Characteristics of Wind Velocity and Temperature Change Near an Escarpment-Shaped Road Embankment
Abstract
Sztuczne konstrukcje, takie jak nasypy budowane podczas budowy autostrad, wpływają na otaczający je przepływ powietrza. W wyniku zmian prędkości wiatru i temperatury wokół nasypów autostradowych mogą wystąpić różnego rodzaju uszkodzenia. Jednak w żadnym badaniu nie przeprowadzono dokładnych pomiarów zmian mikrometeorologicznych (prędkości wiatru i temperatury) powodowanych przez nasypy. W niniejszym opracowaniu przeprowadzono badania w tunelu aerodynamicznym oraz pomiary terenowe w celu określenia zmian prędkości i temperatury wiatru przed i po wybudowaniu nasypów wokół dróg. Stwierdzono, że na zmiany prędkości wiatru wokół nasypu po jego wybudowaniu mają wpływ: prędkość wiatru otaczającego, kąt wiatru oraz różnica poziomów i odległość od nasypu. Stwierdzono, że przy dużej różnicy poziomów w stosunku do nasypu i odległości do 3H stopień spadku prędkości wiatru jest duży. Przy zmianach prędkości referencyjnych wiatru wokół obwałowania, przyrosty prędkości wiatru nie były proporcjonalne do tempa spadku prędkości wiatru. Konstrukcja nasypu wpłynęła na temperaturę otoczenia. Stopień zmiany temperatury był duży w miejscach o dużej różnicy poziomów w stosunku do nasypu o świcie i w godzinach wieczornych, gdy zmiany prędkości wiatru były małe.
1. Wprowadzenie
Przy budowie autostrady w terenie górskim mogą pojawić się nasypy autostradowe i tunele. Autostrady budowane w obszarach górskich przy użyciu takich metod mogą uszkadzać produkty rolne poprzez zakłócanie naturalnego nasłonecznienia i wentylacji obszaru. Kiedy sztuczna konstrukcja, taka jak nasyp, jest budowana na obszarze upraw „owocowych”, zakłócenie naturalnego przepływu powietrza może spowodować zmianę temperatury na tym obszarze, co może skutkować takimi szkodami jak usychanie drzew owocowych, zmniejszenie plonów i opóźnienia w kwitnieniu, a to wszystko obniża jakość upraw. Mimo że wokół nasypów można instalować korytarze wiatrowe, aby zapobiec szkodom powodowanym przez zimną pogodę poprzez odcięcie przepływu powietrza, nie okazały się one szczególnie skuteczne. Większość szkód wyrządzanych drzewom owocowym przez zimną pogodę na obszarach, na których znajdują się nasypy autostradowe, występuje wiosną, kiedy wiatr jest słaby. Dzieje się tak dlatego, że większość szkód wyrządzanych przez zimną pogodę jest spowodowana słabym przepływem powietrza. W szczególności, gdy zbocza są budowane na otwartym terenie w kształcie doliny, swobodny przepływ powietrza jest blokowany przez nasypy autostradowe, a temperatura na tym obszarze staje się niższa niż na innych sąsiednich obszarach, co zwiększa szkody powodowane przez zimne warunki pogodowe. Zmiany przepływu powietrza na terenach pochyłych są bardziej skomplikowane i zróżnicowane ze względu na efekty topograficzne.
Istnieje wiele zjawisk charakterystycznych dla różnych topografii, takich jak porywy oraz wzrosty i spadki prędkości wiatru spowodowane efektami pokrycia. Prędkość wiatru jest zwiększona na zboczu, a także może być zwiększona przez pewne inne efekty topograficzne terenu. Wiele badań dotyczyło wzrostu prędkości wiatru w górach, dolinach i na terenach nachylonych. Zarówno Jackson i Hunt, jak i Mason i Sykes badali efekty wzrostu prędkości wiatru na niższych obszarach górskich bez zjawiska separacji. Bowen badał prędkość wiatru w prostych dwuwymiarowych obszarach górskich. Tayor i Lee zaproponowali algorytm do prognozowania wzrostu prędkości wiatru na szczycie obszaru górskiego. Większość badań koncentrowała się na rozkładzie prędkości wiatru w różnych warunkach ciepłego prądu w obszarach górskich (Newley , Neff i King , Finardi et al. , Booij et al. oraz Vosper et al. ). Miller i Davenport oraz Li et al. przeprowadzili analizy porównawcze wzrostu prędkości wiatru w złożonych obszarach górskich, biorąc pod uwagę szorstkość powierzchni sugerowaną w głównych kryteriach obciążenia oraz otaczające cechy geograficzne. Dodatkowo, przy prognozowaniu wzrostu prędkości wiatru, zwrócili uwagę na szorstkość powierzchni i otaczające warunki prądów powietrznych. Weng et al. zaproponowali wytyczne dotyczące prądów powietrznych w złożonej geografii poprzez uwzględnienie cech geograficznych i szorstkości powierzchni. Svoboda i Čermák zmierzyli prędkości wiatru i ich rozkład w grzbietach gór Erzgebirge przy użyciu obserwacji Doppler Sodar. Chock i Cochran przeprowadzili test w tunelu aerodynamicznym, aby zbadać szybkość zjawiska wzrostu wiatru na wyspie o zróżnicowanej topografii i zaproponowali model eksperymentalny dotyczący szczytu i wzrostu prędkości wiatru, który może być zastosowany do projektowania konstrukcji terenowych.
Nasypy autostradowe wpływają jednak na prądy dolne u podstawy zbocza. Nie przeprowadzono wystarczających badań nad przepływem powietrza w pobliżu sztucznych struktur, takich jak nasyp autostrady. Ponieważ owoce rosnące na gołej ziemi u podstawy zbocza są wrażliwe na temperaturę i prędkość wiatru, prędkość wiatru i temperatura powinny być oceniane przed budową dróg na zboczu. W niniejszej pracy badano zmiany prędkości wiatru i temperatury przed i po budowie nasypów autostradowych na otwartym terenie w kształcie doliny. W celu określenia zmian prędkości wiatru przeprowadzono test w tunelu aerodynamicznym z wykorzystaniem modeli. W teście w tunelu aerodynamicznym wykorzystano model do określenia zmian prędkości wiatru przed i po wybudowaniu nasypów autostradowych. Korelacja pomiędzy prędkością wiatru a temperaturą w pobliżu nasypów autostradowych została zidentyfikowana podczas eksperymentu terenowego przeprowadzonego na sąsiednich obszarach nasypu autostradowego.
2. Lokalizacja i metoda badawcza
W miejscu badań, gospodarstwa owocowe zostały rozmieszczone wokół obszaru składającego się z nasypu o długości 1,5 km na odcinku budowy autostrady. Nasypy autostradowe, położone na 36° 3,4′ szerokości geograficznej północnej i 140° 7,5′ długości geograficznej wschodniej, oraz ich otoczenie pokazano na rysunku 1. Przed budową nasypów powietrze mogło naturalnie spływać do dolnej części góry. Wydaje się jednak, że budowa nasypów wpłynęła na przepływ powietrza. Aby ocenić prędkość wiatru i zmiany temperatury na obszarach otaczających nasypy autostradowe, przeprowadzono dwa rodzaje testów. Po pierwsze, wykonując miniaturowy model terenu, przeprowadzono test w tunelu aerodynamicznym w celu określenia zmian prędkości wiatru w punktach pomiarowych przed i po zakończeniu budowy. Po drugie, przeprowadzono eksperyment terenowy w celu określenia korelacji pomiędzy zmianami temperatury i prędkości wiatru na obszarze upraw sadowniczych po realizacji nasypu.
Mapa topograficzna obszaru otaczającego nasyp.
3. Badanie w tunelu aerodynamicznym
3.1. Model eksperymentalny
W celu określenia przepływu powietrza w pobliżu nasypów autostradowych przeprowadzono badanie prędkości wiatru na modelu terenu w skali 1/150. Model terenu do tunelu aerodynamicznego został wykonany ze styropianu, a na jego powierzchni umieszczono aluminiowy pręt umożliwiający montaż anemometrów do pomiaru prędkości wiatru. Tunel aerodynamiczny z turbulentną warstwą graniczną był urządzeniem typu pionowego obiegu zamkniętego, a wymiary przekroju tunelu wynosiły 12 m szerokości, 2,5 m wysokości i 40 m długości. Rysunek 2 przedstawia eksperymentalny model terenu zainstalowany wewnątrz tunelu aerodynamicznego. Do identyfikacji zmian prędkości wiatru w nasypach autostradowych wykorzystano anemometry wielokanałowe (System 6242 Model 1560). Eksperyment przeprowadzono w celu określenia zmian prędkości wiatru w zależności od różnicy poziomów w otaczającej topografii terenu przed i po wybudowaniu nasypów autostradowych przy określonej początkowej prędkości wiatru. Do identyfikacji zmian prędkości wiatru poniżej nasypu wybrano 19 punktów, ponieważ występowała różnica poziomów od strony południowej i północnej nasypu. Anemometr został zainstalowany tylko w kierunku południowym. Ponieważ obszar południowy był większy od północnego, wykorzystano go jako sad. Badania prędkości wiatru przeprowadzono w pięciu miejscach tuż pod nasypem oraz w 14 miejscach w losowej odległości od nasypu. Badane kąty wiatru ograniczono do wiatrów wiejących z północnego i południowego kierunku nasypu. Badania prędkości wiatru przeprowadzono dla 10 kątów wiatru, w tym dla każdego zestawu czterech kątów wiatru z przerwą 22,5° pomiędzy kątem wiatru NW-NE a kątem wiatru SW-SE. Na rysunku 3 przedstawiono kąty wiatru w badaniu w tunelu aerodynamicznym. Anemometr mierzący referencyjne prędkości wiatru został zainstalowany nad drogą z nasypem. Wysokości 19 stanowisk pomiarowych i anemometru referencyjnego ustalono na 10 mm (wysokość w pełnej skali wynosiła 1,5 m).
(a) Przed
(b) Po
(a) Przed
(b) Po
Model terenu zainstalowany wewnątrz tunelu aerodynamicznego.
Kąty wiatru i punkty pomiarowe.
3.2. Wyniki pomiarów prędkości wiatru
Do pomiaru prędkości wiatru wykorzystano trzy referencyjne prędkości wiatru: 3 m/s, 5 m/s i 7 m/s. Referencyjne prędkości wiatru były oparte na prędkościach wiatru zmierzonych przez anemometr na drodze nasypowej. W tym teście badano zmiany prędkości wiatru w zależności od miejsca pomiaru i zmian referencyjnych prędkości wiatru w otaczającym obszarze przed i po wybudowaniu nasypu.
Rysunek 3 przedstawia różnicę poziomów w zależności od miejsc pomiaru prędkości wiatru wokół nasypu i wysokości drogi nasypowej. Obszar przyległy poniżej nasypu charakteryzował się średnią różnicą poziomów wynoszącą -8,5 m. Na podstawie centralnego punktu nasypu, lewy obszar charakteryzował się największą różnicą poziomów wynoszącą -11 m, a prawy obszar charakteryzował się różnicą poziomów wynoszącą -5,9 m.
Rysunek 4 przedstawia zarys pomiarów prędkości wiatru według prędkości referencyjnej wiatru i miejsca pomiaru. Rysunek 5 przedstawia rozkład prędkości wiatru w zależności od miejsca pomiaru i zmian kąta wiatru na obszarze po prawej stronie nasypu. Stwierdzono, że zmiany prędkości wiatru w zależności od miejsca pomiaru różnią się w porównaniu z referencyjnymi prędkościami wiatru w zależności od zmian kąta wiatru. Jednak prędkość wiatru z pozycji południowo-wschodniej jako wiatru dolinnego na lądzie była co najwyżej o 60% mniejsza od prędkości wiatru mierzonych z innych kierunków wiatru. Po wybudowaniu drogi nasypowej stwierdzono duże spadki prędkości wiatru w porównaniu z prędkościami referencyjnymi we wszystkich mierzonych kierunkach wiatru z wyjątkiem niektórych kierunków północnych. Kierunki wiatru (N i NNW) o małych zmianach prędkości wiatru przed i po wybudowaniu nasypu znajdowały się w miejscach o mniejszej wysokości nasypu niż pozostałe miejsca. W pracy badano zmiany prędkości wiatru w zależności od wzrostu referencyjnych prędkości wiatru przed i po wybudowaniu nasypu. Kąty wiatru z niektórych kierunków północnych (N, NNW i NW) przed i po wybudowaniu nasypu wykazały, że tempo spadku prędkości wiatru po wybudowaniu nasypu było niewielkie i wynosiło mniej niż 20% niezależnie od miejsca pomiaru i prędkości wiatru. Mniejsza odległość pomiędzy miejscem pomiaru a nasypem oraz wzrost prędkości referencyjnej wiatru skutkowały odpowiednio większym stopniem spadku prędkości wiatru. W niniejszej pracy badano zmiany prędkości wiatru w stosunku do prędkości referencyjnych w zależności od różnicy poziomów pomiędzy wysokością nasypu a miejscem pomiaru. W przypadku stanowiska pomiarowego nr 3 wynosiła ona -13,6 m pod drogą nasypową. Po jego wybudowaniu zmiany prędkości wiatru wynosiły 1 lub poniżej we wszystkich prędkościach wiatru. Potwierdzono, że na tempo spadku prędkości wiatru miała wpływ różnica poziomów w stosunku do nasypu.
Obrys pomiaru prędkości wiatru.
(a) pkt 3
(b) pkt 4
(c) pkt 10
(d) pkt 13
(a) pkt. 3
(b) Punkt 4
(c) Punkt 10
(d) Punkt 13
Rozkład prędkości wiatru według miejsc pomiaru w zależności od zmian kąta wiatru w obszarze na prawo od nasypu.
Rysunek 6 przedstawia zmiany prędkości wiatru w zależności od miejsca pomiaru i zmiany kąta wiatru na obszarze po lewej stronie nasypu. Lewy obszar zawierał wiele obszarów, które były o ponad 50% wyższe pod względem średniej różnicy poziomów. Na lewą część obszaru wpływały również miejsca pomiarowe i kąty wiatru w stopniu zmian prędkości wiatru w porównaniu z referencyjnymi prędkościami wiatru przed i po wybudowaniu nasypu. Stanowisko pomiarowe nr 5 zlokalizowane tuż pod nasypem miało różnicę poziomów -11,5 m w stosunku do drogi nasypowej i wykazało duży stopień spadku prędkości wiatru – ponad 70% po wybudowaniu nasypu przy prędkości referencyjnej wiatru 3 m/s. Natomiast miejsca pomiarowe nr 9, 14 i 15 wykazywały niewielkie zmiany prędkości wiatru w porównaniu z referencyjnymi prędkościami wiatru w odniesieniu do kątów wiatru z kierunku południowego przed i po wybudowaniu nasypu. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że miejsca te charakteryzowały się większymi różnicami poziomów niż odpowiadające im miejsca po prawej stronie. Potwierdzono, że na zmiany prędkości wiatru wokół nasypu duży wpływ miała odległość i różnica poziomów od nasypu.
(a) Punkt 5
(b) Punkt 9
(c) Punkt 14
(d) Punkt 15
(a) Punkt 5
(b) Punkt 9
(c) Punkt 14
(d) Punkt 15
Rozkład prędkości wiatru w miejscu pomiaru w zależności od zmian kąta wiatru w obszarze na lewo od nasypu.
Rycina 7 przedstawia zmiany prędkości wiatru w zależności od odległości od obwałowania i zmian kąta wiatru. Przed budową nasypu zmiany prędkości wiatru w zależności od odległości od nasypu były stałe i nie wykazywały dużego wpływu kąta wiatru. Jednak po wybudowaniu nasypu potwierdzono, że na zmiany prędkości wiatru w porównaniu z referencyjnymi prędkościami wiatru w zależności od odległości od nasypu mają wpływ kąty wiatru. Przy zmianach prędkości wiatru w zależności od odległości pomiaru kątów wiatru SSW i SW, na stanowisku oddalonym od nasypu o 3 (= wysokość nasypu), niezależnie od zmian prędkości wiatru, zaobserwowano spadek wskaźników prędkości wiatru aż o ponad 60% w stosunku do stanowiska oddalonego od nasypu o 1,5. Natomiast przy wietrze o kącie NNW wiejącym od północy nasypu nie zaobserwowano zmian prędkości wiatru w zależności od odległości. Na zmiany prędkości wiatru w zależności od odległości od nasypu miały wpływ kąty wiatru. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład prędkości wiatru na obszarze otaczającym nasyp, gdy wiatr wiał z kierunku SSW z prędkością 3 m/s.
(a) SW
(b) SSW
(c) NNE
(a) SW
(b) SSW
(c) NNE
Prędkości wiatru na minutę w zależności od odległości od nasypu i zmian kąta wiatru.
(a) Przed
(b) Po
(a) Przed
(b) Po
Ogólny wykres rozkładu prędkości wiatru w obrębie lokalizacji przed i po wybudowaniu nasypu (kąt wiatru = SSW).
Rycina 8 poniżej rozkładu prędkości wiatru przedstawia topografię terenu za pomocą kolorów. Obszary o niższych wysokościach są zaznaczone na czarno, a o wyższych wysokościach na czerwono. Przed wstawieniem modelowego zbocza, prędkość wiatru była rozłożona zgodnie z topografią. Dlatego lewy obszar, który miał wyższą topografię, zawsze miał co najmniej 2 m/s prędkości wiatru. Na niższym poziomie prędkość wiatru zawsze wynosiła co najmniej 1,35 m/s. Jednak po wybudowaniu nasypów autostradowych w prawym obszarze o niższym ukształtowaniu terenu nastąpiła ponad 55% redukcja prędkości wiatru, co spowodowało, że prędkość wiatru spadła poniżej 1 m/s. W lewym obszarze o mniejszej różnicy poziomów nie odnotowano znaczącego zmniejszenia prędkości wiatru.
4. Eksperyment terenowy
W celu określenia korelacji pomiędzy prędkością wiatru na powierzchni a zmianą temperatury w obszarze nasypów autostradowych przeprowadzono eksperyment terenowy. Na rysunku 9 przedstawiono odległość pomiędzy obserwatorium meteorologicznym a miejscem eksperymentu terenowego (8,6 km w linii prostej od pomierzonych punktów). Eksperyment terenowy przeprowadzono przy średniej temperaturze 5,6°, temperaturze maksymalnej 21,4°, temperaturze minimalnej -4,1° oraz średniej prędkości wiatru 3,4 m/s w marcu (obserwowanej w najbliższym obserwatorium meteorologicznym). W eksperymencie terenowym określono rozkład prędkości wiatru i temperatury, koncentrując się na najniższym (-11,5 m) i najwyższym (1,2 m) punkcie nasypu. Rysunek 10 przedstawia lokalizację miejsca eksperymentu terenowego. W celu określenia zmian prędkości wiatru i temperatury w zależności od wysokości nasypu, w najwyższym i najniższym punkcie zainstalowano anemometry.
Odległość pomiędzy obserwatorium meteorologicznym a punktami pomiaru terenowego.
Punkty pomiaru terenowego.
Pięć punktów pomiędzy dwoma anemometrami wybrano jako punkty pomiaru temperatury. Zmiany temperatury były rejestrowane przez 18 dni, a średnie dane temperatury mierzonej co 5 minut były automatycznie zapisywane. Zakres pomiarowy czujnika temperatury (HOBO Pro v2 Tem/RH Data Logger) wynosił -40-70°C, a zakres pomiarowy czujnika prędkości wiatru 0,5-50 m/s. Na rysunku 11 porównano temperatury (średnie, maksymalne i minimalne) oraz prędkości wiatru pomiędzy danymi zarejestrowanymi w obserwatorium meteorologicznym a danymi zmierzonymi w eksperymencie terenowym w 18-dniowym okresie eksperymentalnym. Stacja meteorologiczna znajdowała się w odległości 8,6 km w linii prostej od miejsca pomiaru terenowego, ale średnie temperatury były zgodne. Jednak liczba dni, w których zaobserwowano temperaturę minimalną poniżej 0°C, wynosiła 9 dni w obserwatorium meteorologicznym i 15 dni w eksperymencie terenowym, co oznacza, że w punktach mierzonych w terenie było o 6 dni więcej z temperaturą minimalną poniżej 0°C. Gdy średnia temperatura w obserwatorium meteorologicznym wynosiła -4,1°C, to w punkcie eksperymentu polowego wynosiła -9,1°C. W przypadku rozkładu średniej prędkości wiatru, prędkość wiatru 1,1 m/s-2 m/s występowała przez 8 dni w terenie, podczas gdy w obserwatorium meteorologicznym tylko przez 2 dni. Prędkość wiatru większa od 3 m/s występowała przez trzy dni w eksperymencie terenowym i dziewięć dni w obserwatorium meteorologicznym. W punktach pomiaru terenowego prędkość wiatru była niższa niż w obserwatorium meteorologicznym. Porównując dane meteorologiczne między obserwatorium meteorologicznym a poletkiem doświadczalnym w okresie eksperymentu (18 dni) stwierdzono, że wyższe temperatury i niższe prędkości wiatru częściej obserwowano w poletku doświadczalnym, choć najwyższe zarejestrowane temperatury były prawie identyczne. Rysunek 12 przedstawia średnie prędkości wiatru i temperaturę w punktach (1,2 m i -11,5 m od nasypu) wykreślone w czasie. Stwierdzono, że temperatura spadała poniżej 0°C wraz z gwałtownym spadkiem prędkości wiatru przed godziną 6 rano i po godzinie 18.
(a) Średnia temperatura
(b) Maksymalna temperatura
(c) Minimalna temperatura
(d) Prędkość
(a) Średnia Temperatura
(b) Temperatura maksymalna
(c) Temperatura minimalna
(d) Prędkość
Zmiana prędkości wiatru w zależności od zmiany kąta wiatru w punktach pomiarowych przed i po wybudowaniu nasypu.
Rozkład temperatury i prędkości wiatru w punktach pomiarowych według stref czasowych w okresie pomiarowym.
Najniżej położony punkt na stanowisku (Punkt Pomiaru Temperatury 1) wykazywał temperaturę niższą o 2°C w stosunku do drugiego punktu o tej samej wysokości na nasypie (Punkt Pomiaru Temperatury 6). Temperatura i prędkość wiatru wzrastały od godziny 8 rano i osiągnęły maksimum o godzinie 14. Później zarówno temperatura, jak i prędkość wiatru spadały. Jednakże temperatury i prędkości wiatru w punktach położonych poniżej wysokości nasypu były do 40% niższe niż w punktach położonych wyżej od nasypu. Na podstawie tych wyników potwierdzono, że zarówno temperatura, jak i prędkość wiatru były zależne od wypełnienia terenu w miejscu eksperymentu. Ogólnie rzecz biorąc, rozkłady temperatury według wysokości nie dają dużych odchyleń temperatury według wysokości w dni pochmurne ze względu na małe ilości promieniowania. Wykazują one jednak duże odchylenia temperatury w zależności od wysokości w dni pogodne i bezwietrzne. O ile o świcie przy temperaturach poniżej zera i wieczorem temperatury na stanowiskach nisko położonych zainstalowanych z nasypem były mierzone na niższych poziomach niż na stanowiskach wysoko położonych, o tyle w południe, gdy temperatura rosła, były mierzone na wyższych poziomach. Innymi słowy, zaobserwowano zjawisko odwrócenia temperatury.
To zjawisko odwrócenia temperatury pokazano na rysunku 13, na którym przedstawiono wykres średnich czasowych w okresie pomiarowym. W zmierzonych danych, temperatura w niższych obszarach była o 2,0°C niższa niż w wyższych obszarach w nocy, ale była również o 3,5°C wyższa w ciągu dnia. Rysunek 13 przedstawia 24-godzinne dane zmierzone w punktach pomiarowych w dni deszczowe oraz w dni poprzedzające dni deszczowe. W ciągu dnia, przed dniami deszczowymi, na niżej położonych obszarach wystąpiło wyraźne zjawisko odwrócenia temperatury. O świcie i wieczorem temperatura wynosiła poniżej zera, a po południu powyżej zera. Natomiast w dni deszczowe na wszystkich stanowiskach badawczych występowały niewielkie różnice temperatury między dniem a nocą, poniżej 1°C.
(a) Rozkład temperatury i prędkości wiatru w pogodne dni z odwróceniem temperatury o punkt
(b) Rozkład temperatury i prędkości wiatru w deszczowe dni bez odwrócenia temperatury o punkt
(a) Temperature i rozkład prędkości wiatru w dni pogodne z odwróceniem temperatury o punkt
(b) Rozkład temperatury i prędkości wiatru w dni deszczowe bez odwrócenia temperatury o punkt
Rozkład temperatury i prędkości wiatru w dni pogodne i deszczowe.
5. Zależność między prędkością wiatru a zmianą temperatury
Przeanalizowano wykres rozkładu prędkości wiatru i temperatury po wybudowaniu nasypu. Rysunek 14 przedstawia wykres rozkładu godzinowych prędkości wiatru i temperatury w zależności od miejsca eksperymentu. W oparciu o charakterystykę geograficzną wykorzystano dane z 18 dni z miejsca położonego wysoko (+1,2 m w stosunku do nasypu) oraz z miejsca położonego nisko (-13,6 m w stosunku do nasypu). W celu poznania charakterystyki zmian prędkości wiatru i temperatury przeprowadzono analizę godzinową (18.00-6.00 i 6.00-18.00). Zmiany prędkości wiatru o świcie i w godzinach wieczornych były bardzo małe i wynosiły poniżej 0,3-0,5 m/s. Na stanowisku niskiego poziomu (temperatura 1) pod nasypem stwierdzono zmiany temperatury w zakresie od 0 do -4°C, natomiast na stanowisku wysokiego poziomu zmiany temperatury wynosiły od 0,4 do -0,4°C. Stanowisko niskopoziomowe wykazywało większy zakres zmian temperatury niż stanowisko wysokopoziomowe. W godzinach, w których zmierzona prędkość wiatru była bardzo mała i wynosiła 0,5 m/s, na stanowisku niskim zanotowano temperatury poniżej zera we wszystkich zakresach temperatur. Minimalna temperatura na niskim poziomie wynosząca -4°C wykazywała ponad dziesięciokrotną różnicę temperatur w stosunku do wysokiego poziomu w tym samym zakresie prędkości wiatru. W godzinach porannych i popołudniowych, gdy prędkość wiatru wynosiła 2,4 m/s lub mniej, różnica między temperaturą maksymalną i minimalną na obszarze niskiego poziomu wynosiła 10°C. Natomiast w strefie wysokopoziomowej różnica ta wynosiła 5°C. W odniesieniu do charakterystyki temperatur godzinowych potwierdzono, że nasyp zmniejszył prędkość wiatru i obniżył temperaturę do wartości poniżej zera. Stwierdzono również, że obszary stagnacji bez zmian prędkości wiatru w wyniku nasypu wpływają na temperaturę.
(a) Vel1-Temp1 (18 pm-6 am)
(b) Vel1-Temp1 (6 am-18 pm)
(c) Vel2-Temp6-am (18.00-18.00)
(d) Vel2-Temp6 (6.00-18.00)
(a) Vel1-Temp1 (18.00-6.00)
(b) Vel1-Temp1 (6.00-18.00)
(c) Vel2-Temp6-am (18.00-6.00)
(d) Vel2-Temp6 (6.00-18.00)
Rozkład prędkości wiatru i temperatury według stref czasowych.
6. Wnioski
Wyniki badań dotyczące zmian prędkości wiatru i temperatury powodowanych przez nasyp wokół autostrady zbudowanej na terenie o pochyłej topografii są następujące.
Na zmiany prędkości wiatru wokół nasypu miały wpływ prędkości wiatru w otoczeniu, kąty wiatru, różnice poziomów otaczających terenów w zależności od wysokości nasypu oraz odległość terenów od nasypu. Zmiany prędkości wiatru były oceniane pod różnymi względami w zależności od miejsca pomiaru. Mniejsza prędkość referencyjna wiatru wykazywała odpowiednio większe tempo spadku prędkości wiatru. Ponadto, pod względem zmian kąta wiatru, prędkości wiatrów wiejących z terenów pochyłych i dolinnych zmniejszyły się po wybudowaniu nasypu nawet o ponad 60%. Ponadto stwierdzono, że tempo spadku prędkości wiatru ze względu na różnicę poziomów otaczających terenów w zależności od wysokości obwałowania jest największe w obszarze o największej różnicy poziomów w stosunku do centralnej części obwałowania. Zmiany prędkości wiatru w zależności od odległości od nasypu wykazywały wzrost w zakresie spadku prędkości wiatru do odległości 3. Przeprowadzono pomiary terenowe w celu określenia zmian prędkości wiatru i temperatury po wybudowaniu nasypu. Wyniki pomiarów terenowych potwierdziły również zmiany prędkości wiatru w zależności od wysokości nasypu i różnicy poziomów. W centralnej części nasypu zmierzono najmniejszą prędkość wiatru, a stopień zmiany prędkości wiatru okazał się niewielki. Wyniki badań w tunelu aerodynamicznym były zgodne z ogólną tendencją. W miejscu o małych zmianach prędkości wiatru (poniżej nasypu) odnotowano niższe temperatury niż w miejscu wyżej położonym. Zmiany temperatury w godzinach wieczornych i o świcie, kiedy mierzono małe prędkości wiatru, były większe w porównaniu z innymi godzinami. Po wybudowaniu nasypu temperatury również spadły wraz z prędkościami wiatru.
Konflikt interesów
Autorzy nie deklarują konfliktu interesów w związku z publikacją tej pracy.
Podziękowania
Praca ta była wspierana przez National Research Foundation of Korea (NRF) Grant finansowany przez rząd Korei (MEST) (nr 2011-0028567).