

    Reguła: wiatr przywodny wieje od ciśnienia wyższego do ciśnienia niższego. Wiatr przywodny przecina izobarę pod kątem 15-25°. Im mniejszy promień krzywizny izobary, tym kąt odchylenia bardziej zbliża się do wartości 25°. Im większa prędkość wiatru, tym kierunek wiatru staje się bardziej zbliżony (bliższy równoległemu) do przebiegu izobary. Uwaga: pamiętaj, żekierunek wiatru, to ten kierunek z którego wiatr wieje!

    Kierunek wiatru przywodnego (występującego na wysokości około 10 m nad powierzchnią morza) w strefie szerokości od 15° do 80° na obu półkulach odczytujemy z mapy faksymilowej w następujący sposób:
1. identyfikujemy, w którą stronę w obszarze naszego zainteresowania spada ciśnienie,
2. jeśli przez obszar zainteresowania nie przebiega żadna izobara, wyznaczamy przebieg izobary drogą interpolacji, jej wartość nie ma znaczenia,
3. określamy po której stronie izobary panuje wyższe ciśnienie,
4. odczytujemy z mapy kierunek (zwrot) wektora skierowanego 15-25° w lewo w stosunku do przebiegu izobary w stronę ciśnienia wyższego na półkuli północnej, w prawo na półkuli południowej. Ten kierunek jest kierunkiem wiatru.

Przykłady:
a. N półkula, przebieg izobary: W - E, wyższe ciśnienie na S od izobary.
    kierunek wiatru: od: 270° - 15° = 255°; do: 270° - 25° = 245° (~WSW)
b. N półkula, przebieg izobary N - S, wyższe ciśnienie na E od izobary.
    kierunek wiatru: od: 180° - 15° = 165° do: 180° - 25° = 155° (~SSE)
c. N półkula, przebieg izobary SW - NE, wyższe ciśnienie na SE od izobary.
    kierunek wiatru: od: 225° - 15° = 210°do: 225° - 25° = 200° (~SSW)
d. S półkula, przebieg izobary W - E, wyższe ciśnienie na S od izobary.
    kierunek wiatru: od: 90° + 15° = 105° do: 90° +25° = 115° (~ESE)
e. S półkula, przebieg izobary N - S, wyższe ciśnienie na E od izobary.
    kierunek wiatru: od: 0° + 15° = 015° do: 0° + 25° = 025° (~NNE)
f. S półkula, przebieg izobary SW - NE, wyższe ciśnienie na SE od izobary.
    kierunek wiatru: od: 45° + 15° = 060° do: 45° + 25° = 070° (~ENE).

Jeśli masz wątpliwości - przeanalizuj podane przykłady, wykonując dla każdego z nich rysunek. Zastanów się nad tym, które wartości azymutu izobary przyjmujemy do obliczeń na półkuli N, które na półkuli S. Z czego to wynika? Przyjrzyj się wyznaczonym kierunkom wiatrów na załączonych mapach pola ciśnienia.

Dalsze wskazówki:
1. Pamiętaj, że w obszarach bezgradientowych, takich jak centralne części układów wyżowych, w pobliżu osi klinów wysokiego ciśnienia, w siodłach barycznych, wiatru nie będzie (wystąpią cisze) lub występować mogą słabe, zmienne wiatry. Wyznaczanie kierunku wiatru w takich sytuacjach barycznych powinno się sprowadzić do stwierdzenia wystąpienia cisz lub wiatrów zmiennych (kierunku brak lub nieustalony).
2. Pamiętaj, że w momencie przejścia osi zatoki niżowej następuje gwałtowny skręt kierunku wiatru (patrz "zatoka niżowa").
3. Pamiętaj, że kierunek N - S na mapach pogody wyznacza południk lokalny, który może nie być równoległy do pionowej ramki mapy, gdyż wiele z tych map jest wykonywanych w innych projekcjach niż prostokątne, do których jesteśmy przyzwyczajeni z racji posługiwania się mapami w odwzorowaniu Merkatora (np. stożkowych czy stereograficznych). Znaczna część błędów popełnianych przy odczytywaniu kierunku wiatru z mapy wynika z nieuwględnienia tego prostego faktu.
4. Określenie kierunku wiatru z mapy z dokładnością 10° jest w praktyce morskiej zupełnie wystarczające. Często zadawalące jest określenie kierunku wiatru w granicach 22.5 - 45°. Z tego względu nie ma sensu silenie się na określanie kierunku wiatru z mapy ze stopniową dokładnością, tym bardziej, że przebieg izobar na mapach analizy i prognozy obarczony jest często znacznie większym błędem.
5. W niskich szerościach (przyrównikowych; od 15°N do 15°S) odczytywanie w tem sposób kierunku wiatru z mapy jest niedopuszczalne. Siła Coriolisa tam bardzo szybko się zmniejsza (0 na równiku) i kierunki wiatru szybko zmieniają kąt przecięcia izobar (na równiku kierunek wiatru jest prostopadły do izobar). Z tego względu, kierunki wiatru w szerokościach okołorównikowych winny być odczytywane z map analiz tropikalnych (patrz "mapy analiz tropikalnych"). Jeśli odczuwamy nieprzepartą potrzebę odczytania kierunku wiatru z mapy pola ciśnienia w niskich szerokościach, to pamiętajmy, że kąt  tworzony przez kierunek wiatru z izobarą zmienia się w funkcji szerokości (fi) następująco:
fi = 0° - 90°
fi = 5° - 58°
fi = 10° - 38°
fi = 20° - 22°
 

Obliczanie prędkości wiatru z mapy faksymilowej (mapy dolnej pola ciśnienia)

    Reguła: prędkość wiatru przywodnego stanowi funkcję gradientu barycznego, współczynnika tarcia powietrza o wodę i siły Coriolisa. Inne czynniki (np. siła odśrodkowa) odgrywają tu mniejszą rolę i mogą zostać pominięte. W pierwszym przybliżeniu można założyć, że współczynnik tarcia jest stały; w takim razie prędkość wiatru stanowić będzie funkcję gradientu barycznego i szerokości geograficznej. Im większy gradient baryczny tym większa będzie prędkość wiatru. Im większa szerokość geograficzna, przy tej samej wartości gradientu barycznego, tym mniejsza będzie prędkość wiatru.

    W praktyce morskiej (i synoptycznej) wykorzystuje się trzy metody określania prędkości wiatru z mapy pola ciśnienia. Tak samo określa się prędkości wiatru z map analiz, jak i map prognoz.

 A.  Określenie prędkości wiatru za pomocą skal wiatrowych
    Na mapach wydawanych przez niektóre ośrodki (np. Bracknell) znajdują się nomogramy służące do określenia prędkości wiatru. Są one potocznie nazywane "skalami wiatrowymi". W zdecydowanej większości przypadków pozwalają one określić prędkość wiatru geostroficznego (patrz "wiatr geostroficzny"). Budowa tych nomogamów jest zazwyczaj następująca: na osi y oznaczona jest szerokość geograficzna, w polu osi x znajduje się rodzina krzywych, opisanych wartościami prędkości wiatru.

Skala wiatrowa dla wiatru geostroficznego i cięcia izobar co 4 hPa na mapie prognozy pola ciśnienia wydanej przez Bracknell

Odczytanie prędkości wiatru z mapy sprowadza się do następujących działań:

1. za pomocą przenośnika mierzymy odległość między sąsiednimi izobarami w obszarze zainteresowania, zwracając uwagę, aby zmierzona odległość była najkrótszą odległością między izobarami (prostopadła do stycznej w punkcie),

2. odczytujemy średnią szerokość geograficzną w miejscu (rejonie) pomiaru (dokładość do 1-2°),

3. na lewej osi y nomogramu odszukujemy szerokość geograficzną odpowiadającą szerokości miejsca pomiaru, nakłuwamy jedną igłą nanośnika wybraną szerokość i starając się zachować równoległość rozpiętości nanośnika do osi x oznaczamy (nakłuwamy) punkt  drugą igłą między (niekiedy na) krzywymi prędkości wiatru,

4. interpolujemy liniowo wartość prędkości wiatru wyznaczonego punktu z opisanych wartości sąsiednich krzywych. Jest to odczytana średnia prędkość wiatru (V).

5. Jeśli skala wiatru jest skalą wiatru geostroficznego, zachodzi potrzeba sprowadzenia odczytanej prędkości wiatru geostroficznego (VG) do prędkości wiatru przywodnego (Vw). Jeśli nie znamy różnicy temperatury powietrza i wody, lub jeśli nie zależy nam na specjalnej precyzji, przyjmujemy średnią wartość współczynnika redukcyjnego równą 0.7:

Vw = VG * 0.7

przy czym mianowanie obliczonej prędkości wiatru przywodnego (Vw) jest takie samo, jak mianowanie prędkości wiatru geostroficznego (VG; węzły lub m/s).

Wskazówki praktyczne
a. Przed rozpoczęciem określania prędkości wiatru tą metodą należy upewnić się, czy skala wiatrowa na danej mapie jest skalą wiatru geostroficznego, czy skalą wiatru przywodnego (wind in sea-level, sea-level wind) oraz w jakich jednostkach jest mianowana prędkość wiatru (węzły, m/s). W przypadku, jeśli jest to skala dla wiatru przywodnego nie stosuje się reducji prędkości - odczytana prędkość jest prędkością wiatru przywodnego (punkt 5 procedury zbędny). Skale wiatru na poziomie morza są stosowane rzadko. Jeśli skala nie jest wyraźnie opisana, należy przyjąć, że jest to skala wiatru geostroficznego, jednak przy pierwszym korzystaniu z mapy wydawanej przez dany ośrodek, uzyskany wynik należy sprawdzić jedną z dwóch dalej omówionych metod.
b. Choć jest to oczywiste, z naciskiem podkreślam, że skale wiatrowe wolno stosować wyłącznie na tych mapach, na których są zamieszczone. Skala wiatrowa jest dostosowana do cięcia izobar występującego na danej mapie (5 lub 4 hPa), skali mapy i jej projekcji. Nie wolno stosować skali wiatrowej z jednej mapy do odczytywania prędkości wiatru na innej mapie pola ciśnienia (spotkałem się z takimi działaniami!), tak otrzymane wyniki mają się nijak do rzeczywistości.

B. Określanie prędkości wiatru metodą przybliżenia geostroficznego
    Prędkość wiatru przywodnego określić możemy obliczając prędkość wiatru geostroficznego a następnie zredukować ją do prędkości wiatru przywodnego, możąc przez współczynnik redukcyjny, stosowny dla różnicy temperatury powietrza i wody.
    Formuła pozwalająca określić prędkość wiatru geostroficznego w metrach na sekundę (VG) jest następująca:

VG = (4.81 * GB) / sin(fi) [ m/s],

gdzie: (fi) - szerokość geograficzna (dokładność 1-2°)
            GB - gradient baryczny (hPa / 1°)
Mnożąc obliczoną prędkość wiatru geostroficznego przez współczynnik redukcyjny (k):

VW = VG * k,

otrzymamy prędkość wiatru przywodnego.

Wskazówki praktyczne
a.    Metodą przybliżenia geostroficznego można szacować prędkość wiatru w szerokościach od 85 do 20°. Obliczanie tą metodą prędkości wiatru w niskich i bardzo niskich szerokościach da wartości silnie zawyżone, absurdalnie wielkie w bezpośredniej bliskości równika (sin(fi) dąży do zera!)
b.   Aby móc skorzystać z tej metody należy wcześniej obliczyć występujący w obszarze zainteresowania gradient baryczny (patrz "obliczanie gradientu barycznego").
c.    W sytuacji, gdy nie jest wymagana precyzja w obliczaniu prędkości wiatru przywodnego, współczynnik reducyjny k przyjmuje się jako równy 0.7

C. Obliczanie prędkości wiatru przywodnego metodą współczynników gradientowych
    Podobnie, jak w poprzednio omówionej metodzie, i tej metodzie, do określenia prędkości wiatru przywodnego niezbędna jest znajomość wartości gradientu barycznego (GB) w interesującym nas obszarze.
Można założyć, że prędkość wiatru przywodnego jest funkcją gradientu barycznego, szerokości geograficznej (siła Coriolisa) i siły tarcia powietrza o wodę. Zakładając, że siła tarcia jest stała (patrz "Reguła" we wstępie), można napisać:

VG = K * GB

gdzie: K jest współczynnikiem proporcjonalności, uwzględniającym jednocześnie wartość siły Coriolisa i średniego współczynnika tarcia.
    W ten sposób K staje się jedynie funkcją szerokości geograficznej. Wartości współczynnika K, dla prędkości wiatru mianowanej w metrach na sekundę (m/s) są następujące:  

Wystarczy przemnożyć znaną wartość gradientu barycznego w interesującym nas obszarze (patrz "obliczanie gradientu barycznego") przez wartość wpółczynnika dla danej strefy szerokościowej. Współczynników nie należy interpolować, przyjmuje się taki sam współczynnik dla wszystkich szerokości mieszczących się w danej strefie (zarówno gdy np. liczy się prędkość wiatru dla gradientu zmierzonego na szerokości 42° czy szerokości 47° przyjmuje się taki sam współczynnik, równy 5).
    Otrzymane w ten sposób prędkości wiatru (w metrach na sekundę) są już prędkościami wiatru przywodnego
i nie wymagają żadnych redukcji !.

Porównanie metod określania prędkości wiatru przywodnego
    Wszystkie trzy przedstawione metody charakteryzują się praktycznie takim samym stopniem dokładności, który wynosi około plus minus 10% obserwowanej prędkości wiatru. Oznacza to, że im większa jest prędkość wiatru, tym większy jest błąd bezwględny (przy wietrze 2.0 m/s błąd 0.2 m/s, przy wietrze 20 m/s błąd około 2 m/s).
Głównymi źródłami błędów w określaniu prędkości wiatru są:
- w metodzie "skal wiatrowych" - dokładność interpolacji między krzywymi prędkości wiatru, dokładność pomiaru odległości między izobarami. Przy niewielkich prędkościach wiatru błąd odczytu prędkości wiatru jest mały, przy dużych - niewielkie odległości między krzywymi wymagają bardzo starannej interpolacji.
- w obu pozostałych metodach - dokładność i prawidłowość obliczenia gradientu barycznego,
- we wszystkich trzech metodach - błędy (przybliżenia) wnoszone przez obraz pola barycznego, przedstawionego na mapach faksymilowych, na mapach prognozy - dodatkowo ewentualne błędy prognozy.
Dodatkowe, większe odstępstwa samodzielnie obliczonej prędkości wiatru od obserwowanej wiążą się z przyjęciem średniej wartości współczynnika redukcyjnego na siłę tarcia, niezgodnej z wartościami rzeczywistymi (patrz "współczynniki redukcyjne prędkości wiatru przywodnego", "siła tarcia", "struktura wiatru").

Wskazówki praktyczne
    Należy zdawać sobie sprawę z tego, że dobry pomiar prędkości wiatru ma dokładność około 1 m/s (2 węzły). Uzyskiwane dokładności rzędu 2 czy 3 miejsc po przecinku dotyczą obliczania uśrednionej prędkości wiatru i stanowią wynik operacji arytmetycznej, nie zaś pomiaru. Z tego względu dążenie do uzyskiwania, jak często sądzą naiwni, dokładnych wyników (typu 14.711 m/s zamiast 11-13 m/s) jest pozbawione sensu. W praktyce (morskiej, rzecz jasna) dokładności 1 - 2 m/s, czy 10% prędkości są całkowicie zadawalające i poza jakimiś szczególnymi przypadkami, mieszczą się w granicach odpowiednich stopni skali Beauforta.