氣象學上,風速是是指空氣相對於地球某一固定地點的運動速率。但速度放在風上並不直觀,所以又提出了一個新的概念:風力。風力指風的強度,具體使用方法就是給風力劃分等級。 古代人們依據經驗和風對自然事物的影響來給風力劃分等級,唐代的李淳風在《乙巳佔》中給風力劃分了八個等級:「一級動葉,二級鳴條,三級搖枝,四級墜葉,五級折小枝,六級折大枝,七級折木,飛沙石,八級拔大樹及根。」這是我國最早也是世界最早的成體系的風力分級。 隨著大航海和文藝復興的推進,西方對風的研究逐漸超過東方。1805年,英國海軍軍官弗朗西斯·蒲福發明了蒲福風力等級,而這套等級經過英國皇家海軍的推廣,逐步被世界公認。 現今各國的風力等級大都是在蒲福風力等級的基礎上修訂建立的。比如2012年6月,中國發布的《風力等級》國家標準。
上文介紹了風的屬性,那大家知道風向風速是怎麼測出來的麼?
其實早在殷商年間,人們就開始使用布帛做成的旗子來測風,根據被吹起的旗子的方向和旗子擺動強度來判斷風向和風速。無論是旗子還是其他的東西,其實都是上文提到的根據風對事物的影響來判斷風向和風速。那現代社會是怎麼測風的呢?上文的風力等級表中詳細的風速是怎麼測出來的呢?
現代氣象中,測量風向主要用的是風向標。風向標是一個不對稱形狀的物體,重心點固定於垂直軸上。當風吹過時,因形狀不對稱,兩頭受到風壓不同,風向標會隨風旋轉,直到頭部轉到風的來向時,由於受力平衡,從而穩定指向某一方位不再轉動。
現代氣象中,測量風速主要用的是風速傳感器。風速傳感器分為機械式和超聲波式,機械式是計算風杯轉動的速度從而推算風速;超聲波式是計算空氣流動對超聲波傳輸速度的影響從而推算風速。由於超聲波風速傳感器結構複雜、笨重、昂貴,所以一直沒有被廣泛使用。
當然現今的側風儀器大多已結合了上述兩種儀器,就如下圖所示,上面是風速傳感器,下面是風向標。地面的測風方法如上文所述,那高空的風是如何測量的呢?這時就需要用到一種大家熟知的東西——氣球。
側風氣球是一個充滿氫氣的乳膠氣球,用地面的測風經緯儀追蹤氣球在空中的移動,從而計算求出氣球經過的空中各層的平均風向和風速。當然隨著科學的進步,使用肉眼的測風經緯儀逐漸被淘汰,更新為雷達追蹤;同時各種探空設備也逐漸被系在氣球上,所以現在的氣球都是更強大的探空氣球,能直接探測高空包括風在內的各種氣象數據。
有人可能有疑問,這氣球升到空中炸了以後那儀器怎麼辦?這裡有兩種情況,第一種是氣象臺每天固定時次放的氣球,那個儀器不值錢,就隨它去了;
第二種是氣象研究用的特殊儀器,這種儀器就值錢了,會裝上降落傘和GPS,然後貼上條子,上面寫著:精密儀器,請勿拆解,撿到有獎勵,聯繫人XXX。
首先是風的標識,現今使用的風力符號又稱風失,由風向杆、風羽和風三角組成,其中以風向杆的方向表示風向,以風羽和風三角表示風速。不過航空氣象和地面氣象對於風羽和風三角的定義就有所不同了。地面氣象中完整風羽表示4m/s,半條表示2m/s;風三角為空心三角表示20m/s。航空氣象中完整風羽表示10kt,半條表示5kt;風三角為實心三角表示50kt。其次是風的測量,由於氣球飛行的不可控性,機場是不適合釋放氣球的,但機場上空又是飛機密集的區域,對高空風測量需求較大,這怎麼辦呢?解決方法就是都卜勒測風雷達。
都卜勒測風雷達是指利用都卜勒效應測量大氣中微粒的運動從而推算出高空風的情況,它不僅不需要探空氣球,還能不間斷的探測空中風的變化,對風切變之類的突變都能及時監控到。
這個是風向袋,一種指示風向和風力的圓錐形布袋,常由紅白相間的條紋布製成,掛在高杆上。相比於精緻的風向標和風速傳感器,風向袋就比較粗糙了,但它也有其獨有的優勢:
首先是風向袋對於風向和風速展示的更加直觀,當風吹起時,袋子會沿相反的風向抬起,更直觀的顯示風向。同時,袋子的角度將顯示風的強度,風越強,袋子約平坦,直觀的顯示風力大小。
其次是風向袋比風向標要大很多,而且顏色更為醒目,因此在很遠的距離都能看的清楚,同時由於反射帶的緣故,夜間也能目視可見。
最後是風向袋材料為疏水性材料,這意味著即使是雨天,風向袋仍然可以正常工作,並且不會生鏽。另外,也不是風向袋精度就一定差於風向標,由於風向標自身具有一定重量,當風很微弱的時候,很多風向標無法被吹動,而袋子很輕,因此它比其他材料能更精確地測量弱風。基於上述優點,風向袋一般被用於機場、公路或有氣體洩漏危險的化工廠等。