В обычном использовании градиент ветра , точнее, градиент скорости ветра [1] или градиент скорости ветра , [2] или, альтернативно, сдвиговый ветер , [3] представляет собой вертикальную составляющую градиента средней горизонтальной скорости ветра в нижних слоях атмосферы . [4] Это скорость увеличения силы ветра с увеличением высоты над уровнем земли. [5] [6] В метрических единицах она часто измеряется в метрах в секунду скорости на километр высоты (м/с/км), что уменьшает обратные миллисекунды (мс -1 ), единицу, также используемую для скорость сдвига .
Поверхностное трение заставляет приземный ветер замедляться и поворачивать вблизи поверхности Земли , дуя прямо в сторону низкого давления, по сравнению с ветрами в потоке почти без трения, значительно выше поверхности Земли. [7] Этот нижний слой, где поверхностное трение замедляет ветер и меняет направление ветра, известен как планетарный пограничный слой . Дневной солнечный нагрев за счет инсоляции утолщает пограничный слой, поскольку воздух, нагретый от контакта с горячей поверхностью Земли, поднимается вверх и все больше смешивается с воздухом выше. Радиационное охлаждение в ночное время постепенно отделяет ветры на поверхности от ветров над пограничным слоем, увеличивая вертикальный сдвиг ветра у поверхности, также известный как градиент ветра.
Обычно из-за аэродинамического сопротивления в ветровом потоке возникает градиент ветра, особенно в первых нескольких сотнях метров над поверхностью Земли — поверхностном слое планетарного пограничного слоя . Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над землей, начиная с нуля [ сомнительно ] [6] из-за условия прилипания . [8] Поток у поверхности сталкивается с препятствиями, которые уменьшают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока. [9] Эта турбулентность вызывает вертикальное перемешивание воздуха, движущегося горизонтально на разных уровнях, что влияет на рассеивание загрязняющих веществ , [1] пыли и переносимых по воздуху частиц песка и почвы . [10]
Уменьшение скорости вблизи поверхности является функцией шероховатости поверхности. Профили скорости ветра весьма различны для разных типов местности. [8] Грубая, неровная почва и искусственные препятствия на земле замедляют движение воздуха у поверхности, снижая скорость ветра. [4] [11] Из-за относительно гладкой поверхности воды скорость ветра не снижается так сильно вблизи моря, как на суше. [12] В городе или на пересеченной местности эффект градиента ветра может привести к снижению скорости геострофического ветра на высоте на 40–50 % ; а над открытой водой или льдом снижение может составлять всего от 20% до 30%. [13] [14]
В инженерных целях градиент ветра моделируется как простой сдвиг , демонстрирующий профиль вертикальной скорости, изменяющийся по степенному закону с постоянным экспоненциальным коэффициентом в зависимости от типа поверхности. Высота над землей, на которой поверхностное трение оказывает незначительное влияние на скорость ветра, называется «высотой градиента», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной, называемой «скоростью градиента ветра». [11] [15] [16] Например, типичные значения прогнозируемой высоты градиента составляют 457 м для крупных городов, 366 м для пригородов, 274 м для открытой местности и 213 м для открытого моря. [17]
Хотя степенная аппроксимация показателя удобна, она не имеет теоретической основы. [18] Когда температурный профиль адиабатический , скорость ветра должна изменяться логарифмически с высотой. [19] Измерения на открытой местности в 1961 году показали хорошее согласие с логарифмическим приближением до высоты 100 м или около того, с почти постоянной средней скоростью ветра на высоте до 1000 м. [20]
Сдвиг ветра обычно трехмерный, [21] то есть также происходит изменение направления между «свободным» геострофическим ветром, вызванным давлением , и ветром вблизи земли. [22] Это связано со спиральным эффектом Экмана. Поперечный изобарный угол отклоняемого агеострофического потока у поверхности колеблется от 10° над открытой водой до 30° над пересеченной холмистой местностью и может увеличиваться до 40°—50° над сушей в ночное время при очень слабой скорости ветра. [14]
После захода солнца градиент ветра у поверхности увеличивается с увеличением устойчивости. [23] Стабильность атмосферы, возникающая ночью при радиационном охлаждении, имеет тенденцию содержать турбулентные вихри по вертикали, увеличивая градиент ветра. [10] На величину градиента ветра в значительной степени влияет высота конвективного пограничного слоя, и этот эффект еще больше над морем, где нет суточного изменения высоты пограничного слоя, как над сушей. [24] В конвективном пограничном слое сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра. [25]
При проектировании зданий необходимо учитывать ветровые нагрузки, на которые влияет градиент ветра. Соответствующие уровни уклона, обычно принимаемые в Строительных нормах, составляют 500 метров для городов, 400 метров для пригородов и 300 метров для ровной открытой местности. [26] В инженерных целях степенной профиль скорости ветра можно определить следующим образом: [11] [15]
На работу ветряной турбины влияет градиент ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разным скоростям ветра на лопастях, ближайших к уровню земли, по сравнению с теми, которые находятся в верхней части хода лопастей, что приводит к асимметричной нагрузке. [27] Градиент ветра может создать большой изгибающий момент на валу двухлопастной турбины, когда лопасти расположены вертикально. [28] Уменьшенный градиент ветра над водой означает, что более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин можно использовать в ветропарках, расположенных в (мелководных) морях. [12] Было бы предпочтительнее, чтобы ветряные турбины испытывались в аэродинамической трубе, имитирующей градиент ветра, который они в конечном итоге увидят, но это делается редко. [29]
Для ветряных турбин полиномиальное изменение скорости ветра с высотой может быть определено относительно ветра, измеренного на контрольной высоте 10 метров, как: [27]
Показатель Хеллмана зависит от расположения побережья , формы местности на земле и стабильности воздуха. Примеры значений показателя Хеллмана приведены в таблице ниже: [30]
При планировании градиент ветра влияет на фазы взлета и посадки планера . Градиент ветра может оказать заметное влияние на наземные запуски . Если градиент ветра значительный или внезапный, или и то, и другое, и пилот сохраняет то же положение по тангажу, указанная воздушная скорость увеличится, возможно, превысив максимальную скорость буксировки наземного запуска. Пилот должен отрегулировать скорость полета, чтобы справиться с эффектом градиента. [31]
При приземлении градиент ветра также представляет опасность, особенно при сильном ветре. [32] Когда планер снижается под градиентом ветра на конечном этапе захода на посадку, воздушная скорость уменьшается, а скорость снижения увеличивается, и времени для ускорения до контакта с землей недостаточно. Пилот должен предвидеть градиент ветра и использовать более высокую скорость захода на посадку, чтобы компенсировать его. [33]
Градиент ветра также представляет опасность для самолетов, совершающих крутые развороты у земли. Это особая проблема для планеров с относительно большим размахом крыльев , что подвергает их большей разнице скоростей ветра при заданном угле крена . Разная скорость полета на каждой законцовке крыла может привести к аэродинамическому срыву одного крыла, что приведет к аварии с потерей управления. [33] [34] Момент крена, создаваемый разным потоком воздуха над каждым крылом, может превышать полномочия управления элеронами , в результате чего планер продолжает крениться под более крутым углом крена. [35]
В парусном спорте градиент ветра влияет на парусные лодки , создавая разную скорость ветра для паруса на разной высоте вдоль мачты . Направление также меняется в зависимости от высоты, но моряки называют это «сдвигом ветра». [36]
Показания приборов на мачте о скорости и направлении вымпельного ветра отличаются от того, что моряк видит и чувствует у поверхности. [37] [38] Парусники могут использовать поворот паруса в конструкции паруса, при котором головка паруса устанавливается под другим углом атаки от основания паруса, чтобы изменить распределение подъемной силы с высотой. Влияние градиента ветра можно учитывать при выборе скручивания конструкции паруса, но это может быть трудно предсказать, поскольку градиент ветра может сильно различаться в разных погодных условиях. [38] Моряки также могут регулировать дифферент паруса с учетом градиента ветра, например, используя оттяжку гика . [38]
По данным одного из источников, [39] градиент ветра не имеет существенного значения для парусников при скорости ветра более 6 узлов (поскольку скорость ветра 10 узлов у поверхности соответствует 15 узлам на высоте 300 метров, поэтому изменение скорости на высоте пренебрежимо мало). высота мачты парусника). Согласно тому же источнику, ветер постоянно усиливается с высотой примерно до 10 метров при скорости ветра 5 узлов, но меньше, если ветер слабее. Этот источник утверждает, что при ветрах со средней скоростью шесть узлов и более изменение скорости с высотой почти полностью ограничивается одним или двумя метрами, ближайшими к поверхности. [40] Это согласуется с другим источником, который показывает, что изменение скорости ветра очень мало на высоте более 2 метров [41] и с заявлением Австралийского правительственного бюро метеорологии [42] , согласно которому различия могут быть как всего 5% в нестабильном воздухе. [43]
В кайтсерфинге градиент ветра еще более важен, поскольку силовой кайт управляется по стропам длиной 20–30 м [44] , и кайтсерфер может использовать кайт, чтобы спрыгнуть с воды, поднимая кайт на еще большую высоту над поверхностью моря. .
Градиент ветра может оказывать заметное влияние на распространение звука в нижних слоях атмосферы. Этот эффект важен для понимания распространения звука от удаленных источников, таких как туманные горны , гром , звуковые удары , выстрелы или другие явления, такие как туманные туманы . Это также важно при изучении шумового загрязнения , например, шума дорог и шума самолетов , и его следует учитывать при проектировании шумозащитных барьеров . [45] Когда скорость ветра увеличивается с высотой, ветер, дующий в сторону слушателя от источника, преломляет звуковые волны вниз, что приводит к увеличению уровня шума с подветренной стороны от барьера. [46] Эти эффекты были впервые количественно оценены в области дорожного строительства для учета различий в эффективности шумозащитных барьеров в 1960-х годах. [47]
Когда солнце нагревает поверхность Земли, в атмосфере возникает отрицательный градиент температуры . Скорость звука уменьшается с понижением температуры, поэтому это также создает отрицательный градиент скорости звука . [48] Фронт звуковой волны движется быстрее вблизи земли, поэтому звук преломляется вверх , в сторону от слушателей на земле, создавая акустическую тень на некотором расстоянии от источника. [49] Радиус кривизны звукового пути обратно пропорционален градиенту скорости. [50]
Градиент скорости ветра 4 (м/с)/км может вызвать рефракцию, равную типичному градиенту температуры 7,5 °C/км. [51] Более высокие значения градиента ветра будут преломлять звук вниз к поверхности в подветренном направлении, [52] устраняя акустическую тень на подветренной стороне. Это повысит слышимость звуков с подветренной стороны. Этот эффект преломления по ветру возникает из-за градиента ветра; звук не разносится ветром. [53]
Обычно наблюдается как градиент ветра, так и градиент температуры. В этом случае эффекты обоих могут суммироваться или вычитаться в зависимости от ситуации и местоположения наблюдателя. [54] Градиент ветра и градиент температуры также могут иметь сложные взаимодействия. Например, туманный горн может быть слышен и в месте рядом с источником, и в отдаленном месте, но не в звуковой тени между ними. [55] В случае поперечного распространения звука градиенты ветра не оказывают заметного влияния на распространение звука по сравнению с безветренными условиями; эффект градиента, по-видимому, важен только в конфигурациях с подветренной и подветренной стороны. [56]
Для распространения звука экспоненциальное изменение скорости ветра с высотой можно определить следующим образом: [46]
Во время битвы при Юке во время Гражданской войны в США в 1862 году акустическая тень , предположительно усиленная северо-восточным ветром, не позволила двум дивизиям солдат Союза участвовать в битве, [57] потому что они не могли слышать звуки боя всего в шести милях. с подветренной стороны. [58]
Ученые поняли влияние градиента ветра на преломление звука с середины 1900-х годов; однако с появлением в США Закона о контроле над шумом это явление преломления стало широко использоваться с начала 1970-х годов, главным образом при рассмотрении распространения шума от автомагистралей и, как следствие, при проектировании транспортных средств. [59]
Парение с градиентом ветра, также называемое динамическим парением , — это метод, используемый парящими птицами , включая альбатросов . Если градиент ветра имеет достаточную величину, птица может подняться по градиенту ветра, меняя путевую скорость на высоту, сохраняя при этом воздушную скорость. [60] Затем, повернувшись по ветру и нырнув сквозь градиент ветра, они также могут получить энергию. [61]
Таким образом, при вертикальном движении мы имеем «градиент скорости ветра», и это имеет тенденцию способствовать смешиванию воздуха на одном уровне с воздухом на уровнях непосредственно над и под ним.
...эффект изменения средней скорости ветра с высотой, градиента скорости ветра...[ постоянная мертвая ссылка ]
... градиент сдвига ветра довольно слабый... прирост энергии... происходит за счет механизма, отличного от эффекта градиента ветра.
Поэтому вертикальный градиент средней скорости ветра (dū/dz) наибольший на гладкой местности и наименьший на неровной поверхности.
градиент ветра = скорость увеличения силы ветра с увеличением единичной высоты над уровнем земли;
Связь между скоростью ветра и высотой называется профилем ветра или градиентом ветра.
Поток у поверхности встречает небольшие препятствия, которые изменяют скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока.
... и градиент ветра, и сам профиль среднего ветра обычно можно диагностически описать с помощью логарифмического профиля ветра.
В толще конвективного пограничного слоя сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра...
Было бы предпочтительнее оценивать ветряные мельницы по градиенту ветра, который они в конечном итоге увидят, но это делается редко.
Причина увеличения заключается в том, что скорость ветра увеличивается с высотой («градиент ветра»).
Градиент ветра считается крутым или выраженным, когда изменение скорости ветра с высотой очень быстрое, и именно в этих условиях необходимо проявлять особую осторожность при взлете или посадке на планере.
Сдвиг ветра — это разница направлений на разной высоте над водой; Градиент ветра — это разница в силе ветра на разной высоте над водой.
Вы не распознаете сдвиг ветра, если угол вымпельного ветра на одном галсе меньше, чем на другом, потому что направление вымпельного ветра представляет собой комбинацию скорости лодки и скорости ветра, а скорость движения может в большей степени определяться водными условиями в одном направлении. а не другой. Это означает, что чем быстрее движется лодка, тем дальше становится вымпельный ветер. Вот почему направление «близкого досягаемости» является самым быстрым направлением плавания – просто потому, что по мере увеличения скорости лодки прямой вымпельный ветер движется все дальше и дальше вперед, не срывая паруса, и скорость вымпельного ветра также увеличивается – поэтому скорость лодки даже увеличивается. дальше. Этот конкретный фактор в полной мере используется при катании на песчаных яхтах, когда песчаная яхта обычно превышает скорость ветра, измеренную неподвижным наблюдателем. Сдвиг ветра, безусловно, ощущается, поскольку скорость ветра у мачты будет выше, чем на уровне палубы. Таким образом, порывы ветра могут легко опрокинуть небольшую парусную лодку, если команда не будет достаточно осторожной.
Скорость и направление ветра обычно измеряются на вершине мачты, поэтому необходимо знать градиент ветра, чтобы определить среднюю скорость ветра, действующую на парус.
Поскольку скорость ветра обычно увеличивается с высотой, ветер, дующий в сторону слушателя от источника, преломляет звуковые волны вниз, что приводит к увеличению уровня шума.
Можно видеть, что эффекты рефракции возникают только потому, что существует градиент ветра, а не из-за того, что звук переносится ветром.
...обычно будет как градиент ветра, так и градиент температуры.