Windgeschwindigkeit - Wind speed

Ein Anemometer wird häufig verwendet, um die Windgeschwindigkeit zu messen.

In der Meteorologie , die Windgeschwindigkeit oder Windströmungsgeschwindigkeit , ist eine fundamentale atmosphärische Menge von Luft verursachte eine Bewegung hohe zu niedrigem Druck , in der Regel aufgrund von Änderungen in der Temperatur. Die Windgeschwindigkeit wird heute üblicherweise mit einem Anemometer gemessen .

Windgeschwindigkeit wirkt sich die Wettervorhersage , Luftfahrt und maritime Operationen, Bau - Projekte, Wachstum und Stoffwechsel - Rate von vielen Pflanzenarten und unzählige andere Auswirkungen hat. Beachten Sie, dass die Windrichtung aufgrund der Erdrotation normalerweise fast parallel zu Isobaren ist (und nicht senkrecht, wie man erwarten könnte) .

Einheiten

Meter pro Sekunde (m/s) ist die SI-Einheit für Geschwindigkeit und die von der Weltorganisation für Meteorologie empfohlene Einheit für die Meldung von Windgeschwindigkeiten und wird unter anderem in Wettervorhersagen in den nordischen Ländern verwendet . Seit 2010 empfiehlt auch die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) Meter pro Sekunde für die Meldung der Windgeschwindigkeit beim Anflug auf Landebahnen und ersetzt damit die bisherige Empfehlung, Kilometer pro Stunde (km/h) zu verwenden. Aus historischen Gründen werden manchmal auch andere Einheiten wie Meilen pro Stunde (mph), Knoten (kn) oder Fuß pro Sekunde (ft/s) verwendet, um Windgeschwindigkeiten zu messen. Historisch wurden Windgeschwindigkeiten auch nach der Beaufort-Skala klassifiziert , die auf visuellen Beobachtungen von speziell definierten Windeffekten auf See oder an Land basiert.

Faktoren, die die Windgeschwindigkeit beeinflussen

Die Windgeschwindigkeit wird von einer Reihe von Faktoren und Situationen beeinflusst, die auf unterschiedlichen Skalen (von Mikro- bis Makroskalen) wirken. Dazu gehören der Druckgradient , Rossby-Wellen und Jetstreams sowie lokale Wetterbedingungen. Es gibt auch Verbindungen zwischen Windgeschwindigkeit und Windrichtung , insbesondere mit dem Druckgradienten und den Geländebedingungen.

Druckgradient ist ein Begriff, der den Luftdruckunterschied zwischen zwei Punkten in der Atmosphäre oder auf der Erdoberfläche beschreibt. Die Windgeschwindigkeit ist entscheidend, denn je größer der Druckunterschied ist, desto schneller fließt der Wind (vom Hoch- zum Tiefdruck), um die Variation auszugleichen. Der Druckgradient beeinflusst in Kombination mit dem Coriolis-Effekt und der Reibung auch die Windrichtung .

Rossby-Wellen sind starke Winde in der oberen Troposphäre . Diese operieren auf globaler Ebene und bewegen sich von West nach Ost (daher als Westerlies bekannt ). Die Rossby-Wellen haben selbst eine andere Windgeschwindigkeit als die, die wir in der unteren Troposphäre erleben .

Lokale Wetterbedingungen spielen eine Schlüsselrolle bei der Beeinflussung der Windgeschwindigkeit, da die Bildung von Hurrikanen , Monsunen und Zyklonen als außergewöhnliche Wetterbedingungen die Strömungsgeschwindigkeit des Windes drastisch beeinflussen kann.

Höchste Geschwindigkeit

Das ursprüngliche Anemometer, das 1934 den Big Wind am Mount Washington Observatory maß

Die höchste jemals gemessene Windgeschwindigkeit, die nicht auf Tornados zurückzuführen ist, war während der Passage des tropischen Wirbelsturms Olivia am 10. April 1996: Eine automatische Wetterstation auf Barrow Island , Australien , registrierte eine maximale Windböe von 113,3 m/s (408 km/h; 253 .). mph; 220,2 kn; 372 ft/s) Die Windböe wurde vom WMO-Evaluierungsgremium bewertet, das feststellte, dass das Anemometer mechanisch einwandfrei war und die Böe innerhalb der statistischen Wahrscheinlichkeit lag, und die Messung im Jahr 2010 ratifizierte. Das Anemometer wurde 10 m über dem Boden montiert (und damit 64 m über dem Meeresspiegel). Während des Zyklons wurden mehrere extreme Böen von mehr als 83 m/s (300 km/h; 190 mph; 161 kn; 270 ft/s) aufgezeichnet, mit einer maximalen 5-Minuten-Mittelgeschwindigkeit von 49 m/s (180 km .). /h; 110 mph; 95 kn; 160 ft/s) lag der extreme Böenfaktor in der Größenordnung des 2,27–2,75-fachen der mittleren Windgeschwindigkeit. Das Muster und die Schuppen der Böen deuten darauf hin, dass ein Mesovortex in die bereits starke Augenwand des Zyklons eingebettet war .

Derzeit beträgt die zweithöchste jemals offiziell gemessene Oberflächenwindgeschwindigkeit 103,266 m/s (371,76 km/h; 231,00 mph; 200,733 kn; 338,80 ft/s) am Mount Washington (New Hampshire) Observatorium 1.917 m (6.288 ft) über Meeresspiegel in den USA am 12. April 1934 mit einem Hitzdraht-Anemometer . Das speziell für den Einsatz auf dem Mount Washington entwickelte Anemometer wurde später vom US-amerikanischen National Weather Bureau getestet und als genau bestätigt.

Windgeschwindigkeiten innerhalb bestimmter atmosphärischer Phänomene (wie Tornados ) können diese Werte stark überschreiten, wurden jedoch nie genau gemessen. Eine direkte Messung dieser tornadischen Winde wird selten durchgeführt, da der heftige Wind die Instrumente zerstören würde. Eine Methode zur Geschwindigkeitsschätzung besteht darin, Doppler auf Rädern zu verwenden, um die Windgeschwindigkeiten aus der Ferne zu messen, und mit dieser Methode den Wert von 135 m/s (490 km/h; 300 mph; 262 kn; 440 ft/s) während der 1999 Bridge Creek-Moore Tornado in Oklahoma am 3. Mai 1999 wird oft als die höchste aufgezeichnete Oberflächenwindgeschwindigkeit zitiert, obwohl ein anderer Wert von 142 m/s (510 km/h; 320 mph; 276 kn; 470 ft/s) hat wurde auch für den gleichen Tornado zitiert. Eine weitere Zahl, die das Zentrum für Unwetterforschung für diese Messung verwendet, ist 135 ± 9 m/s (486 ± 32 km/h; 302 ± 20 mph; 262 ± 17 kn; 443 ± 30 ft/s). Mit Doppler-Radar gemessene Geschwindigkeiten gelten jedoch nicht als offizielle Aufzeichnungen.

Die schnellste Windgeschwindigkeit, die auf einem Exoplaneten beobachtet wurde, war HD 189733b , die von Wissenschaftlern der University of Warwick im Jahr 2015 mit 5.400 mph oder 2.414 Metern pro Sekunde gemessen wurde. In einer Pressemitteilung gab die Universität bekannt, dass die Methoden zur Messung der Windgeschwindigkeiten von HD 189733b verwendet werden könnten, um Windgeschwindigkeiten auf erdähnlichen Exoplaneten zu messen.

Messung

Modernes Anemometer zur Erfassung der Windgeschwindigkeit.
Akustischer Resonanzwindsensor FT742-DM, eines der Instrumente, die jetzt zur Messung der Windgeschwindigkeit am Mount Washington Observatory verwendet werden

Ein Anemometer ist eines der Werkzeuge zur Messung der Windgeschwindigkeit. Das Anemometer, ein Gerät bestehend aus einer vertikalen Säule und drei oder vier konkaven Schalen, erfasst die horizontale Bewegung von Luftpartikeln (Windgeschwindigkeit).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schalen- und Flügelrad-Anemometern haben Ultraschall-Windsensoren keine beweglichen Teile und werden daher zur Messung der Windgeschwindigkeit in Anwendungen verwendet, die eine wartungsfreie Leistung erfordern, z. B. auf der Oberseite von Windkraftanlagen. Wie der Name schon sagt, messen Ultraschall-Windsensoren die Windgeschwindigkeit mit hochfrequentem Schall. Ein Ultraschall-Anemometer hat zwei oder drei Paare von Schallsendern und -empfängern. Stellen Sie es in den Wind und jeder Sender sendet konstant hochfrequente Töne an seinen jeweiligen Empfänger. Elektronische Schaltkreise im Inneren messen die Zeit, die der Schall benötigt, um von jedem Sender zum entsprechenden Empfänger zu gelangen. Je nachdem, wie der Wind weht, beeinflusst er einige der Schallstrahlen stärker als die anderen, verlangsamt oder beschleunigt sie sehr leicht. Die Schaltungen messen den Geschwindigkeitsunterschied der Balken und berechnen daraus, wie schnell der Wind weht.

Akustische Resonanzwindsensoren sind eine Variante des Ultraschallsensors. Anstatt die Laufzeitmessung zu verwenden, verwenden akustische Resonanzsensoren resonierende akustische Wellen in einem kleinen speziell gebauten Hohlraum, um ihre Windgeschwindigkeitsmessung durchzuführen. In den Hohlraum ist ein Array von Ultraschallwandlern eingebaut, die verwendet werden, um die separaten Stehwellenmuster bei Ultraschallfrequenzen zu erzeugen. Wenn Wind durch den Hohlraum strömt, kommt es zu einer Änderung der Welleneigenschaft (Phasenverschiebung). Durch Messung der Phasenverschiebung in den empfangenen Signalen durch jeden Wandler und anschließende mathematische Verarbeitung der Daten ist der Sensor in der Lage, eine genaue horizontale Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung zu liefern.

Ein weiteres Werkzeug zur Messung der Windgeschwindigkeit ist ein GPS in Kombination mit einem Staurohr. Das Pitot-Rohr ist ein Werkzeug für die Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden und wird hauptsächlich verwendet, um die Luftgeschwindigkeit eines Flugzeugs zu bestimmen.

Gestaltung von Strukturen

Anemometer an einem Outdoor-Bühnenset, um die Windgeschwindigkeit zu messen

Die Windgeschwindigkeit ist ein häufiger Faktor bei der Gestaltung von Bauwerken und Gebäuden auf der ganzen Welt. Sie ist häufig der maßgebende Faktor für die erforderliche seitliche Festigkeit des Entwurfs einer Struktur.

In den Vereinigten Staaten wird die bei der Auslegung verwendete Windgeschwindigkeit häufig als "3-Sekunden-Böe" bezeichnet, die die höchste anhaltende Böe über einen Zeitraum von 3 Sekunden mit einer Wahrscheinlichkeit, pro Jahr von 1 zu 50 überschritten zu werden (ASCE 7 -05, aktualisiert auf ASCE 7-16). Diese Bemessungswindgeschwindigkeit wird von den meisten Bauvorschriften in den Vereinigten Staaten akzeptiert und bestimmt häufig die seitliche Gestaltung von Gebäuden und Bauwerken.

In Kanada sind Referenzwinddruck in Design verwendet und werden auf die „mittlere stündliche“ Windgeschwindigkeit zugrunde , eine Wahrscheinlichkeit, dass pro Jahr von 1 in 50 Sollwertüberschreitungen Winddruck wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: wobei die Luftdichte ist , und ist die Windgeschwindigkeit.

In der Vergangenheit wurden Windgeschwindigkeiten mit einer Vielzahl von Mittelungszeiten (wie schnellste Meile, 3-Sekunden-Böe, 1-Minute und mittlere Stunde) gemeldet, die Designer möglicherweise berücksichtigen müssen. Um Windgeschwindigkeiten von einer Mittelungszeit in eine andere umzurechnen, wurde die Durst-Kurve entwickelt, die das Verhältnis zwischen der wahrscheinlichen maximalen Windgeschwindigkeit, gemittelt über t Sekunden, V t , und der mittleren Windgeschwindigkeit über eine Stunde V 3600 definiert .

Siehe auch

Verweise

Externe Links