ความละเอียดอ่อนของการเป็นตัวแทน#3: แหล่งก่อความคลาดเคลื่อนของการวัดความเร็วและทิศทางลม
มาสู่ตอนที่ 3 ของหมวดนี้ ที่ห่างหายกันไปนาน จากตอนก่อนหน้านี้ 1 และ2 เราได้เล่าไปถึงความละเอียดอ่อนและแหล่งก่อความคลาดเคลื่อนของการตรวจวัดอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ ตอนนี้เราจะมาดูเรื่องของการตรวจัด “ลม”
ลม เป็นคำเรียกการเคลื่อนที่ของมวลอากาศจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง มีความเร็วและครอบคลุมพื้นที่ที่แตกต่างกัน และได้มีการบัญญัติชื่อเรียกเพื่อให้ง่ายต่อการจดจำและสื่อสารเช่น ลมบก-ลมทะเล ลมภูเขา ลมมรสุม ลมสงบ ลมกรรโชกฯลฯ
การตรวจวัดลมมักนิยมใช้อุปกรณ์ที่ชื่อว่า Anemometer โดยรูปแบบที่คุ้นเคยกันคือ Cup-cone & Vane ที่มีอุปกรณ์วัดความเร็วลมเป็นลักษณะของถ้วยหรือกรวย และตัววัดทิศทางลมที่มีหางเสือสำหรับเกาะทางลม
หลักการพื้นฐานของอุปกรณ์เหล่านี้คือการตรวจจับรอบความเร็วของการหมุน 1 รอบต่อเวลา ซึ่งขึ้นกับรูปแบบของตัวอุปกรณ์ที่ออกแบบมาว่าให้สามารถดักจับลมในถ้วยดักลมได้น้อย-มากที่สุดเท่าใด รวมไปถึงคุณสมบัติของกลไกลูกปืนหรือแบริ่งที่สามารถทนทานต่อการเสื่อมสภาพ ส่วนการวัดทิศทางลมจะใช้หลักการทางไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามาเป็นตัวบ่งชี้ทิศทางที่หัวลูกศรชี้ไปโดยมีหางเสือซึ่งจับทางลม
ช่วงเวลาการเก็บข้อมูล
เรื่องแรกที่ต้องกล่าวถึงก่อนคือ “วัตถุประสงค์” ของการตรวจวัดความเร็วและทิศทางลม เนื่องจากการตรวจวัดลม ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ในทางทฤษฎีเราไม่สามารถหาความเร็วและทิศทางที่แท้จริงได้ เราทำได้เพียงเก็บข้อมูลจากเครื่องมือตรวจวัดที่ให้ค่าการตรวจวัดที่น่าเชื่อถือและสมเหตุสมผลเข้าใกล้ค่าความจริงมากที่สุด
ฉะนั้นความละเอียดอ่อนแรกของการตรวจวัดความเร็วและทิศทางลมคือ ช่วงเวลาการตรวจวัด เนื่องจากอากาศมีพลวัตรเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา การตั้งค่าการเก็บข้อมูลไม่ว่าจะเป็นวิธีจดบันทึกหรือจากอุปกรณ์ดิจิตอลส่งสัญญาณ ก็จำเป็นต้องระบุช่วงเวลาให้สอดคล้องไปตามวัตถุประสงค์และพื้นที่ติดตั้ง
ตัวอย่างเช่น หากต้องการติดตามสภาพอากาศเพื่อการพยากรณ์ในบริเวณกว้าง มีการติดตั้งสถานีบริเวณที่เป็นตัวแทนได้อย่างน้อย 10 กิโลเมตรรอบสถานี ระยะเวลาการเก็บข้อมูลที่ WMO แนะนำอยู่ที่ 10 นาที ซึ่งเป็นการให้ความสำคัญทั้งความเร็วลม และทิศทางลม หรือหากต้องการตรวจวัดสภาพอากาศในพื้นที่เพาะปลูกเป็นพืชไร่ ติดตั้งอยู่กลางพื้นที่ รัศมีการเป็นตัวแทนอยู่ที่ 500 เมตร การเก็บข้อมูลอาจจะอยู่ที่ 30 นาทีถึง 1 ชั่วโมงก็ได้ หรือในกรณีที่ต้องการความละเอียดมากที่สุดเช่นพืชสวน ซึ่งลมที่เปลี่ยนทิศทางในเวลาไม่ถึง 5 วินาทีก็อาจมีผลต่อจำนวนการติดดอกออกผลได้
กล่าวให้ชัดเจนมากยิ่งขึ้นช่วงระยะเวลาการเก็บข้อมูล ไม่ว่าจะเป็นช่วงสั้นไม่กี่วินาทีไปจนถึงทุกๆ 1 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับนัยสำคัญ ความสำคัญ หรือระดับความวิกฤติของตัวงาน จากตัวอย่างข้างต้นในการพยากรณ์จำต้องติดตามทั้งความเร็วและทิศทางทุก10นาที เนื่องจากต้องการแนวโน้ม หากลมยังพัดด้วยความเร็วหนึ่งไปในทิศทางเดิมเสมอจาก10 นาทีแรกจนถึง10 นาทีต่อมา หมายความได้ว่าอากาศส่วนใหญ่ในรัศมีที่ครอบคลุมกำลังเคลื่อนไปในทิศทางนั้น ซึ่งอาจหมายถึงพายุ หรือการก่อตัวก็ได้ ขณะเดียวกันกรณีของพืชไร่ อาจต้องการทราบเพียงว่ามีลมเป็นอย่างไรเท่านั้น
ในทางกลับกันหากไม่มีการระบุเวลาการตรวจวัดที่ชัดเจนหรือไม่ตรงกับตัวงาน จะทำให้ “ได้ข้อมูล”ความเร็วและทิศทางลมเช่นกัน แต่จะมีนัยสำคัญไม่เพียงพอและตีความหมายของข้อมูลได้ยากและอาจนำไปสู่ข้อสรุปที่ผิดพลาดของงานทั้งหมดได้
ดังนั้นจึงควรเริ่มต้นออกแบบระบบตรวจวัดว่าต้องการรับรู้การเปลี่ยนแปลงของลมไปเพื่ออะไร หากทราบแน่ชัดก็จะสามารถระบุเวลาที่ที่มีนัยสำคัญมาเพียงพอต่อการตรวจวัดได้
การแกว่งและการกระแทกของลม
ลองนึกถึงประสบการณ์ถูกลมกรรโชกพัดใส่ หรือพัดกระพือฝุ่นเข้าจมูกสักครั้งในช่วงพายุ คงจะนึกภาพการแทกของลมได้ชัดเจนยิ่งขึ้น อุปกรณ์วัดลมแบบถ้วยและหางเสือก็มีข้อจำกัดในการตรวจวัดเมื่อต้องเผชิญกับการแกว่งขึ้นลง แกว่งไปมา และการกระแทกของลมเช่นกัน
แหล่งก่อความคลาดเคลื่อนเหล่านี้เป็นะรรมชาติของอุปกรณ์ประเภทนี้ที่เราต้องเจอเมื่อใช้งานจริง จึงมีข้อแนะนำ เช่นให้ใช้ค่าการตรวจวัดถัดไปหลังจากเกิดการกระแทกในการทำงานจริงอาจเป็นช่วงเวลาเพียงหนึ่งในร้อยของวินาทีเท่านั้น เพื่อให้ได้ค่าที่เป็นแนวโน้มกลางในชั่วขณะนั้นๆ ซึ่งเข้าใกล้ความจริงมากกว่าข้อมูลการกระแทกของลมในครั้งแรก
สิ่งกำบัง-ตามวัตถุประสงค์
จะขอยกตัวอย่างก่อนเพื่อให้ทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น สิ่งกำบังในที่นี้หมายถึงวัตถุทางกายภาพขนาดใดก็ตามอันมีผลต่อทิศทางและความเร็วลมซึ่งจะถือว่าเป็น แหล่งก่อความคลาดเคลื่อนหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์
ตัวอย่างเช่นหากต้องการประเมินศักยภาพของลมในพื้นที่ช่องเขาเพื่อการผลิตพลังงาน พื้นที่ช่องเขาหรือภูเขาดังกล่าวก็ไม่ถือเป็นแหล่งก่อความคลาดเคลื่อนแต่เป็นสภาพของพื้นที่ที่ก่อให้เกิดลมในลักษณะนั้น กลับกันหากต้องการตรวจวัดเพื่อการพยากรณ์อากาศบริเวณช่องเขา ภูเขาหรือช่องเขานั้นถือเป็นเงื่อนไขที่ทำให้เกิดลมในทิศทางเดียวหรือปั่นป่วยจนไม่สามารถนำข้อมูลทิศทางลมมาใช้เป็นตัวแทนของสภาพอากาศบริเวณกว้างได้
เช่นเดียวกับอีกหลายๆกรณีที่ต้องระบุวัตถุประสงค์และความมีนัยสำคัญของทิศทางลมให้ดี เมื่อแนวทางชัดเจนแล้วจึงจะมาพิจารณาสภาพแวดล้อมของพื้นที่ติดตั้งว่ามีสิ่งใดที่อาจก่อกวนหรือทำให้ค่าการตรวจวัดทิศทางลมไม่เป็นไปตามที่ต้องการ หรือปรับแก้ไม่ได้ก็ให้ถือว่าเป็นเงื่อนไขของพื้นที่ที่มีเปอร์เซ็นต์ก่อความคลาดเคลื่อนของข้อมูลได้
ข้อจำกัดของอุปกรณ์และสภาพแวดล้อม
ส่วนนี้จะขอกล่าวถึงสั้นๆ กล่าวคือ อุปกรณ์ตรวจัดจำต้องเหมาะสมกับตัวงานและสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ที่จะนำไปติดตั้งเพื่อตรวจจับพายุจะต้องมีความทนทานแข็งแรงติดตั้งได้อย่างมั่นคงรับแรงกระแทกของลมได้ หรือการติดตั้งอุปกรณ์ใกล้กับทะเลซึ่งมีเกลือผสมอยู่ในอากาศสูงมีผลต่อโลหะทุกชิ้นโดยเฉพาะลูกปืนหรือแบริ่ง จะต้องทนทานหรือมีลักษณะเฉพาะกับงานนี้
หรือการติดตั้งในพื้นที่ที่มีฝุ่นละอองหนาแน่น อุปกรณ์จะต้องออกแบบมาสำหรับป้องกันฝุ่นละอองเข้าไประบบกวนการหมุนเป็นต้น ข้อพิจารณาเหล่านี้จำต้องได้รับให้ความสำคัญตั้งแต่แรกเนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อ “อายุการใช้งาน” ซึ่งหมายถึงต้นทุนและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา และ “คุณภาพของข้อมูล” ที่ได้รับมา การประเมินศักยภาพและสภาพแวดล้อมไว้ตั้งแต่แรกจะช่วยให้สามารถประเมินได้ว่า ข้อมูลที่เข้ามาจะมีคุณภาพ หรือค่าความควาดเคลื่อนอยู่ที่สถานะใด ยังยอมรับได้หรือไม่เมื่อเวลาผ่านไป หรือจะสร้างรอบเวลาบำรุงรักษาเพื่อรักษาระดับคุณภาพข้อมูลเอาไว้ ฯลฯ
ถึงตรงนี้หวังว่าจะช่วยให้หลายคนที่กำลังมีงานที่ต้องตรวจวัดความเร็วและทิศทางลมได้กระจ่างขึ้นบ้างไม่มากก็น้อย มีข้อคิดเห็นประการใดยผู้เขียนยินดีแลกเปลี่ยนครับ…
