Rozdział 6

Prędkość i kierunek wiatru


Wiatr czyli poziomy ruch powietrza w dowolnym punkcie obserwacji charakteryzuje się trzema elementami: kierunkiem ( skąd wieje ) , prędkością oraz porwistością. Kierunek wiatru określany jest według ośmio lub szesnastostopniowej skali zachowującej główne kierunku świata. Prędkość przemieszczania powietrza mierzy się najczęściej w metrach na sekundę , ponadto kilometrach na godzinę i skali Beauforta. Jak wiadomo prędkość i kierunek wiatru ulega częstym , nieregularnym zmianom najbardziej widocznym w dolnej ( przygruntowej warstwie powietrza ). Przyczyną tego jest turbulencyjny charakter ruchu powietrza polegający na chaotycznym ruchu w czasie którego pojedyncze cząstki gwałtownie zmieniają kierunek i prędkość przepływu. Zjawisko to nazywa się porwistością wiatru. Porwistość zwiększa się nad terenem silnie pofaudowanym , ze wzrostem chropowatości podłoża.
Wiatr padający na pewną powierzchnie wywołuje na niej pewne ciśnienie. Parcie jak i ciśnienie wiatru można łatwo obliczyć.
Oznaczmy przez S powierzchnie prostopadłą do podmuchu powietrza , przez m masę powietrza padającego na nią. W czasie uderzenia powietrza o powierzchnię S następuje zmiana pędu powietrza Dp
o wartość m*v gdzie v prędkość wiatru.
Korzystając z drugiej zasady dynamiki Dp = F*Dt
F - siła parcia wiatru
Dt - przedział czasu w czasie którego na powierzchnie S pada powietrze o masię m
Porównując pędy w obu wzorach otrzymuje się równanie ;
F*Dt = m*v
Wyrażając masę powietrza przez objętość V i gęstość Q
m = V*Q
następnie objętość zapisując jako iloczyn pola powierzchni S i długość słupa powietrza l otrzymuje
się wzór na masę ;
m = Q*S*l
podstawiając do głównego równania
F*Dt = Q*S*l*v
i wyliczając siłę parcia dostaje się wzór ;

F =Q*S*l*v/Dt

ale iloraz l/Dt wyraża prędkość wiatru (droga/czas) więc wzór na siłę ma postać ;
F = S*Q*v2
a ciśnienie wywoływane na nieruchomej powierzchni wynosi p = Q*v2
Bezpośrednio ze wzoru wynika że ciśnienie wiatru rośnie ze wzrostem gęstości i prędkości powietrza.
Przy czym ważniejszy wpływ ze względu na większe zmiany jak i kwadrat wyrażenia ma prędkość wiatru.
Przyczyną powodującą ruch powietrza jest różnica ciśnień na obszarze objętym wiatrem. W terenie objętym gradientem ciśnienia powierzchnie izobaryczne nachylone są w stronę chłodnego , wyższego ciśnienia. Rozkładając gradient ciśnienia ( prostopadły , normalny do powierzchni izobarycznej ) w kierunku pionowym i poziomym otrzymuje się siły działające na cząstki powietrza. Składowa pionowa jest znacznie większa od poziomej , ponieważ kąt nachylenia lini o jednakowym ciśnieniu do poziomu jest bardzo mały , lecz jej działanie jest równoważone przez siłe grawitacji. Powoduje to iż powietrze w kierunku pionowym porusza się wolno jego prędkość określa się w centymetrach na sekunde jednak w pewnych sytuacjach prędkości te są znaczne większe. Składowa pozioma mimo swej niewielkiej wartość może doprowadzić ruch powietrza do znacznych prędkości.
Pod wpływem gradientu ciśnienia częstki powietrza zaczynają poruszać sie ruchem przyspieszonym w kierunku gradientu czyli w strone niższego ciśnienia. Tuż po rozpoczęciu ruchu pojawia sie siła Coriolisa rosnąca ze wzrostem prędkości wiatru. Siła ta pojawia sie wskutek prędkości kątowej ziemi , działa pod kątem prostym w prawo na półkuli północnej , a w lewo na południowej do kierunku ruchu.
Po pewnym czasie wiatr osiąga swój stacjonarny charakter , kierunek jego odchyla się pod kątem prostym do gradientu. Siła Coriolisa działa w kierunku przeciwnym do gradientu ciśnienia równoważąć go.
Układy baryczne mają kształty mniej lub bardziej przypominające okrgi. Na powietrze krążące po takim torze działa siła odśrodkowa. W cyklonach siła ta działa zgodnie z siła Coriolisa , zmniejsza ją by zachować równowagę z gradientem ciśnienia. Sytuacja ta wywołuje zmniejszenie prędkości wiatru . W antycyklonach siła odśrodkowa działa zgodnie z gradientem , a więc by została zachowana równowaga siła Coriolisa zwiększa się powodując zwiększenie prędkości powietrza. Dlatego przy jednakowym gradiencie ciśnienia prędkość wiatru bedzie większa w wyżach niż niżach barycznych. W praktyce w układach niskiego ciśnienia gradientu są znacznie większe niż w wyżach a prędkości znacznie większe.
Nad Polską jak i całą Europą środkową dominują wiatry z sektora zachodniego , podczas połowy pomiarów notuje się wiatry zachodnie. Pomimo ogólnopolskiego wiatru zachodniego w Strzyżowie zdecydowanie dominują wiatry południowe. Mają one charakter fenowy jest to tz. (wiatr rymanowski) wiejący z Beskidu Niskiego w kierunku kotliny Sandomierskiej. Przy czym w Rzeszowie już częstotliwość wiatrów południowych spada do 10%. Ze względu na brak dostępu do danych karpackich stacji trudno jest oszacować zasięg oraz częstotliwość tego wiatru w południowo wschodniej Polsce.
W całym niemal kraju średnie gradienty ciśnienia mają w różnym przybliżeniu kierunek równoleżnikowy (wiatr termiczny) wobec czego powyżej warstwy tarciowej wiatr ma kierunek zachodni skręcający w lewo w miare obniżania wysokości. Pojawia się pytanie dlaczego gradient ten w okolicach Strzyżowa nie wykazuje dużej częstotliwości wiatrów zachodnich , notuje się ich około 11% w roku.
Przewaga wiatrów południowych nad zachodnimi wynisi aż 13%. Przyczyny tego szukać trzeba w lokalnym ukształtowaniu powierzchni terenu. Pasmo wzgórz na zachód od Strzyżowa ma kierunek południkowy o wysokości 450 - 500m.n.p.m. , Gdy na południu i wschodzie kierunek północno wschodni. Taka na pozór niska przeszkoda na zachodzie może w znaczy sposób przysłonić obszar Strzyżowa. Opływanie przeszkód terenowych wiąże się ze zmniejszeniem prędkości oraz zmianą wskutek turbulencji dynamicznej kierunku wiatru.
Wiatr wiejący po stokach zboczy Beskidu Niskiego w dół na dużych odległościach nabiera prędkości w okolicach Krosna , Jasła a nawet Strzyżowa.
Identyczną częstotliwością z wiatrem zachodnim odznacza się wschodni wiatr kontynentalny.
Niedużo odbiegającymi od nich są: kierunek południowo zachodni i północno wschodni średnio pojawiają się 35 dni w roku. Dużo niższe częstotliwości mają wiatry północe północno wschodnie oraz wschodnie. Znaczy procent w skali roku wywołują dni bezwietrze 19 dni (w czasie ich nie odnotowuje się rzadnych przepływów powietrza uruchamiających wiatromierze) oraz dni z zmiennym kierunkiem wiatru - 26 szczególnie zaznaczających się latem podczas wyżowej pogody.
W przebiegu rocznym kierunek wiatru ulega znaczym zmianom w zależności od warunków cyrkulacyjnych. W styczniu dominują wiatry z sektora południowego i częściowo zachodniego , nieduży procent stanowią wiatry z innych kierunków. Powoduje to iż w tym miesiącu występują odwilże wywołane wiatrem halnym. W lutym sytuacja niewiele zmienia się , uaktywnia się jedynie kierunek wschodni. Na przełomie lutego wskutek wzmożonej aktywności frontogenetycznej zwiększające się gradienty ciśnienia powodują spadek dni bezwietrznych. W marcu wiatry kontynentalne stanowią już znaczy procent , zanika natomiast sektor zachodni.

Zimowy wzrost wiatrów południowych wywołany jest aktywnością niżu północnoatlantyckiego. Niż ten tworzy układ izobar nad nad Polską o kierunku południkowym powoduje adwekcje powietrza z południa i południowego zachodu. Często wiosną nad lądem Euroazji tworzy się układ wysokiego ciśnienia blokujący ruch niżów na wschód. Rozkład ciśnienia nad Środkową Europą tworzy cyrkulacje wschodnią i północno - wschodnią uwidaczniającą się wzrostem częstotliwości napływu mas kontynentalnych i arktycznych. W miesiącach wiosennych wskutek zanikania wiatrów zachodnich zmniejsza się zawartość pary wodnej w powietrzu oraz wartość zachmurzenie powietrza. W czasie czerwca i całego lata rozkład wiatru jest najbardziej równomierny wywołane jest to płytkimi wyżami przemieszczającymi się nad Europą. Na początku jesieni oraz w październiku aktywny staje się wyż azorski sięgający klinem po Polskę. Wiatr w tym okresie ma kierunek zachodni i południowo zachodni przynoszący wilgotne masy powietrza. W listopadzie ponownie wiatr południowy zwiększa swoją częstotliwość zdecydowanie wyprzedzając inne. Wyróżniają się również wiatry równoleżnikowe występujące w czasie 6 dni. W grudniu zwiększeniu względem listopada ulegają dni z wiatrem zachodnim i południowo zachodnim , przy niewielkim spadku wiatru południowego. Wzrost częstotliwości wymienionych wiatrów wywołuje podniesienie wilgotność powietrza , zachmurzenia a w konsekwencji ilość opadów. Przeciętna prędkość wiatru w Polsce jest niewielka. Największe prędkości notuje się na Pomorzu i w górach najmniejsze w środkowej i południowej części kraju.
W Strzyżowie wskutek pofałdowanego charakteru podłoża oraz kotlinnego położenia miasta prędkość wiatru jest niewielka wynosi 1.9 m/s. Wartość ta szybko rośnie w miarę wzrostu wysokości. Wskutek braku stacji pomiarowych na zboczach i wierzchowinie określenie dokładnej prędkość wiatru jest niemożliwe. Roczny przebieg średnich miesięcznych prędkości wiatru jest mocno zróżnicowany oraz podobny do wykresu tygodniowych zmian ciśnienia go wywołującego. Prędkości wiatru w poszczególnych miesiącach bardzo dobrze informują o nasileniach cyrkulacji powietrza. W styczniu prędkość wiatru jest niższa od średniej rocznej , ale już w lutym po wzroście aktywności cyrkulacji jego wartość silnie wzrasta. W marcu , kiedy to ilość przemieszczających się frontów jest mała , prędkość wiatru maleje aby w kwietniu znów osiągnąć 2.1m/s. Okres późno wiosenny jak i letni przejawia się najmniejszymi prędkościami wiatru 1.6 - 1.7m/s. W czasie tym gradienty ciśnienia nad Europą Środkową są małe , a układ ośrodków barycznych na mapach synoptycznych jest stabilny.

We wrześniu gdy różnice temperatur ciepłego morza i już ochładzającego się lądu zaczynają się powiększać gradienty ciśnienia oraz prędkości wiatru rosną. W październiku ponownie cyrkulacja w Polsce słabnie , ale wskutek rosnących różnic temperatur morza i lądu w listopadzie i grudniu gwałtownie rośnie zasięg oraz intensywność ruchów w atmosferze.

W ciągu całego roku występuje 36 dni ze średnią dobową prędkością wiatru w przybliżeniu równą zero. Ilość dni z poszczególnymi prędkościami wiatru (v) przedstawia poniższe zestawienie ;
0m/s < v 1m/s 147 - 40%
1m/s < v 3m/s 133 - 36%
3m/s < v < 5m/s 28 - 8%
v 5m/s 21 - 6%
Okazuje się , żę najwięcej dni występuje z prędkościami mniejszymi lub równymi 1m/s wliczając w to również zero aż 183 dni. Szczególnie dużą wartość obserwuje się latem. Również duży procent stanowią dni z słabym wiatrem . Bardzo mało dni rejestruje się z silnymi i bardzo silnymi wiatrami.
Istotną rolę przy rozpatrywaniu poziomych ruchów powietrza pełni zależność siły od kierunku wiatru. Największe prędkości wiatru występują podczas południowego i południowo zachodniego kierunku wiatru.

Kierunek południowy pokrywa się z przed frontowym kierunkiem wiatru występującym we wschodniej części niżu. W strefie tej występują znaczne gradienty ciśnienia , wywołujące silne wiatry. Wiatr południowo zachodni występuje w ciepłym wycinku niżu ograniczonym frontami ciepłym i chłodnym , w czasie przechodzenia tej części niżu wiatr jest nieco słabszy lecz również dość silny. Po przejściu ostatniego frontu (chłodnego) wiatr skręca na północnozachodni jest porwisty co uwidacznia się wzrostem prędkości wiatru w stosunku do innych sąsiednich kierunków. Wiatry zachodnie , północnowschodnie , oraz południowo wschodnie mają wartości niższe od średniej rocznej. Pewne zdziwienie może budzić wartość prędkości dla kierunku północno wschodniego. Z kierunku tego najczęściej napływają wolno przemieszczające się masy polarno kontynentalne i arktyczne. Najmniejsze prędkości wiatru obserwuje się przy wschodnim i północnym kierunku wiatru , adwekcje powietrza z tych kierunków związane są z wyżami o małych gradientach ciśnienia i zachodzą wolno.
Dobowy przebieg prędkości wiatru uzależniony jest od gradientów ciśnienia , jego zmian wywołanych przez przemieszczające się ośrodki baryczne. Najwyraźniejszy jest on w dni o pogodzie bezchmurnej jego charakter wykazuje podobieństwo do funkcji temperatury. Maksymalne prędkości występują w godzinach popołudniowych około godz. 14 w czasie wzmożonych ruchów konwekcyjnych i turbulencyjnych. Potem następuje szybki spadek średniej prędkości do godzin nocnych. W nocy często wiatr przy ziemi zanika aby pojawić się kilka godzin po wschodzie Słońca. W dni pochmurne gdy w atmosferze występują słabe gradienty ciśnienia , wiatr w cyklu dobowym prędkość największą osiąga również po południu , lecz prędkość jego w porównaniu z okresem o
pogodzie słonecznej jest niewielka. Maksymalna średnia roczna prędkość wiatru jest notowana podczas pomiaru o godz. 15 i wynosi 2.7 m/s a prędkości minimalne rano o godz 7 1.4 m/s i wieczorem o godz. 20 1.5 m/s. Dane te ukazują iż dobowy przebieg prędkości wiatru podczas wszystkich niemal dni roku ma podobny charakter do
ukazanego powyżej schematu.