Турбулентность ясного неба

Турбулентное движение прозрачных воздушных масс

В метеорологии турбулентность ясного неба ( ТЯН ) — это турбулентное движение воздушных масс при отсутствии каких-либо визуальных ориентиров, таких как облака , и возникает при встрече воздушных масс, движущихся с существенно разными скоростями.

Атмосферная область , наиболее восприимчивая к CAT, — это высокая тропосфера на высоте около 7000–12000  м (23000–39000  футов ), поскольку она встречается с тропопаузой . Здесь CAT чаще всего встречается в областях струйных течений . На более низких высотах он также может возникать вблизи горных хребтов . Тонкие перистые облака также могут указывать на высокую вероятность CAT.

CAT может представлять опасность для комфорта, а иногда и безопасности авиапассажиров ^[1], поскольку пилоты самолетов часто не могут видеть и предвидеть такие турбулентности, а внезапная встреча с ними может привести к значительному напряжению планера самолета .

Ожидается, что CAT в струйном течении станет сильнее и чаще из-за изменения климата ^[2], при этом трансатлантический зимний CAT увеличится на 60% (слабый), 95% (умеренный) и 150% (сильный) к моменту _{удвоения} CO2 . ^[3]

Определение

В метеорологии турбулентность ясного неба (CAT) представляет собой турбулентное движение воздушных масс при отсутствии каких-либо визуальных ориентиров, таких как облака, и возникает, когда встречаются воздушные массы, движущиеся с совершенно разными скоростями. ^[4]

В авиации CAT определяется как «обнаружение самолетом высотных неровностей в полете в неоднородных регионах, лишенных значительной облачности или близлежащей грозовой активности». ^[5] Впервые это было отмечено в 1940-х годах. ^[6]

Обнаружение

Турбулентность ясного неба обычно невозможно обнаружить невооруженным глазом и очень трудно обнаружить обычным радаром , [ ^7] в результате чего пилотам самолетов трудно обнаружить и избежать ее. Однако ее можно обнаружить дистанционно с помощью приборов, которые могут измерять турбулентность с помощью оптических методов, таких как сцинтилляторы , доплеровские лидары или N-щелевые интерферометры . ^[8]

Факторы

На типичных высотах, где это происходит, интенсивность и местоположение не могут быть точно определены. Однако, поскольку эта турбулентность влияет на дальние самолеты, которые летают вблизи тропопаузы, CAT интенсивно изучается. Несколько факторов влияют на вероятность CAT. Часто присутствует более одного фактора.

По состоянию на 1965 год было отмечено, что 64% ​​несветовых турбулентностей (не только CAT) наблюдались на расстоянии менее 150 морских миль (280 км) от ядра струйного течения . Струйное течение создает горизонтальный сдвиг ветра на своих краях, вызванный разницей в относительных скоростях воздуха в потоке и окружающем воздухе. Сдвиг ветра, разница в относительной скорости между двумя соседними воздушными массами, может создавать вихри, и при достаточной степени воздух будет иметь тенденцию двигаться хаотично. ^[9]

Сильный антициклонический вихрь также может привести к CAT. ^[10]

Волны Россби, вызванные сдвигом этого струйного течения, и сила Кориолиса заставляют его извиваться. ^{[ необходимо разъяснение ]}

Хотя высоты около тропопаузы обычно безоблачны, тонкие перистые облака могут образовываться там, где есть резкие изменения скорости воздуха, например, связанные со струйными течениями. Линии перистых облаков, перпендикулярные струйному течению, указывают на возможную CAT, особенно если концы перистых облаков рассеяны, в этом случае направление рассеивания может указывать, сильнее ли CAT слева или справа от струйного течения.

Градиент температуры — это изменение температуры на расстоянии в некотором заданном направлении. Там, где меняется температура газа, меняется и его плотность, а там, где меняется плотность, может появиться CAT.

От земли вверх через тропосферу температура уменьшается с высотой; от тропопаузы вверх через стратосферу температура увеличивается с высотой. Такие изменения являются примерами температурных градиентов.

Может возникнуть горизонтальный градиент температуры, а следовательно, и изменение плотности воздуха , где скорость воздуха меняется. Пример: скорость струйного течения не постоянна по всей его длине; кроме того, температура воздуха и, следовательно, плотность будут различаться между воздухом внутри струйного течения и воздухом снаружи.

Перистые облака часто связаны с турбулентностью в ясном небе.

Как объясняется в другом месте этой статьи, температура уменьшается, а скорость ветра увеличивается с высотой в тропосфере, а в стратосфере происходит обратное. Эти различия вызывают изменения плотности воздуха, а следовательно, и вязкости. Таким образом, вязкость воздуха представляет как инерцию, так и ускорение, которые нельзя определить заранее.

Вертикальный сдвиг ветра над струйным течением (т. е. в стратосфере) острее, когда он движется вверх, потому что скорость ветра уменьшается с высотой в стратосфере. Вот почему CAT может генерироваться над тропопаузой, несмотря на то, что стратосфера в остальном является областью, которая является вертикально стабильной. С другой стороны, вертикальный сдвиг ветра, движущийся вниз в стратосфере, более умеренный (т. е. потому что нисходящий сдвиг ветра в стратосфере фактически движется против того, как изменяется скорость ветра в стратосфере), и CAT никогда не создается в стратосфере. Аналогичные соображения применимы к тропосфере, но в обратном порядке.

Когда сильный ветер отклоняется, изменение направления ветра подразумевает изменение скорости ветра. Поток ветра может менять свое направление из-за разницы давления. CAT появляется чаще, когда ветер окружает область низкого давления, особенно с острыми ложбинами, которые меняют направление ветра более чем на 100°. Экстремальный CAT был зарегистрирован без какого-либо другого фактора, кроме этого.

Поток ветра над горой вызывает колебания (A), (B) и т. д.

Горные волны образуются при выполнении четырех условий. Когда эти факторы совпадают со струйными течениями, может возникнуть CAT:

• Горный хребет, а не изолированная гора
• Сильный перпендикулярный ветер
• Направление ветра сохраняется на высоте
• Температурная инверсия на вершине горного хребта

Тропопауза — это слой, разделяющий два совершенно разных типа воздуха. Под ним воздух становится холоднее, а ветер ускоряется с высотой. Выше него воздух нагревается, а скорость ветра уменьшается с высотой. Эти изменения температуры и скорости могут вызывать колебания высоты тропопаузы, называемые гравитационными волнами .

Воздействие на самолет

Правила пилота

Когда пилот сталкивается с CAT, следует применять ряд правил: ^[11]

• Самолет должен выдерживать рекомендуемую скорость в условиях турбулентности.
• При следовании за струйным течением для выхода из зоны CAT самолет должен изменить высоту и/или направление.
• Когда CAT приближается с одной стороны самолета, пилот должен следить за термометром, чтобы определить, находится ли самолет выше или ниже струйного течения, а затем отойти от тропопаузы.
• Когда CAT связана с острой впадиной, самолет должен пройти через область низкого давления, а не огибать ее.
• Пилот может выдать пилотский отчет (PIREP), сообщающий местоположение, высоту и интенсивность турбулентности, чтобы предупредить другие воздушные суда, входящие в этот регион.

Случаи

Поскольку самолеты движутся так быстро, они могут испытывать внезапные неожиданные ускорения или «толчки» от турбулентности, включая CAT – когда самолет быстро пересекает невидимые тела воздуха, которые движутся вертикально с разными скоростями. Хотя подавляющее большинство случаев турбулентности безвредны, в редких случаях бортпроводники и пассажиры самолетов получали травмы, когда их бросало из стороны в сторону внутри салона самолета во время сильной турбулентности. В небольшом количестве случаев люди погибали, и по крайней мере один самолет развалился в воздухе .

• 5 марта 1966 года рейс 911 авиакомпании BOAC из Токио в Гонконг, Boeing 707, разбился в CAT, с потерей всех людей (124) на борту после того, как он попал в сильную подветренную турбулентность с волнами чуть по ветру от горы Фудзи , Япония . Последовательность отказов началась с того, что вертикальный стабилизатор был сорван. ^{[ необходима цитата ]}
• 28 декабря 1997 года на рейсе 826 авиакомпании United Airlines один человек погиб и 17 получили серьезные травмы в результате аварии. ^[12]
• 21 мая 2024 года один пассажир погиб и десятки получили ранения на рейсе Singapore Airlines 321 из Лондона в Сингапур, в результате чего самолет был вынужден изменить маршрут и отправиться в Бангкок. ^[13]

Смотрите также

• Постоянные порывы ветра
• Модель турбулентности ветра Драйдена
• индекс Эллрода
• N-щелевой интерферометр
• Модель ветровой турбулентности фон Кармана
• Турбулентность в следе

Ссылки

1. Wragg, David W. (1973). Словарь авиации (первое издание). Osprey. стр. 93. ISBN 9780850451634.
2. Уильямс, П. Д. и Джоши, М. М. (2013). «Усиление зимней трансатлантической авиационной турбулентности в ответ на изменение климата», Nature Climate Change , 3(7), стр. 644–648. doi :10.1038/nclimate1866.
3. Уильямс, PD (2017). «Увеличение слабой, умеренной и сильной турбулентности ясного неба в ответ на изменение климата». Advances in Atmospheric Sciences , 34(5), стр. 576–586. doi :10.1007/s00376-017-6268-2.
4. Stull, BR, 1988 Введение в метеорологию пограничного слоя, Kluwert Academic Publishers 666 стр.
5. Чемберс, Э., 1955: Турбулентность ясного неба и эксплуатация гражданских реактивных самолетов. J. Roy. Aeronaut. Soc., 59, 613–628.
6. Baughman, EE, Jr., 1946: Турбулентность с устойчивым градиентом температуры. Bull. Amer. Meteor. Soc., 27, 459–462.
7. Джон Дж. Хикс, Изадор Кац, Клод Р. Ландри и Кеннет Р. Харди, «Турбулентность в ясном небе: одновременные наблюдения радаром и самолетом» Science . 18 августа 1967 г.: том 157. № 3790, стр. 808–809
8. FJ Duarte , TS Taylor, AB Clark и WE Davenport, «Интерферометр с N-щелью: расширенная конфигурация», J. Opt. 12 , 015705 (2010).
9. Биндинг, А.А. «Связь турбулентности ясного неба с контурными узорами 300 мб». The Meteorological Magazine 94 (1965): 11–19.
10. Нокс, Джон А. (1997-06-01). "Возможные механизмы турбулентности ясного неба в сильно антициклонических потоках". Monthly Weather Review . 125 (6): 1251–1259. Bibcode : 1997MWRv..125.1251K. doi : 10.1175/1520-0493(1997)125<1251:PMOCAT>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0493.
11. Ланкфорд, Терри Т. (2001). Управление ошибкой пилота: Погода . Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 49–53. ISBN 978-0-07-137328-9.
12. "Смертельная турбулентность поражает самолет". BBC News .
13. Reals, Tucker (21 мая 2024 г.). «Сильная турбулентность на рейсе Singapore Airlines 321 из Лондона убила двух человек, еще несколько получили ранения, сообщает авиакомпания». CBS News .

Внешние ссылки

• Приготовьтесь к турбулентности
• Прогноз турбулентности при ясном небе (США)
• Sharman, RD; JD Doyle; MA Shapiro (январь 2012 г.). «Исследование столкновения коммерческого самолета с сильной турбулентностью при ясном небе над Западной Гренландией». J. Appl. Meteorol. Climatol . 51 (1): 42–53. Bibcode : 2012JApMC..51...42S. doi : 10.1175/JAMC-D-11-044.1 .
• Уильямс, ПД; М. Джоши (2013). «Усиление турбулентности зимней трансатлантической авиации в ответ на изменение климата». Nature Climate Change . 3 (7): 644–648. Bibcode : 2013NatCC...3..644W. doi : 10.1038/nclimate1866.