Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ репрезентативности данных о ветре в приземном слое атмосферы на территории Украины 11
1.1 Современное состояние измерений характеристик ветра на приземной метеорологической сети гидрометеослужбы Украины 11
1.2 Влияние защищенности ветроизмерительных приборов на репрезентативность данных 15
1.2.1 Оценки защищенности ветроизмерительных приборов 15
1.2.2 Анализ защищенности станций метеорологической сети гидрометеослужбы Украины 19
1.3 Влияние изменения методик определения характеристик ветра на однородность данных... ...21
1.4 Приведение скорости ветра станций, расположенных в условиях
горного и холмистого рельефа, к условиям равнинной местности 25
Глава 2 Характеристика сильных ветров на территории Украины ... 43
2.1 Территориальное распределение сильных ветров 43
2.2 Повторяемость сильных ветров различной продолжительности 50
Глава 3 Исследование векторной сущности ветра с помощью анеморумбометра МАРК -60 53
3.1 Характеристика ветра как векторной величины .. 53
3.1.1 Параметр устойчивости и коэффициент порывистости как дополнительные характеристики ветра..56
3.1.2 Зависимость коэффициента порывистости от периода осреднения, скорости ветра и состояния атмосферы ... 60
3.1.3 Связь коэффициента порывистости с закрытостью горизонта... 67
3.1.4 О связи скорости ветра и стратификации атмосферы 70
3.1.5 Суточный ход коэффициента порывистости и его связь с характером облачности 73
3.1.6 Скорость ветра и турбулентность в приземном слое атмосферы 76
3.2 Некоторые особенности определения направления ветра 81
3.2.1 Факторы, влияющие на направление ветра 83
3.2.2 Методы определения направления ветра 86
3.3 О результатах испытаний анеморумбометра МАРК-60 98
3.3.1 Краткая характеристика анеморумбометра МАРК-60 98
3.3.2 О результатах сравнительных наблюдений М-63М-1 -МАРК-60... 100
Глава 4 Некоторые тенденции изменения характеристик ветра на территории Украины 108
4.1 Связь характеристик ветра с глобальными циркуляционными процессами 108
4.1.1 Типы атмосферных макропроцессов ., 109
4.1.2 Влияние солнечной активности на формирование основных особенностей атмосферной циркуляции 113
4.1.3 О влиянии нутации полюсов и изменения скорости вращения Земли на атмосферную циркуляцию 117
4.1.4 О продолжительности существования разных типов циркуляции.„120
V 4.1.5 Особенности атмосферных процессов на территории Украины 125
4.2 Изменение скорости ветра на территории Украины за последние десятилетия 127
4.2.1 Методология подбора и условия местоположения станций для изучения вековых изменений скорости ветра 129
4.2.2, Возможные причины уменьшения скорости ветра за последние десятилетия... 133
Выводы 151
Список литературы
- Влияние защищенности ветроизмерительных приборов на репрезентативность данных
- Повторяемость сильных ветров различной продолжительности
- Зависимость коэффициента порывистости от периода осреднения, скорости ветра и состояния атмосферы
- Типы атмосферных макропроцессов
Введение к работе
Изучение режима ветра на территории Украины имеет большое научное и прикладное значение для экономики страны.
По последним данным (Изменение климата, обобщенный доклад -техническое резюме рабочей группы 1, В-6, 2001; Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, WCCC, 2003 г.), глобальное и региональное изменение климата, в первую очередь глобальное потепление, может привести к увеличению частоты экстремальных погодных явлений и оказать негативное воздействие на состояние экономики, экосистем, здоровье человека и качество жизни.
В то же время появились, пока только ограниченные и противоречивые, данные относительно того, имеет ли место долгосрочное и крупномасштабное увеличение интенсивности и частоты внетропических циклонов в Северном полушарии и связанных с ним экстремальных явлений, в том числе штормовых и . ураганных ветров.
Таким образом в целом влияние глобальных изменений климата на режим ветра, в частности на увеличение повторяемости стихийных явлений погоды, связанных с ветром, не доказано и требует дальнейшего изучения.
С другой стороны, для улучшения результатов прогнозирования с помощью численных моделей, в которых используются характеристики приземного ветра, также необходимо иметь репрезентативные, не искаженные данные.
Кроме того, возрастание потребности человечества в энергетических ресурсах приводит к необходимости поисков и более широкого использования альтернативных источников энергообеспечения. К их числу относится в первую очередь ветроэнергетика, для развития которой чрезвычайно важно иметь достоверную информацию о режиме ветра на территории предполагаемого размещения ветроэнергетических установок.
В этой связи возможность получения информации о ветровом режиме определенной территории без проведения дорогостоящих специальных дополнительных изысканий является очень актуальной задачей.
Получение достоверной репрезентативной информации о режиме ветра зависит от многих факторов, в том числе от условий размещения ветроизмерительных приборов, высоты установки датчиков, применяемых приборов и методик наблюдений.
Изучение и учет влияния этих факторов в условиях, когда на территории Украины происходит замена систем наблюдений за характеристиками ветра, а многие станции подвергаются значительному антропогенному влиянию, является очень актуальным.
Связь работы с научными программами, планами, темами Тема диссертационной работы соответствует основным направлениям научной деятельности Методического отдела ГГО им. А.И, Воейкова. Также диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственной программой научно-технического переоснащения системы гидрометеорологических наблюдений (Государственная программа «Метеорология»), принятой Постановлением № 579 Кабинета Министров Украины от 29 мая 1996 г.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является оценка основных характеристик приземного
ветра на территории Украины, оценка достоверности характеристик ветра, получаемых с помощью приборов нового типа, и определение зависимости изменений характеристик ветра на территории Украины от глобальных циркуляционных процессов. Основные задачи исследования
При планировании настоящего исследования были поставлены следующие задачи:
выполнить анализ современного состояния наблюдений за характеристиками ветра;
оценить влияние различных микроклиматических факторов на достоверность данных о режиме ветра;
-выполнить пересчет характеристик ветра горных территорий Украины к равнинным формам рельефа;
- оценить изменение режима сильных ветров на территории Украины за период 1990-2000 гг.;
- изучить влияние внедрения методики векторного осреднения скорости ветра на станциях гидрометео службы Украины на однородность данных;
- изучить возможность исследования мелкомасштабных атмосферных
движений в приземном слое с использованием ветроизмерительных приборов
нового поколения;
- выявить тенденции вековых изменений скорости ветра;
- оценить перспективы развития ветроэнергетики в Украине с учетом
глобальных изменений климата и факторов орографии.
Объектом исследования являются характеристики ветра, получаемые на метеорологической сети гидрометеослужбы Украины.
Предметом исследования являются факторы, влияющие на значение характеристик ветра (орография, защищенность ближайшего окружения метеорологической площадки, применяемые методы наблюдения), а также оценка изменения режима ветра на территории Украины в связи с возможным изменением климата.
Методы исследования: применялись статистические методы анализа временных рядов характеристик ветра и атмосферного давления, метод эмпирического исследования данных наблюдений, методы сравнения данных, полученных экспериментальным путем и в процессе стандартных наблюдений, применялись методы анализа и синтеза.
Научная новизна полученных результатов: дано теоретическое обоснование процессов, обуславливающих изменения скорости ветра на отдельных территориях (территория Украины, Антарктика), а также оценка тенденции этих изменений, что имеет большое значение для развития ветроэнергетики. Автором впервые:
- адаптирована для условий Украины методика оценки микроклиматической изменчивости режима ветра под влиянием рельефа и древесной растительности Е.Н.Романовой;
- пересчитана к условиям равнинной местности скорость ветра на метеорологических станциях Украины, расположенных в горной и холмистой местности;
- получена эмпирическая зависимость скорости ветра от защищенности станции, характеризуемой углом закрытости горизонта;
- уточнены значения коэффициента порывистости в зависимости от закрытости горизонта и характера облачности, а также при шквалистом усилении скорости ветра;
- получены результаты сравнения векторного и скалярного осреднения скорости ветра;
- сформулированы рекомендации производителям анеморумбометров МАРК 60 относительно методов расчета средней скорости;
- выявлена цикличность векового хода скорости ветра на территории Украины и ее зависимость от изменения типа циркуляции по Г.Я. Вангенгейму.
Практическое значение полученных результатов состоит в обосновании перспективности развития ветроэнергетики на территории Украины с учетом тенденции вековых изменений скорости ветра, а также в пересчете скоростей ветра, получаемых в пунктах наблюдений реального рельефа к условиям ровного места, который может быть использован при расчете ветроэнергетических запасов отдельных территорий.
Кроме того, рекомендации автора по методике осреднения скорости ветра были внедрены разработчиками и производителями анеморумбометра МАРК-60.
Личный вклад соискателя. Автором лично:
1. Приведена к условиям равнинной открытой местности скорость ветра на метеорологических станциях Украины, расположенных в горной и холмистой местности.
2. Получена эмпирическая зависимость скорости ветра от защищенности Приборов. ;
3. В результате испытаний двух разных методов осреднения скорости ветра даны рекомендации разработчикам анеморумбометра МАРК-60.
4. Уточнены значения, которые может принимать коэффициент порывистости в зависимости от закрытости горизонта и характера облачности, а также при шквалистом усилении ветра.
5. Уточнена тенденция векового хода скорости ветра на территории Украины, в сравнении с Антарктикой.
6. Выявлена зависимость векового хода скорости ветра на территории Украины от типа циркуляции (по Г.Я. Вангенгейму).
Характеристика использованных материалов
Работа выполнена с использованием материалов метеорологических наблюдений сети гидрометеорологических станций Украины, а также антарктических станций: академик Вернадский (до 1996 г. имела название -Фарадей),-с 1951 по 2004 г; Беллинсгаузен-с 1968 по 2004 г, Ротера-с 1978 по 2004 г и других rwww.antarctical: а также данные об индексе солнечной активности с 1891 по 2001 г [http:/ftp.ngdc.noaa.gov/].
Использованы также данные об угле закрытости горизонта гидрометеорологических станций Украины и физико-географические описания станций.
Влияние защищенности ветроизмерительных приборов на репрезентативность данных
Оценка защищенности метеорологической площадки проводится инспектором при непосредственном осмотре ее ближайшего окружения, определяется . характер препятствий, их высота и расстояние от метеорологической площадки. Оценка дается по трем степеням защищенности: защищенный полузащищенный открытый. Защищенной считается площадка, окруженная препятствиями, расположенными на расстояниях, меньших, чем 10-кратная их высота (закрытость горизонта более 7 градусов).
Закрытость горизонта, определяемая из центра метеоплощадки при помощи эклиметра (или другого инструмента, дающего возможность измерять вертикальные углы с точностью около 1 градуса) по 16 румбам, определяется при инспекциях станций и заносится в техническое дело станции в виде графика.
Значения закрытости горизонта уточняются при каждой следующей инспекции (которые проводятся с периодичностью 3-5 лет). Открытой считается площадка в тех случаях, когда препятствия расположены дальше, чем 20-кратная их высота (закрытость горизонта не более 2-3 градуса). Полузащищенными считаются площадки, расположение которых нельзя отнести ни к защищенным, ни к открытым.
Тем не менее некоторые из них можно отнести к условно защищенным или открытым: если со стороны преобладающего направления ветра есть полоса сплошных непродуваемых препятствий (густой лес, строения, насыпи) на расстоянии, меньше их 10-ти кратной высоты, - расположение площадки считается защищенным; если защищенность создается отдельными, далеко друг от друга расположенными препятствиями, не создающими сплошную полосу, или разреженной хорошо продуваемой лиственной растительностью, расположение относится к открытым.
В справочниках по климату [Выпуск 10, 1967; Научно-прикладной справочник, 1990] для учета степени открытости флюгера на станциях использовалась классификация В.Ю. Милевского (табл. 1.2). В соответствии с этой классификацией чем больше класс открытости флюгера, тем меньше его защищенность и тем больше скорость ветра.
Классификация степеней открытости флюгера в зависимости от формы рельефа (по В.Ю.Милевскому) Степень открытости флюгера Форма рельефа Выпуклая Плоская Вогнутая Вблизи водных поверхностей Открытое побережье - океана или открытого (внешнего) моря 12а 116 10в - закрытого (внутреннего) моря Па 106 9в ; - залива, большого озера 10а 96 8в - большой реки 9а 86 7в Далеко от водной поверхности Флюгер выше окружающих предметов - элементы защищенности отсутствуют 8а 76 6в - среди отдельных элементов защищенности 7а 66 5в среди элементов защищенности 6а 56 4в Флюгер ниже окружающих предметов среди элементов защищенности 4а 4Р 4у
Элементами защищенности могут быть холмы, строения, деревья, которые берутся в расчет, если расстояние от них до ветроизмерительного прибора меньше их 20-кратной высоты. : Определенным классам открытости флюгера в данных условиях атмосферной циркуляции отвечает определенная средняя годовая скорость ветра и средняя годовая вероятность различной скорости.
В соответствии с [Милевский, I960] для плоской формы рельефа по средней полосе Европейской территории СССР были получены такие соотношения между классами открытости флюгеров станций и скоростными характеристиками ветра (табл. 1.З.):
Отсюда вытекает, что если нужно определить средние многолетние характеристики ветра для пункта, где наблюдения за скоростью ветра никогда не проводились, то, определив в среднем степень закрытости данного пункта по направлениям, можно приближенно судить о среднем многолетнем режиме скорости ветра.
Поскольку степень открытости флюгера для различных направлений ветра может быть разной, то нужно учитывать закрытость флюгера по каждому румбу, поэтому строились розы открытости флюгера по классам открытости для каждого румба. В.Ю. Милевским были построены некоторые теоретические розы открытости флюгера: а) для степной равнины (класс 76), при этом если бы флюгер стоял в степи на холме (класс 86), то лучи розы были бы длиннее, а если бы стоял в котловине (класс 6в),- то короче; б) для седловины или перевала, которые находятся на горном кряже или хребте, имеющем меридиональное направление; в) для гористого побережья океана, которое тянется з запада на восток, причем на север от станции находится океан, а на юг - возвышенность или горы.
Повторяемость сильных ветров различной продолжительности
Расчеты, проведенные нами с целью обнаружить связь между максимальной скоростью ветра и защищенностью станций, показали, что не существует явной связи между максимальной скоростью ветра и закрытостью горизонта (коэффициент корреляции -0.04), повторяемостью случаев СГЯ - сильного ветра и закрытостью горизонта (коэффициент корреляции - 0.05).
Это свидетельствует о том, что препятствия, которые существуют в ближайшем окружении ветроизмерительних приборов, имеют значение лишь при небольших скоростях ветра. Сильные ветры обуславливаются крупно- и мезо-масштабними процессами. Это определенные синоптические ситуации, о которых упоминалось выше, при которых сгущение изобар приводит к сближению линий тока. А местная циркуляция, обусловленная орографическими и ландшафтными факторами, накладываясь на соответствующие синоптические процессы, может усиливать ветер до значений СПЯ.
К местной циркуляции относятся горно-долинные ветры, ветры склонов, бризы, бора и др.
Горно-долинные ветры - это результат общего действия радиационных, циркуляционных, орографических и ландшафтных факторов. Они в особенности развиты в теплый период года при малооблачной антициклонической погоде и имеют выраженный суточный ход. Горные ветры дуют ночью из гор в долину, долинные направлены днем из долины к горам.
Ветры склонов дуют днем вверх по нагретым склонам, ночью холодный воздух спускается вниз.
Бриз - ветер, обусловленный разностью температур водной поверхности морей и суши, дует днем с моря на сушу, ночью наоборот. Скорость ветра при бризе равняется приблизительно 2 м/с на 1 градус разности температур [Хргиан, 1978]. Максимум скорости при бризе, как и при других ветрах пограничного слоя, наблюдается на высотах 200-300 м. На территории Украины бриз проникает вглубь суши на побережье Черного моря по разным данным от 15 до 40 км.
Для больших городов характерны так называемые городские ветры [Прох, 1983], которые возникают в результате деформации крупно-масштабных воздушных течений в зоне городской застройки. Ветер в городе дует преимущественно вдоль улиц, на перекрестках и в узких проходах между домами возникают струи и вихри, в узких проходах ветер усиливается. Возле нагретых солнцем стен возникают восходящие потоки, возле затененных - нисходящие. Над городом воздух теплее, поэтому возникают ветры от окраин к центру, где формируются восходящие потоки воздуха. Наибольшая разность скоростей ветра в центре города и на окраинах наблюдается весной. Направление ветра в городе может не совпадать с общим воздушным потоком над городом. Безусловно, на пространственное распределение сильных ветров влияет орографический фактор. По данным многолетних наблюдений наибольшая повторяемость и суммарная продолжительность сильных ветров наблюдается в регионах со сложной орографией: в Карпатах, Крыму, на станциях, расположенных на возвышенностях и на побережьях крупных водных объектов.
Как известно, величина ветровой нагрузки зависит в первую очередь от продолжительности действия сильного ветра на здания и линии электропередачи. Выделяются две зоны минимального действия сильных ветров, - это северные и юго-западные области Украины, Так, за последние 10 лет в Ровенской, Черниговской, Николаевской областях не зафиксировано ни одного случая СГЯ - сильного ветра (табл. 2.2).
Область Среднее годовое количество случаев за Шлет,П0 Среднее годовое количество случаев за весь период наблюдений за СГЯ,п Вероятность,Р%
Вероятность рассчитывалась как средняя величина по области с учетом всех станций. Резкое увеличение числа случаев с сильным ветром ( 25 м/с) в Херсонской области обусловлено изменениями в ближайшем окружении ветроизмерительных приборов морской гидрометстанции Геническ, где вследствие резкого увеличения защищенности станции с юго-востока (постройка 4-этажного здания в 10-15 м от ветроизмерительных приборов) происходит локальное усиление скорости ветра при ветрах северо-восточного, восточного и западного направления. Это может служить иллюстрацией влияния ближайшего окружения на надежность наблюдений за характеристиками ветра. Всего из 64 случаев сильного ветра, которые наблюдались в Херсонской области за 10 лет, 51 случай отмечен в Геническе, а на остальных станциях области СГЯ по ветру наблюдалось на 6 станциях из 9. Поэтому в табл, 2.2 в скобках указаны данные без учета гидрометстанции Геническ.
Зависимость коэффициента порывистости от периода осреднения, скорости ветра и состояния атмосферы
Экспериментальные наблюдения за ветром на разных высотах с помощью датчиков, установленных на телевизионных вышках, а также радиотеодолитные наблюдения позволили многим исследователям получить интересную информацию о характеристиках воздушного потока в приземном слое [Борисенко, 1974; Malet, 1978; Persistance, 1974]. При анализе указанных наблюдений используются как правило методы математической статистики, систематизированные для применения в области метеорологии.
В частности, в [Пановский, Брайер, 1972] рассматривается средний, или результирующий, ветер, который определяется по формуле u = u/N, где и горизонтальный вектор.
Скорость результирующего ветра равна корню квадратному из суммы квадратов компонентов. Направление ветра может быть определено из условия, что тангенс угла между направлением на север и направлением результирующего ветра равен RJRy, где Я, - компонент результирующего ветра в направлении с запада на восток, а Ry - в направлении с юга на север.
Обычно результирующим ветром пользуются в теоретических исследованиях. Например, геострофический ветер, рассчитанный по средним картам, является результирующим и его можно сравнить с результирующим ветром, полученным по данным наблюдений.
С другой стороны, при расчете средней величины испарения, степени выхолаживания или средней интенсивности турбулентности в приземном слое лучше пользоваться средней скоростью ветра, чем скоростью результирующего ветра, так как эти явления связаны исключительно с интенсивностью ветра, а не с его направлением.
Применение современных приборов для измерения характеристик ветра с встроенными микропроцессорами позволяет определять не только отдельные компоненты, но и результирующую скорость ветра, которая в данной работе названа векторной скоростью ветра.
В публикациях Королевского метеорологического института Бельгии [Persistance, 1974], проанализированы результаты серий наблюдений за среднечасовыми скоростью и направлением ветра на разных высотах и установлена зависимость между параметром устойчивости S и открытостью угла а, определяющего сектор разброса направлений ветра. Использован предложенный в [Brooks, 1953, Пановский, Брайер, 1972] параметр устойчивости ветра К:
Геометрическая связь между а и а/Vr Ha рис. 3.1. конец среднего вектора ОА помещен в центр (А) двух кругов с радиусами а и 2а. Круг радиусом а содержит 63% векторов ветра, а круг с радиусом 2а содержит 98 % векторов. Угол сектора разброса векторов ветра можно, согласно [Singer,1967] определить из уравнения: Stn-=— (3.2) 2 Vr В [Singer, 1967], вместо параметра устойчивости К введен другой параметр 5, который определяется уравнением: 5 = 2arcsin— (3.3) Авторы установили, что с увеличением а параметр 5" меняется быстрее, чем параметр К. При рассмотрении векторной средней скорости ветра за периоды времени от 2 до 720 часов [Malet, 1978] было установлено, что с увеличением периода осреднения значения S уменьшаются.
Одной из наиболее важных характеристик ветра являются пульсации скорости и, в частности, ее максимальные порывы. Сведения о максимальных порывах, превышающих определенные критерии, получают многие отрасли экономики в виде штормовых предупреждений и оповещений.
Данные о порывах ветра нужны для обеспечения безопасности полетов, особенно при взлете и посадке, в строительной отрасли. При проектировании высоких сооружений учет влияния порывов ветра производится в соответствии со «Строительными нормами и правилами» (СниП). В формулу расчета ветровой нагрузки на здания и сооружения входит коэффициент пульсации скоростного напора р, который связан функциональной зависимостью с так называемым коэффициентом порывистости ветра к в виде р = к2-1. (3.4)
Под коэффициентом порывистости подразумевается отношение скорости ветра в его максимальном порыве, определенном за какой-то промежуток времени, к скорости ветра, осредненной за тот же промежуток времени. М.М.Борисенко [Борисенко, 1974] отмечает, что величина коэффициента порывистости ветра зависит от внешних факторов, а именно: 1) температурной стратификации атмосферы; 2) скорости ветра; 3) шероховатости подстилающей поверхности, обычно характеризуемой параметром z0; 4) интервала определения максимального порыва ветра Дг и средней скорости г; 5) высоты уровня измерений 2.
В [Борисенко, 1974] отмечается, что при ветре не менее 5 м/с температурная стратификация атмосферы должна быть близкой к нейтральной и мало меняется при дальнейшем усилении ветра. Однако при небольшой скорости ветра в приземном слое влияние стратификации на коэффициент порывистости к может быть существенным.
В работе [Борисенко, 1974] утверждается, что хотя считается, что пульсации продольной составляющей скорости ветра подчинены нормальному закону распределения, в условиях сильно шероховатой подстилающей поверхности, когда величина интенсивности турбулентности а и/й может быть в несколько раз больше, чем над ровной подстилающей поверхностью, предпосылки для применения нормального закона менее обоснованы.
Типы атмосферных макропроцессов
Направление ветра, как и скорость, представляет собой достаточно изменчивую характеристику, сильно зависящую от местных условий.
Повторяемость различных направлений ветра характеризуют как с помощью розы ветров на конкретной станции, так и используя преобладающее направление ветра.
Для оценки территориального распределения направления ветра нами был проведен анализ преобладающих направлений ветра всех станций гидрометслужбы Украины за 30-летний (с I960 по 1990 г.) период (полученная в результате этого анализа карта представлена в главе 2, рис. 2.6).
Как видно из рис.2.б, для северо-западных и северных областей Украины наиболее характерен ветер западных румбов. Для восточного региона преобладающее направление ветра - восточное, в южных областях и Крыму преобладает ветер северного и северо-восточного направления. В районах со сложной орографией (Карпаты, Крымские горы) и большими водными объектами с развитой бризовой циркуляцией (Причерноморье, район северной части Днепровского каскада водохранилищ) преобладание какого-либо определенного направления ветра на значительных территориях не наблюдается.
Такое распределение направления ветра обусловлено прежде всего характером синоптических процессов, наблюдающихся на территории Украины.
По многолетним данным [Клімат України, 2003], на територии Украины циклоны и ложбины составляют около 42 % всех барических образований. Ежегодно наблюдается в среднем 43 циклона и 60 ложбин.
Самыми интенсивными и продолжительными бывают южные циклоны, которые составляют 60% от всех циклонов. При перемещении этих циклонов, в связи с адвекцией тепла в передней части высотной ложбины, на юго-востоке Украины происходят активные процессы антициклогенеза с образованием у поверхности земли мощного антициклона в районе Донецкого кряжа. При этом южные циклоны смещаются на север через правобережную или центральную часть страны. Этот процесс сопровождается сильным южным или юго-восточным ветром, снегопадами, метелями в зимний период, грозами, градом, шквалами в летний период.
Среднее поле приземного давления [Клімат України, 2003] в летний период свидетельствует о частых проникновениях на территорию Украины восточной части отрога Азорского антициклона, который и обуславливает преобладающий западный и северо-западный ветер в западной и северо-западной части Украины и северный, северо-восточный ветер в южной и восточной части страны. В зимний период среднее барическое поле имеет зональный характер, способствующий западному переносу.
Исследованиям направления ветра уделяли внимание многие ученые, как отечественные, так и зарубежные [Бурман, 1969, Матвеев, 1991, Syono, Tanaka,1966, Singer, 1967, Persistance, 1974, Wisdorff, Beucher, Salvayre, и др., 1980, Tar, Szegedi, 2003], поскольку направление ветра является важной климатической характеристикой.
Известно, что в пограничном слое атмосферы толщиной около 1-1,5 км, прилегающем к земной поверхности, направление и скорость ветра подвергаются воздействию трех основных сил: Силы барического градиента; Отклоняющей силы вращения земли; Силы трения движущегося воздуха о земную поверхность. Сила, обусловленная разностью давления, пропорциональна градиенту давления и направлена от высокого давления к низкому. Сила Кориолиса, которая является результатом вращения Земли, в северном полушарии отклоняет движение воздушного потока вправо.
Прямолинейное равномерное движение воздуха под действием силы Кориолиса и горизонтального градиента давления называется геострофическим ветром.
При движении частиц воздуха по криволинейной траектории возникает еще центробежная сила, при этом установившееся движение под действием сил градиента давления, Кориолиса и центробежной называется цикл остро фическим или градиентным ветром. На движущиеся частицы воздуха действуют также силы трения. Силы молекулярного трения достаточно малы по сравнению с турбулентной вязкостью и ими можно пренебречь. Турбулентное движение, обусловленное силой турбулентной вязкости, при переходе отдельных вихрей из одного слоя в другой, приводит к переносу соответствующего количества горизонтального движения. Этот перенос замедляет движение в верхнем слое и ускоряет его в нижнем.
У земли направление ветра в общем отклоняется влево по отношению к градиентному ветру на угол порядка 15 градусов днем на открытой местности и до 50 градусов ночью на местности с большими значениями шероховатости [Хргиан, 1978,Hegyfoky, 1904].
С высотой угол отклонения направления приземного ветра от градиентного уменьшается и становится равным нулю на некотором уровне, который принимается за границу приземного планетарного слоя.
Оригинальный подход к исследованию стабильности ветровых потоков применили венгерские ученые [Tar, Szegedi, 2003, Hegyfoky, 1904], рассматривая индекс стабильности, равный где й„ - количество часов со стабильным направлением ветра.
По ежечасным данным направление ветра за час / сравнивалось с направлением за предыдущий (t-І) час. Если разница между ними в градусах была меньше, чем 360/16 =22.5, этот час t считался стабильным.
Максимальное суточное количество часовых периодов со стабильным или нестабильным ветром может быть 24. Направление за первый час суток сравнивалось с последним часом предыдущих суток.
Анализируя результаты своих исследований, авторы [Tar, Szegedi, 2003] отметили влияние орографии и местоположения станции на стабильность направления ветра. Так, станции расположенные вблизи Карпатских гор, имеют меньший индекс стабильности, чем станции, расположенные на равнинных территориях. Среди возможных причин указывается влияние термической циркуляции, которая обуславливает также большую нестабильность направления ветра в вегетационный период по сравнению со среднегодовым значением.
Рассматривая далее связь между количеством стабильных по направлению ветра часов за отдельные дни со средней скоростью ветра за эти же дни, в [Таг, Szegedi, 2003] авторы исследования отмечают, что существует слабая связь между характеристиками стабильности направления ветра, суточным количеством часов с постоянным (стабильным) направлением ветра и среднесуточной скоростью ветра. Нами была рассмотрена средняя годовая наибольшая повторяемость направлений ветра отдельных румбов по месяцам (табл. 3.15).
