Tốc độ gió là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tốc độ gió

Tốc độ gió là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nhanh chậm của chuyển động không khí tại một điểm nhất định trong khí quyển. Trong khí tượng học và động lực học không khí, đây là một trong những thành phần chính của véc-tơ gió, thường được xét kèm với hướng gió để mô tả toàn diện hiện tượng gió.

Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), tốc độ gió được xác định là vận tốc trung bình của không khí đo tại độ cao tiêu chuẩn 10 mét so với mặt đất trong khoảng thời gian tối thiểu 10 phút. Đơn vị đo phổ biến trong tiêu chuẩn quốc tế là mét trên giây (m/s), tuy nhiên trong ứng dụng hàng hải, hàng không và dự báo dân dụng, các đơn vị khác như hải lý/giờ (knots) hoặc km/h cũng thường được sử dụng.

Các đơn vị đo tốc độ gió

Tốc độ gió được biểu diễn bằng nhiều đơn vị tùy theo hệ đo lường và lĩnh vực ứng dụng. Dưới đây là ba đơn vị chính:

• mét/giây (m/s): đơn vị chuẩn trong hệ SI, dùng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa học và dữ liệu khí tượng toàn cầu
• km/giờ (km/h): đơn vị phổ biến trong các bản tin thời tiết dân dụng và giao thông
• hải lý/giờ (knots): sử dụng trong hàng hải, hàng không; 1 knot = 1 hải lý/giờ = 1.852 km/h

Mối quan hệ chuyển đổi giữa các đơn vị tốc độ gió như sau:

Đơn vị	Ký hiệu	Chuyển đổi
mét/giây	m/s	1 m/s = 3.6 km/h = 1.94384 knots
kilômét/giờ	km/h	1 km/h = 0.27778 m/s
hải lý/giờ	kn	1 kn = 0.51444 m/s

Phân loại theo thang Beaufort

Thang Beaufort là một hệ thống phân loại định tính tốc độ gió dựa trên tác động của gió quan sát được trong tự nhiên. Được đề xuất bởi đô đốc hải quân Anh Francis Beaufort vào năm 1805, thang này gồm 13 cấp từ 0 đến 12, tương ứng với các mức tốc độ và hiện tượng cụ thể.

Một số cấp phổ biến được trình bày như sau:

Cấp	Tốc độ (m/s)	Miêu tả
0	0 – 0.2	Gió lặng, khói bay thẳng đứng
2	1.6 – 3.3	Lá cây xào xạc, gió cảm nhận được trên mặt da
5	8.0 – 10.7	Cây cối lay mạnh, sóng biển nổi bọt trắng
10	24.5 – 28.4	Gió mạnh cấp bão, gây khó khăn khi đi lại
12	≥ 32.7	Bão lớn, phá hủy nghiêm trọng

Mặc dù là thang định tính, Beaufort vẫn có giá trị lớn trong thực địa, đặc biệt là với ngư dân, nông dân và người làm công việc ngoài trời không có thiết bị đo lường hiện đại.

Phương pháp đo tốc độ gió

Tốc độ gió được đo bằng các thiết bị chuyên dụng gọi là gió kế (anemometer). Mỗi loại gió kế phù hợp với từng môi trường ứng dụng và mức độ chính xác khác nhau. Một số loại gió kế thông dụng gồm:

• Gió kế cốc: cấu tạo gồm 3–4 cốc rỗng gắn vào trục quay, sử dụng phổ biến trong trạm khí tượng tự động
• Gió kế cánh quạt: sử dụng cánh quạt xoay cùng hướng gió, thường dùng trong nghiên cứu khí động học
• Gió kế siêu âm: sử dụng sóng siêu âm để đo thời gian truyền âm giữa các đầu đo theo hướng gió
• LIDAR gió: sử dụng nguyên lý tán xạ Doppler để đo tốc độ gió theo trục laser, phù hợp trong khảo sát năng lượng gió

Để đảm bảo dữ liệu chính xác, cảm biến gió nên được lắp đặt ở độ cao 10 mét trên bề mặt trống trải, tuân theo hướng dẫn của WMO. Ngoài ra, thiết bị cần được hiệu chuẩn định kỳ bởi cơ quan đo lường có thẩm quyền, như NIST.

Tốc độ gió trung bình và gió giật

Tốc độ gió trung bình là đại lượng đo lường vận tốc trung bình của gió trong một khoảng thời gian nhất định, thường là 10 phút theo tiêu chuẩn của WMO. Đây là thông số quan trọng trong dự báo thời tiết và đánh giá an toàn môi trường làm việc, đặc biệt trong các lĩnh vực xây dựng, hàng hải và hàng không.

Gió giật (wind gust) là những đợt gió có cường độ mạnh bất thường, ngắn hạn và xuất hiện đột ngột, thường cao hơn tốc độ gió trung bình khoảng 20–50%. Theo WMO, một cơn gió được coi là gió giật nếu tốc độ tức thời của nó vượt quá 1.5 lần tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian nhất định. Gió giật là yếu tố nguy hiểm thường gây tai nạn trong bay cất/hạ cánh và thi công trên cao.

Vai trò của tốc độ gió trong khí hậu và thời tiết

Tốc độ gió là một trong những biến số chính ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của các hệ thống thời tiết. Gió tham gia vào các quá trình truyền nhiệt, độ ẩm và động lượng trong khí quyển, góp phần duy trì cân bằng năng lượng trái đất. Gió mạnh có thể gây xáo trộn mây, hình thành mưa giông hoặc làm tan mù sương.

Trong khí hậu toàn cầu, tốc độ gió ảnh hưởng đến các đại dương thông qua sự hình thành và duy trì dòng hải lưu bề mặt như dòng Gulf Stream hay Kuroshio. Ngoài ra, hiện tượng ENSO (El Niño – Southern Oscillation) cũng được điều khiển một phần bởi sự biến đổi mô hình gió ở vùng nhiệt đới Thái Bình Dương.

Các mô hình dự báo thời tiết hiện đại như ECMWF hay GFS đều tích hợp tốc độ gió ba chiều để mô phỏng luồng không khí từ mặt đất đến tầng đối lưu. Điều này giúp tăng độ chính xác trong dự đoán bão, mưa lớn, thời tiết cực đoan và biến đổi khí hậu.

Tốc độ gió và năng lượng gió

Tốc độ gió là yếu tố then chốt trong việc xác định tiềm năng sản xuất điện từ tuabin gió. Công suất gió khả dụng (wind power potential) tỉ lệ với lập phương tốc độ gió theo công thức:

$P = \frac{1}{2} \rho A v^3$

Trong đó:

• $P$: công suất gió (W)
• $\rho$: mật độ không khí (kg/m³)
• $A$: diện tích quét của cánh tuabin (m²)
• $v$: tốc độ gió (m/s)

Vì lý do đó, ngay cả sự thay đổi nhỏ về tốc độ gió cũng tạo ra sự thay đổi lớn về sản lượng điện. Các nhà phát triển điện gió thường sử dụng dữ liệu tốc độ gió nhiều năm (20–30 năm) từ bản đồ như Global Wind Atlas để khảo sát vị trí đặt trụ gió tối ưu.

Các địa điểm có tốc độ gió trung bình > 6.5 m/s được coi là lý tưởng cho điện gió thương mại. Ngoài ra, dữ liệu về gió giật cũng quan trọng để thiết kế kết cấu tuabin và cột đỡ nhằm đảm bảo tuổi thọ thiết bị.

Ứng dụng trong hàng không, hàng hải và xây dựng

Trong hàng không, tốc độ gió ảnh hưởng đến vận tốc cất và hạ cánh của máy bay, quỹ đạo bay và tiêu thụ nhiên liệu. Gió ngược giúp rút ngắn quãng đường cất cánh nhưng nếu quá mạnh có thể làm mất ổn định khi hạ cánh. Gió bên (crosswind) vượt ngưỡng giới hạn sẽ buộc phi công phải chuyển hướng hoặc hoãn chuyến.

Trong hàng hải, dữ liệu tốc độ gió là yếu tố đầu vào để điều hướng tàu tránh bão, lập kế hoạch hành trình và dự báo sóng biển. Gió mạnh làm tăng chiều cao sóng và gây nguy hiểm cho tàu nhỏ hoặc khi cập cảng. Các bản tin thời tiết hàng hải do UK Met Office phát hành luôn kèm theo tốc độ gió dự kiến tại từng vùng.

Trong xây dựng, tốc độ gió thiết kế là thông số bắt buộc trong các tiêu chuẩn như Eurocode hoặc TCVN 2737:2021. Tốc độ gió cực trị (50 năm/lần) được dùng để tính tải trọng gió tác động lên kết cấu như tòa nhà cao tầng, cầu treo, trạm điện gió hoặc tháp truyền hình.

Tác động của tốc độ gió đến môi trường và con người

Tốc độ gió cao có thể gây xói mòn đất, phá vỡ kết cấu cây trồng, làm lan truyền ô nhiễm bụi và hóa chất trong không khí. Trong những vùng khô hạn, gió mạnh là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng cát bay và sa mạc hóa.

Với con người, gió mạnh làm tăng tốc độ bay hơi trên da, gây cảm giác lạnh buốt (wind chill). Ở nhiệt độ thấp, tốc độ gió từ 30 km/h trở lên có thể làm giảm nhiệt độ cảm nhận xuống dưới mức đóng băng, tăng nguy cơ hạ thân nhiệt. Gió lớn kéo dài còn ảnh hưởng đến tâm trạng, làm mất ngủ, tăng lo âu hoặc gây rối loạn nhận thức ở người già.

Trong đô thị, tốc độ gió cao tại chân tòa nhà do hiệu ứng ống gió (wind tunnel effect) có thể làm người đi bộ mất thăng bằng, nguy hiểm với người khuyết tật hoặc trẻ nhỏ. Việc thiết kế đô thị hiện đại cần tính đến ảnh hưởng gió đến giao thông, thông gió tự nhiên và vi khí hậu khu dân cư.

Tài liệu tham khảo

1. World Meteorological Organization (WMO) – Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation: library.wmo.int
2. National Institute of Standards and Technology (NIST) – Wind Speed Measurement: nist.gov
3. Global Wind Atlas – DTU Wind Energy & World Bank: globalwindatlas.info
4. UK Met Office – Marine Forecasts: metoffice.gov.uk
5. American Meteorological Society – Glossary of Meteorology: glossary.ametsoc.org