Чей ветер лучше?

Чей ветер лучше?

В ходе рассуждений об анемохорном расселении диаспор борщевика Сосновского (Время упадничества, Полёты во СНЕг и НАЯВУ) у нас возникли разные вопросы связанные с ветром:

  1. Какая скорость ветра на высоте расположения зонтиков борщевика в период расселения его семян?
  2. При какой скорости ветра семена борщевика будут отрываться от карпофора и планировать к земле?
  3.  Каким образом собрать массив данных о скорости ветра, какие источники для этого использовать?
  4. Какой ветер в разных районах вторичного ареала борщевика Сосновского.
  5. Сколько же семян может сдуть один порыв ветра 3, 5 или 10 м/с?

На некоторые вопросы мы уже ответили в ходе постановочных экспериментов.

 

Рассмотрим два варианта получения метеорологических данных

Исходные данные о погоде (температура, осадки, облачность, ветер…) были загружены с сервиса «Расписание погоды». Для города Сыктывкара доступен архив Метеостанции (ВМО 23804) и Аэропорта (UUYY).

В период с 1 сентября по 24 октября 2018 г. в окрестностях г. Сыктывкара наблюдали практически полный разлет семян борщевика, поэтому мы загрузили массив данных о погоде за этот период времени.

Отметим, что частота данных с Метеостанции 8 измерений в сутки (каждые 3 часа). В Аэропорту измерений гораздо больше — 48 раз в сутки (каждые полчаса). Если убрать из обоих массивов данных сырые периоды (осадки разного вида), и использовать  только периоды времени со скоростью ветра не ниже 5 м/с*, то:

  1. Метеостанция — в итоговом массиве данных останется только одна дата  — 27.09.2018 г. в 12 ч дня. В это время ветер был 5 м/с с порывами  (FF=5 м/с, FF10=10, 11 м/с) и не было дождя. Это были подходящие условия для разлета семян, но их, скажем прямо,  КАТАСТРОФИЧЕСКИ МАЛО.  Проблема в том, что интервалы (каждые 3 часа) публикуемых данных на Метеостанциях  очень большие и не совсем подходят для учета фактора ветра в рамках поставленного вопроса о расселении семян.
  2. Аэропорт —  после отбора получаем набор данных из 166 измерений FF=от 5 до 9 м/с и набор данных из 45 порывов ветра FF10=от 10 до 15 м/с.  Это уже неплохо. Такой массив можно считать и анализировать. В результате мы можем учитывать скорость ветра каждые полчаса.

Еще раз вернемся к дате 27.09.2018 г. На Метеостанции мы видим одну ветро-запись в 12 часов дня, затем было уже сыро, а в Аэропорту указано, что ветер дул до 12:30 с достаточно мощными порывами ветра 12-15 м/с., затем был дождь, но были и перерывы без дождя в 18:30 и 20-21 ч с ветром 5 м/с.

В результате, для количественной оценки скорости ветра следует загрузить данные Аэропортов с получасовым интервалом наблюдений.

Примечание: * — в лабораторном эксперименте было определено, что медианное значение скорости потока воздуха необходимого для отрыва семян борщевика Сосновского от карпофора составляет 5 м/с (Захожий, Малышев, 2018). Наблюдения за разлетом семян показало, что ветрам со скоростью 3-4 м/с «трудно» сдвигать горсть семян (около 100 шт.) со стартовой площадки. В стабильном потоке ветра (скорость 5-6 м/с в течение не менее 2-3 секунд) семена летят в воздухе хорошо заметным облаком. С высоты около 3 метров  семена разлетаются на дистанции более 10 метров (Далькэ, Захожий, Чадин, 2018).

 

Еще один любопытный вопрос. Сколько же семян может сдуть один порыв ветра 3, 5 или 10 м/с?

Это важно, для того чтобы сконструировать расходную модель разлета семян борщевика. Действительно, количество семян борщевика Сосновского в не бесконечно. Созревает около 20 тыс. штук семян на площадь моновидовой заросли. Рано или поздно они все разлетятся. Но позвольте спросить: «Когда это произойдет и при какой скорости ветра?»

Чтобы решить этот вопрос мы брали зонтички (часть большого соцветия-зонтика) с воздушно-сухими семенами борщевика Сосновкого и помещали их в поток воздуха со скоростью 3 м/с на 7-10 секунд. Поток воздуха создавали с помощью пылесоса «WD 2» работающего на выдув. После обдува зоничков часть семян улетало. Мы подсчитывали количество семян оторвавшихся от карпофора. Затем увеличивали скорость потока воздуха с дискретностью 1 м/с. В каждой ветровой зоне подсчитывать сколько семян отрывается от зонтичка. Так продолжали пока все семена не улетят. Максимальная скорость обдува диаспор составила около 17 м/с.

Рис. Кумулята семян борщевика Сосновского разлетающихся из зонтичков при разной скорости воздушного потока (лабораторный эксперимент, 14 декабря 2018 г.). Приведены рассуждения о осыпавшихся и еще оставшихся  в соцветиях семенах.

Результат опыта. В зонтичках которые мы обдували воздухом уже не хватало около 40% семян. Эти семена просто осыпались пока лежали и сохли в помещении. Таким образом, мы обдували остаток в 60% семян с достаточно «крепкими карпофорами». Обдув потоком воздуха зонтичков показал, что слабый ветер около 3 м/с сдувает из соцветий 4% семян, которые остались после хранения  соцветий в помещении.  То есть ветер 3 м/с сдует 40+4=44% семян. И так по нарастающей. При ветре более 11 м/с из соцветия разлетаются все семена.

Нам известно, что в 2018 году разлет подавляющего количества семян борщевика Сосновского в окрестностях г. Сыктывкара начался в сентябре и завершился во второй декаде октября. За это период максимальные порывы ветра на высоте около 3 м (где стоят зонтики борщевика) не превысили 9 м/с. То есть разлетелось 90% семян и около 10% семян должны были остаться на зонтиках и ждать порывов ветра 11-15 м/с. Такие порывы сдули бы все семена.

Мы посчитали остаток семян на зонтика в природе и действительно к концу второй декады октября в зонтиках устойчиво закрепленных в почве побегов осталось в среднем 4% (размах от 1 — 14%) от общего количества созревших в 2018 году семян борщевика Сосновского.

В природе можно наблюдать отдельные  зонтики б.С. с семенами, которые еще не разлетелись хотя уже выпал снег (фото 6 декабря 2018 г., РБК, окрестности г. Сыктывкара).  Возможно это исключительные  семена с «крепкими» карпофорами или зонтик был прикрыт от ветра естественными преградами. Такие семена могут составлять фонд дальнего анемохорного расселения на десятки метров.

 

Важно помнить, что данные о скорости ветра, которые приводят на официальных Метеостанциях, в аэропортах измерены на высоте 10-12 м над уровнем земли. Следовательно в зарослях растений на высоте генеративных побегов борщевика (около 3 м) скорость ветра будет уже существенно ниже.

 

И еще почему данные о ветре сильно разнятся?

Ветер ― очень изменчивый параметр атмосферы. Вследствие турбулентности воздушного потока в каждый момент времени и в каждой точке пространства он разный. Поэтому скорость и направление ветра определяют как сглаженные, осредненные за 10 минут величины.
Параметры ветра измеряют на метеоплощадках, где минимизировано влияние внешних факторов, искажающих воздушный поток. Датчики ветра устанавливают на мачтах на высоте 10 метров.
В сводках погоды всегда передается фоновый ветер. Максимальная скорость ветра в порывах включается в сводки в том случае, если скорость ветра равна или превышает 10 м/с.
В определенных синоптических ситуациях может отмечаться сильная турбулентность, что проявляется в больших колебаниях (пульсациях) ветра. В этих случаях помимо фонового ветра (дующего постоянно с определенной скоростью) измеряют порывы ветра (максимальные значения во время пульсаций). Разница между этими параметрами может быть очень большой ― в 2 и более раз.
Порыв ветра — резкое кратковременное усиление ветра при скоростях 10 м/с и выше.