風的測量

風是流動中的空氣。風的測量是指在固定地點量度風的兩個參數:風向和風速。以從正北方計算的方位角度或指南針點描述,即北、東北、東北偏北等,來量度風吹來的方向。風速是量度空氣流動的速度,通常以英里/小時和公里/小時報告,海上和航空業務則以海里/小時表示。

很多工具都可以測量風向和風速。最普遍的是風速表,它來自希臘文字 -- anemos,表示風的意思。風速表通常以一塊轉動的葉片來測量風向,並用裝上了杯子的軸隨風旋轉來測量風速。透過目視觀察也能用蒲福氏風級表來估計風速,它通常是應用於海上天氣預報和天氣報告。大部份機場都設置風袋,它為飛行員提供粗略的風向和風速資料。

風速表可分成兩類︰測量風的速度和測量風的壓力。因為風壓和風速之間有一個密切關係,無論是哪一種類型的風速表,都可以提供這兩種數據。

風速表的類型

速度風速表

杯型風速表

(3-風杯風速表與風向標)
3-風杯風速表與風向標
(由約翰‧托馬斯‧羅姆尼‧魯賓遜博士在1846年發明的杯型風速表)
由約翰‧托馬斯‧羅姆尼‧魯賓遜博士在1846年發明的杯型風速表

最簡單的風速表是杯型風速表,由約翰‧托馬斯‧羅姆尼‧魯賓遜博士在1846年發明的。它包括四個半球杯,每個裝在一支桿子的末端,四支桿子再以與對方相同的角度安裝在一垂直的桿軸上。氣流從任何水平方向通過杯子時會按風速轉動杯子。因此計數杯子在一段時間內轉動的次數便可以得到平均風速。

經過後期的發展,羅賓遜杯型風速表變成有3個風杯和輪子的設計。風速表並裝有風向標測量風向。風向標一般有兩部分或兩端 : 一端形狀像一個箭頭,而另一端比較寬闊,用來捕捉微風。風向標隨風轉動,箭頭會指向風吹來的方向,如果它是指向東面,這表示風是來自東方。

風車型風速表

(風車型風速表)
風車型風速表
(風車型風速表(於頂部))
風車型風速表(於頂部)

風車型風速表有一支桿軸,它的兩端裝上尾鰭和螺旋槳,並安裝在一垂直桿竿上。風吹向桿軸尾端導致風速表旋轉,直到螺旋槳面向風吹來的方向,從而得知了風向。螺旋槳葉片在風中轉動,恰似傳統的風車。量度螺旋槳的轉動率可以轉化為風速。

熱線風速表

(一部熱線風力表的示意圖)
一部熱線風力表的示意圖

熱線風速表使用一條經電流加熱至高於周圍環境溫度的精細電線,例如鎢絲,氣流吹過電線有一個冷卻作用,大部份金屬對電流的的阻力與其溫度有關,風速可從電線電阻和氣流速度之間的關係推斷出來。

相對於其他測風方法,熱線風速表是極其精細的,它有極高的頻率感應度和細緻的空間分辨率,因此這種風速表一般都為用來詳細研究湍流或任何速度變動得很快的流動。

壓力風速表

壓力板風速表

(一台壓力板風速表的簡化示意圖)
一台壓力板風速表的簡化示意圖

壓力板風速表是最早期的風速表,可以追溯到大約1450年。它是一塊簡單的平板,頂部懸掛在一個橫軸上,平板可以隨風前後擺動,風速由平板的移位來確定。這種裝置後來變為一塊平板,無論是方形或圓形,和一個風向標的組合,施加於板塊的壓力是靠壓縮彈簧來平衡,壓縮彈簧測定了風速,並可在一個錶板上查閱。由於其簡單設計,壓力板風速表是不適合測量微風和不定向風。

壓力管風速表

(壓力管風速表的記錄組件)
壓力管風速表的記錄組件
(在70年代,香港啟德機場使用的壓力管風速表)
在70年代,香港啟德機場使用的壓力管風速表

與壓力板風速表相比,壓力管風速表的設計較為複雜。該儀器利用氣流在兩種不同情況時所產生的氣壓來量度風速:即當風在吹入一支管子時所產生的壓力效應,還有當風從側旁吹過穿孔的管子時引起的吸力效應。壓力和吸力的總效應可以推斷出風速,兩個氣壓的差距影響到一個在密封水箱內的浮標,從浮標垂直位置能夠斷定風速。浮標連接了杆子和筆,把記錄寫在一張安裝在一個轉動鼓鐘上的圖表。壓力管風速表還有一個風向標識別風向。壓力管風速表有一個優勢是它的自給自足能力很強,它可以在沒人照顧下長期安放在一支杆頂上運作。


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