IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СКОРОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МЕТЕОНАБЛЮДЕНИЙ АГРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ "НЕМЧИНОВКА"
Джавриев Э.А., Милов В.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Ветер оказал довольно существенное влияние на развитие человеческой цивилизации: парусные суда, плавающие под действием силы ветра, позволили человеку познавать Землю, открывать новые континенты, расширять зоны торговли; летательные аппараты, начиная с воздушных шаров, позволили человеку подняться над землей и до нашего времени используют силу ветра для увеличения подъемной силы.

В природе значение ветра огромно. Ветры влияют на формирование грунтов, переносят пески и пыль пустынь на огромные расстояния, вызывают разрушения гор и скал, оказывая влияние на климат. Зимой ветер оказывает влияние на формирование снежного покрова (сдувает снег, переносит его в овраги и балки). Весной ветер вызывает пыльные , "черные" бури на юге страны, вызывает ветровую эрозию почв. Ветры разносят семена растений, с помощью ветра происходит опыление растений, ветры помогают передвижению летающих животных. Ветры переносят влагу по всему земному шару. Ветром очищается воздух, которым мы дышим.

Для человека очень важно при строительстве городов, предприятий, жилых домов учитывать преобладающее направление и силу ветров в данной местности. Также в настоящее время ветер считается одним из важнейших источников альтернативной энергии. Ветры используют с целью получения электроэнергии, иногда для работы водокачек, мельниц, т.д.

Тема исследования: Изучение скорости и направления ветра по результатам метеонаблюдений агрометеорологической станции "Немчиновка".

Цель:

- определить возможность создания современной ветряной энергоустановки в Одинцовском районе Московской области , изучив данные скорости и силы ветра, полученные на агрометеорологической станции "Немчиновка" за 2000 - 2015 гг.

- определить основное направление ветра в Одинцовском районе по результатам наблюдений на метеостанции за 2016год.

Задачи:

1. Изучить материал по теме "Климат Московской области. Ветер. Скорость и сила ветра, направление ветра".

2. Совершить экскурсию на метеостанцию "Немчиновка".

3. Познакомиться с приборами, с помощью которых изучают скорость и направление ветра.

4. По результатам материалов, полученных на метеостанции, построить график "Максимальная скорость ветра за 2000 - 2015гг.", "Неблагоприятные дни за период 2000 - 2015гг. в % ".

5. Заполнить таблицы "Направление ветра в 2016г. (количество случаев), шт."," Направление ветра в 2016г. в процентах."

6.Построить круговые диаграммы "Повторяемость направления ветра в процентах от общего числа случаев в январе 2016 г., июле, за год.

7. Определить основное направление ветра в Одинцовском районе.

Гипотеза: Возможность создания современной ветроэнергетической установки в Одинцовском районе Московской области.

Предмет исследования: скорость и сила ветра, и направление ветра.

Объект исследования: скорость и сила, направление ветра в Одинцовском районе Московской области.

Методы исследования:

-теоретический: анализ литературных источников и обобщение научной литературы, обработка статистических данных, анализ и обобщение;

-эмпирический: метод наблюдения, метод фотографирования, экскурсия на метеоплощадку.

Глава I. Особенности климата Одинцовского района Московской области

Климат Москвы и Московской области обусловлен географическим положением ее в умеренных широтах с соответствующим радиационным и циркуляционным режимом. В связи с тем, что Москва расположена между центром Азиатского континента и Атлантическим океаном, на ее климате сказывается влияние суши и океана. Поэтому климат Московской области характеризуется как умеренно континентальный. Континентальность его составляет примерно 42% [1].

Среднемесячная температура самого теплого месяца (июль) составляет +17,3°С, холодного (январь) -7,1°С. В холодные зимы температура в Подмосковье понижалась иногда до -50 градусов. Суровыми были зимы 1928/ 29, 1939/40, 1941/42, 1949/50, 1953/54, 1955/56, 1962/63 гг.

Зимой наряду с устойчивыми морозами почти ежегодно наблюдаются оттепели, летом ясная и довольно жаркая погода перемежается с дождливой и относительно прохладной.

Туманы, которые связаны либо с температурными инверсиями, либо с радиационным выхолаживанием, приводят к аккумулированию вредных выбросов в приземном слое атмосферы, не являются характерными для Московского региона. Как правило, они наблюдаются в холодный период года.

Согласно многолетним наблюдениям в Москве в течение всего года повторяемость антициклонической формы циркуляции больше циклонической. Однако в зимний период (декабрь - февраль) преобладание антициклонических положений над циклоническими составляет всего 1 - 5%. Наибольшая повторяемость антициклонических преобразований наблюдается в мае - на 20% больше, чем циклонических.

Зимой наибольшую устойчивость обнаруживают северо - западные циклоны , максимальная длительность которых достигает 13 дней, а летом - 7-10 дней. Максимальная продолжительность стационирования антициклонов отмечена при восточных и северо - восточных траекториях (12-13 дней). В течение всего года в Москве преобладают циклоны, приходящие с северо - запада (44%всех случаев циклонов), но особенно часто они отмечаются в зимний период ( в январе 62% случаев). В остальные месяцы повторяемость циклонов этого направления составляет 20 - 40% общего числа случаев циклонов, минимум их приходится на июль. В теплое время (май - август) большую повторяемость имеют циклоны южного направления (16-25%) и западного ( около 15%).Повторяемость циклонов других направлений в течение года колеблется. В летнее время наблюдаются единичные случаи циклонов восточного направления [2].

Повторяемость траекторий антициклонов от сезона к сезону резко изменяется. В январе - феврале повторяемость восточных отрогов составляет около 35% общего числа антициклональных образований. В остальные месяцы преобладают антициклоны западных направлений. Повторяемость западных антициклонов азовского происхождения в среднем за год составляет около22%, максимум их приходится на июль (51% общего числа антициклонов). В теплое время увеличивается также число антициклонов северных траекторий (20 – 24), и почти отсутствуют антициклоны восточных и северо - восточных направлений. В течение всего года практически не наблюдаются южные антициклоны.

Обращает на себя внимание резкая смена по сезонам траекторий циклонов, а следовательно, и характер циркуляции: зимой отмечается максимум циклонов северо - западного происхождения, летом - увеличение циклонов южных траекторий.

Среднее количество осадков уменьшается с севера - запада (600мм и более), на юго - восток (500мм и менее). В том же направлении изменяется и относительная влажность.

Более резко колебания климата проявляются по годам; одни годы бывают холодными, другие теплыми, дождливыми и засушливыми. Нередко в Подмосковье выпадают сильные ливни, когда за один раз на землю поступает 20-30 мм осадков и более. Обычно же преобладают слабые и умеренные дожди (2-3мм дают слабые и 5-10 мм умеренные).

За теплый сезон выпадает 430 - 355 мм влаги, а за холодный - 170 - 145 мм.[4]. Больше осадков приходится на северные районы и на возвышенные места. Сумма осадков сильно колеблется по годам: их то много (796мм), то мало (228мм).

В среднем в области приходится в год до 186 дней с осадками [5]. Для теплого времени года (апрель - сентябрь) типичны грозы, которые нередко сопровождаются сильными ливнями с градом. Это происходит чаще всего в июне и июле.

В Подмосковье, хотя и редко, наблюдаются бури и сильные ураганные смерчи типа "торнадо", обладающие огромной разрушительной силой. С начала прошлого века над Москвой и Подмосковьем смерчи пронеслись в 1904, 1945, 1951, 1956, 1965 гг.

Таким образом, климат Подмосковья складывается под воздействием различных циркуляционных процессов, трансформации воздушных масс, что проявляется в режиме колебаний и различных сочетаниях величин метеорологических элементов.

1.1. Скорость и сила, направление ветра

Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Главная причина образования ветра - это разница в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности. Ветер всегда дует из областей Земли с высоким атмосферным давлением к областям, где атмосферное давление ниже. С учетом основных закономерностей распределения атмосферного давления определяют направление наиболее сильных потоков воздуха в прилегающих к поверхности Земли слоях атмосферы. По этому принципу различают несколько видов ветров: планетарные (пассаты, западные ветры умеренных широт, ветры из полярных областей), локальные (бризы, фены, бора, суховеи), муссоны.

Но воздушные потоки не строго горизонтальны, т.к. почти всегда в этих движениях есть вертикальные составляющие.

Ветер - величина векторная и определяется двумя составляющими: направлением и скоростью.Скорость ветра - скорость перемещения воздуха за выбранный интервал времени. Обычно измеряется в метрах в секунду. Для авиационных расчетов скорость ветра выражают в километрах в час. (1 м/сек = 3,6 км/час). Со скоростью ветра неразрывно связано понятие силы ветра. Сила ветра определяется в баллах. Эта величина находится в прямой зависимости от плотности воздуха и скорости ветра.

1.Скорость, сила ветра и явления

Скорость ветра, м/с

Сила ветра, балл

Явления

менее 1

0

штиль

2-3

3

ветер слабый,чуть ощущается

4-7

4

умеренный ветер, качаются тонкие ветви деревьев

10-12

6

сильный ветер, качаются толстые ветви деревьев

15-18

7-8

буря, поломка тонких ветвей и сухих сучьев

19-24

9

шторм, поломка больших сучьев деревьев

25-30

10

шторм, поломка стволов деревьев

Более 29

12

ураган, вырываются деревья с корнем

Ветер не является устойчивым течением и в короткие промежутки времени изменяется как по скорости, так и по направлению. Эта изменчивость ветра особенно резко выражается вблизи поверхности земли и непосредственно связана с турбулентным состоянием воздушного потока.

Суточный ход скорости ветра у земли наиболее четко выражен над сушей и почти незаметен над морем. Более резко он выражен в теплую половину года и при ясной погоде, слабее - в холодную и при облачной погоде.

Направление ветра - азимут точки горизонта, откуда дует ветер.

Глава II. Агрометеостанция "Немчиновка" - учреждение, проводящее регулярные агрометеорологические наблюдения

2.1 Физико - географическое описание метеостанции

Агрометеостанция "Немчиновка" находится в Одинцовском районе Московской области. Широта 55с.ш., 37 в.д.Данная агрометеостанция расположена на территории НИИ сельского хозяйства (Московская обл., пос. Новоивановское, ул.Калинина, 1) . Она имеет типовую площадку для наблюдений размером 265x265 м (приложение1).

Высота метеоплощадки - 176,922м. Она расположена на равнине правобережья среднего течения р. Москвы. Рельеф местности слабохолмистый. Река Москва протекает в 5-6 км к северу от метеостанции, а р. Сетунь в 2 км к ЮВ от метеостанции. Болот в районе метеостанции нет. Грунтовые воды находятся на глубине около 10м. Район изобилует небольшими искусственными прудами. Ближайший пруд, площадью около 0,7 га находится в 200-250 м к ЮЗ от метеоплощадки. Это место с незначительным понижением к югу и востоку. К востоку от метеоплощадки местность открытая на несколько километров, видны высотные здания Москвы и здание МГУ. Вход на площадку осуществляется с северной или с западной стороны, так как преобладающее направление ветров южное.

На территории вокруг агрометеостанции площадью в 1 гектар не находится никаких построек, дорог и других объектов.

2.2. Оборудование и документация

Начальником является Блувштейн Марина Алексеевна.

Станция существует с 1939 года, была открыта еще до Великой Отечественной войны. Имеются многолетние данные с 1988 года. А в нашей стране официально ведется наблюдение за погодой уже 180лет, а не официально около 400 лет.

Наблюдения проводятся на площадке четыре раза в сутки (на некоторых других станциях – 8раз в сутки). Наблюдения ведутся одновременно на всех метеостанциях мира строго в одно и то же время. Причем, отсчет времени ведется по Гринвичу.

Сотрудники станции ведут наблюдения за температурой воздуха, температурой почвы, направлением и скоростью ветра, количеством осадков и режимом их выпадения, атмосферным давлением, относительной влажностью воздуха и высотой снежного покрова в зимнее время.

Для этого на метеорологической площадке установлены соответствующие приборы: термометры, флюгер (приложение 3), анемограф, барометр, осадкомер (приложение 4) , гигрометр, психрометр ( приложение 5), снегомер весовой, снегомер составной и снегомерные рейки.

По борозде длиной 1км проходит маршрут снегосъемки. На ней осенью были посеяны озимые культуры (озимая пшеница сорт "Московская 56"), так как метеостанция работает совместно с НИИ сельского хозяйства.

Информация о температуре воздуха и почвы, относительной влажности воздуха, атмосферном давлении, количестве осадков, направлении и силе ветра передается на компьютер, находящийся в кабинете главного метеоролога .

На любой метеостанции обязательно есть высокая мачта. На данной метеостанции высота ее составляет 10-12 метров. Но если есть высокие дома, то высоту увеличивают до 20 метров. ( в горных районах до 60м ). На мачте находятся ветроизмерительный прибор - флюгер Вильда (приложение 3). Он бывает двух видов: один с тяжелой доской, другой - с легкой. Два флюгера с разными досками позволяют измерять различные скорости ветра. С легкой доской флюгер может измерять скорость до 20м/с, с тяжелой - до 40 м/с.

Флюгер (нем. крыло) устанавливают в северной части метеоплощадки. Для определения направления ветра смотрят, куда указывает противовес ("шарик" на противоположном конце флюгарки), а скорость определяют по тому, к какому из штифтов отклонилась доска.

На метеоплощадке для определения скорости и направления ветра есть электрический анеморумбометр М-63М-1(приложение 2). Скорость ветра определяют еще и другим прибором - ручным анемометром.

Сотрудники метеостанции проводят наблюдения за погодой непосредственно на площадке и заносят данные в журнал.

Все наблюдения и измерения производятся в строгом соответствии с принятыми международными и отечественными нормами, установленными Всемирной метеорологической организацией и Росгидрометом.

Основным документом на метеостанции, устанавливающим правила и методику их функционирования , является "Наставления гидрометеорологическим станциям и постам"[3].

В связи со строительством инновационного центра "Сколково " агрометеостанция "Немчиновка" оказалась на его территории. Она оставлена в составе "Сколково", еще выделен 1га земли для агрометеонаблюдений совместно с НИИ сельского хозяйства

Глава III. Обработка данных метеонаблюдений

3.1. Изучение скорости и силы ветра за 2000 - 2016гг

Сотрудники метеостанции предоставили нам для обработки данные наблюдений за скоростью и силой ветра с 2000 по2016гг. Из огромного массива данных мы определили максимальную скорость ветра за год и данные занесли в таблицу.

2. Максимальная скорость ветра 2000 - 2015гг.

Год

Мак.cкорость ветра,м/c

Год

Мак.cкорость ветра,м/c

Год

Мак.cкорость ветра,м/c

Год

Мак.cкорость ветра,м/c

200

22

2004

18

2008

23

2012

18

2001

18

2005

23

2009

27

2013

17

2002

15

2006

17

2010

23

2014

19

2003

17

2007

18

2011

25

2014

18

Вывод: максимальная скорость ветра наблюдалась в 2009

году -27м/c, это шторм. А также шторм был (начиная со скорости ветра

19м/c )в 2000, 2005, 2008, 2010,2011, 2014 годах.

Максимальная скорость ветра за 2000 - 2015 гг. показана на графике (прил.6).

Также мы определили количество неблагоприятных дней в году (при ветре 10м/с и более) в процентах. Данные внесли в таблицу.

3. Неблагоприятные дни (при скорости ветра 10м/с и более), % дней в год.

Год

% дней

Год

% дней

Год

% дней

Год

% дней

2000

24,66

2004

24,03

2008

33,15

2012

29,96

2001

18,03

2005

30,14

2009

29,00

2013

23,43

2002

21,92

2006

26,80

2010

29,36

2014

28,49

2003

21,04

2007

36,14

2011

38,63

2015

32,60

На основании данных таблицы построим график "Неблагоприятные дни за период 2000 - 2015гг. в %".

Неблагоприятные дни за период 2000 - 2015гг. в %"

Вывод: более 30% дней в году являются неблагоприятными (со скоростью ветра более 10м/с), а это составляет почти 4 месяца в году. Поэтому данные, полученные на метеостанции, являются немаловажным звеном в российском МЧС в части обнаружения и предупреждения опасных и неблагоприятных погодных явлений ураганных ветров и шквалов, сильных ливней и града, гололеда и др.). Такие предупреждения позволяют снизить не только экономический ущерб от особо опасных метеоявлений, но и сберечь здоровье людей.

С другой стороны ,ветер является одним из важнейших источников альтернативной энергии и используется как сила, приводящая в движение двигатели мельниц и электростанций, а также различных водополивных и других установок. Скорость ветра при эксплуатации его для целей производства должна быть не менее 6 - 8 м/c[3].

Изучив данные о скорости и силе ветра в Одинцовском районе Московской области за последние 15лет, мы считаем возможным размещение здесь ветроэнергетической установки.

3.2. Изучение направления ветра за 2016 г.

На агрометеостанции нам были предложены для обработки данные о направлении ветра (их проводят 4 раза в сутки) за период 2016 года. Мы проанализировали 1450 случаев ветра за год, распределив их по направлениям (румбам). Данные внесли в таблицу 4. Направление ветра в 2016г. (количество случаев), шт.

4.Направление ветра в 2016г. (количество случаев), шт.

Месяцы/направление ветра

с

св

в

юв

ю

юз

з

сз

штиль

всего

январь

15

3

9

8

32

6

17

28

6

124

февраль

2

0

9

28

49

9

10

4

2

113

март

14

1

13

14

35

8

16

18

6

125

апрель

19

1

7

6

40

8

16

14

9

120

май

16

4

27

15

29

11

9

10

3

124

июнь

20

0

11

6

29

5

11

23

14

119

июль

27

4

16

7

16

3

22

12

7

114

август

26

2

8

7

32

5

24

7

12

123

сентябрь

13

2

11

13

18

4

15

24

15

115

октябрь

15

7

4

1

38

10

14

30

8

127

ноябрь

14

2

16

12

48

3

14

9

6

124

декабрь

5

1

2

5

62

6

20

16

5

122

всего

186

27

133

122

428

78

188

195

93

1450

5.Направление ветра в 2016 г. в процентах

Месяцы/направление ветра

с

св

в

юв

ю

юз

з

сз

штиль

всего

январь

12

2

7

6

26

5

14

23

5

100

февраль

2

0

8

25

43

8

9

4

2

100

март

11

1

10

11

28

6

13

14

5

100

апрель

16

1

6

5

33

7

13

12

8

100

май

13

3

22

12

23

9

7

8

2

100

июнь

17

0

9

5

24

4

9

19

12

100

июль

24

4

14

6

14

3

19

11

6

100

август

21

2

7

6

26

4

20

6

10

100

сентябрь

11

2

10

11

16

3

13

21

13

100

октябрь

12

6

3

1

30

8

11

24

6

100

ноябрь

11

2

13

10

39

2

11

7

5

100

декабрь

4

1

2

4

51

5

16

13

4

100

среднее

15

2

5

5

29

5

13

14

7

100

Вывод: больше всего в течение года наблюдался южный ветер - 1/3 всех случаев, в 2 раза меньше СЗ, З, и С ветров.

Также мы произвели расчет в процентах основных направлений ветров.

Данные занесли в таблицу 5."Направление ветра в 2016г. в процентах".

Вывод: больше всего ветров в течение года южного направления- 29%, западных - 13%, СЗ - 14%.

Мы построили круговые диаграммы (прил.7,8,9), чтобы показать повторяемость направления ветра в процентах от общего числа случаев в самом холодном месяце года - январе, а также в июле - самом жарком месяце, и за год.

3.3. Выводы

В самом холодном месяце Январе преобладают ветры южного направления, меньше СЗ и З ветров. Это объясняет частые оттепели зимой, непостоянство погоды, иногда довольно резкую смену ее.

Повторяемость Северного направления ветра увеличивается в Июле месяце. Северный ветер является преобладающим в июле - самом жарком месяце.

Поэтому лето у нас умеренно теплое, со среднемесячной температурой самого теплого месяца (июль) +17,3°.А в целом, за год преобладают ветры южного направления. В целом, климат Московской области характеризуется как умеренно континентальный

Данные, полученные в ходе исследования, могут быть использованы на уроках географии в 6 классе по теме "Атмосфера. Ветер. Погода и климат", в 8 классе по теме "Климат", а также во внеурочной деятельности по предмету, работе школьного географического кружка.

Исследование по данной теме мы считаем не законченным, возможность продолжения видим в применении ВЭУ для нашего района. Рассматриваем возможность использования электроэнергии ВЭУ в обогреве и подсветке дорог, подачи электроэнергии на новые поселки Московской области, использование ВЭУ в местах для заправки новых автомобилей TECLA, для обогрева крыш и проч. (прил.10-13).

Заключение

С далекой древности человечеству известны ветряные мельницы, в которых под действием силы ветра вращались жернова, перемалывавшие зерно. В настоящее время ветер считается одним из важнейших источников альтернативной энергии. Сейчас широкое распространение получили ветряные электростанции , где сила ветра применяется для выработки электрической энергии.

Более 200тыс. ветродвигателей в нашей стране работаю на "голубом угле", на энергии ветра. Одна из самых больших ветровых электростанций в России (5,1МВт) расположена в Калининградской области. На Чукотке действует Анадырская ВЭС (2,5МВт). А также есть небольшие станции в Калмыкии, республике Коми, на острове Беринга Командорских островов, в Ростовской области, Мурманске.

Ветровые станции являются нерегулируемым источником энергии. Выработка ВЭС зависит от силы ветра - фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью.

Изучив данные о скорости и силе ветра в Одинцовском районе Московской области за последние 15лет, мы считаем возможным размещение здесь ветроэнергетической установки.

Для человека очень важно при строительстве городов, предприятий, жилых домов учитывать преобладающее направление и силу ветров в данной местности. По данным метеостанций могут разрабатываться рекомендации градостроителям и, конечно, службам жизнеобеспечения города.

Преобладающими направлениями ветра в течение года в Одинцовском районе Московской области являются южное ( среднегодовая повторяемость 29%), северо - западное ( повторяемость 14%) и западное (повторяемость 13%), с которыми переносится морской воздух Атлантики. Это отражает влияние общей циркуляции атмосферы, важного для умеренных широт климатообразующего фактора, особенно в холодный период года, когда температурные контрасты между сушей и водной поверхностью наиболее велики. В связи с большой изменчивостью атмосферной циркуляции наблюдается непостоянство погоды, иногда довольно резкая смена ее.

Штилевая погода в данном районе, создающая неблагоприятные условия для рассеивания вредных примесей в атмосфере, наблюдается не часто (повторяемость 7%).

Список литературы

1. Дмитриев А.А., Бессонов Н.П. Климат Москвы (особенности климата большого города) Гидрометеорологическое издательство - Ленинград, 1989, 321с.

2. География Москвы и Московской области. Метревели П., Яковлев Г., Добржицкий Б. - Московский рабочий. 1990.

3. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 3. Ленинград. Гидрометеоиздат.1995.

4.Московская область. Ежегодный справочник. Выпуск 1. – М.: Морис – Медиа, Граница, 2004. – 664 с.: ил.

5. Природа Одинцовского края / Под ред. Н.Г. Рыбальского и В.В. Горбатовского. – М.: НИА – Природа, 2004. – 480 с., 800 ил.

6. Энциклопедия для детей. Аванта плюс Москвоведение. – М. Астрель.2005

4.Интернет -ресурсы: http://rus.ans4.com/28908914/kakoe-znachenie-vetra-v-prirode-i-zhizni-cheloveka/

Приложение 1

Агрометеоплощадка "Немчиновка"

Приложение 2

Прибор анеморумбометр

Приложение 3

Флюгер Вильда

Приложение 4

Осадкомер

Приложение 5

Психрометрическая будка

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13