Сдвиг ветра (или сдвиг ветра ), иногда называемый градиентом ветра , представляет собой разницу в скорости и/или направлении ветра на относительно небольшом расстоянии в атмосфере . Сдвиг ветра в атмосфере обычно описывается как вертикальный или горизонтальный сдвиг ветра. Вертикальный сдвиг ветра — это изменение скорости или направления ветра с изменением высоты. Горизонтальный сдвиг ветра – это изменение скорости ветра с изменением бокового положения на заданной высоте. [1]
Сдвиг ветра — это микромасштабное метеорологическое явление, происходящее на очень небольшом расстоянии, но оно может быть связано с погодными особенностями мезомасштабного или синоптического масштаба, такими как линии шквалов и холодные фронты. Обычно наблюдается вблизи микропорывов и нисходящих порывов , вызванных грозами , фронтов, областей локально повышенных ветров на малых высотах, называемых струями низкого уровня, вблизи гор , радиационных инверсий, возникающих из-за ясного неба и штиля ветров, зданий, ветряных турбин, и парусники. Сдвиг ветра оказывает существенное влияние на управление воздушным судном и является единственной или сопутствующей причиной многих авиационных происшествий.
На движение звука в атмосфере влияет сдвиг ветра, который может искривлять фронт волны, в результате чего звуки будут слышны там, где их обычно не было бы. Сильный вертикальный сдвиг ветра в тропосфере также препятствует развитию тропических циклонов , но помогает организовать отдельные грозы в более длительные жизненные циклы, которые затем могут привести к суровой погоде . Концепция теплового ветра объясняет, как различия в скорости ветра на разных высотах зависят от горизонтальных перепадов температур, и объясняет существование реактивного течения . [2]
Сдвиг ветра относится к изменению скорости ветра на горизонтальном или вертикальном расстоянии. Пилоты самолетов обычно считают существенным сдвигом ветра горизонтальное изменение скорости полета на 30 узлов (15 м/с) для легких самолетов и около 45 узлов (23 м/с) для авиалайнеров на высоте полета. [3] Изменения вертикальной скорости более 4,9 узлов (2,5 м/с) также квалифицируются как значительный сдвиг ветра для самолетов. Сдвиг ветра на малых высотах может катастрофическим образом повлиять на скорость полета самолета во время взлета и посадки, поэтому пилотов авиалайнеров обучают избегать микропорывов ветра (потеря встречного ветра превышает 30 узлов [15 м/с]). [4] Обоснование этого дополнительного предостережения включает: [ нужна ссылка ]
Сдвиг ветра также является ключевым фактором в формировании сильных гроз. Дополнительная опасность турбулентности часто связана со сдвигом ветра. [ нужна цитата ]
Погодные ситуации, когда наблюдается сдвиг, включают:
Погодные фронты — это границы между двумя массами воздуха различной плотности или с разными свойствами температуры и влажности, которые обычно представляют собой зоны конвергенции в поле ветра и являются основной причиной сильных погодных явлений. В рамках анализа приземной погоды они изображаются с использованием различных цветных линий и символов. Воздушные массы обычно различаются по температуре , а также могут различаться по влажности . Вблизи этих границ происходит сдвиг ветра по горизонтали. Холодные фронты характеризуются узкими полосами гроз и суровой погодой , им могут предшествовать линии шквалов и засушливые линии . Холодные фронты представляют собой более резкие границы поверхности с более значительным горизонтальным сдвигом ветра, чем теплые фронты. Когда фронт становится стационарным , он может превратиться в линию, разделяющую области с разной скоростью ветра, известную как линия сдвига , хотя направление ветра поперек фронта обычно остается постоянным. В тропиках тропические волны движутся с востока на запад через бассейны Атлантического океана и восточной части Тихого океана . Сдвиг направления и скорости может происходить поперек оси более сильных тропических волн, поскольку северные ветры предшествуют оси волны, а юго-восточные ветры наблюдаются за осью волны. Горизонтальный сдвиг ветра также может возникать вдоль границ местного сухопутного и морского бриза . [10]
Сила ветра на море почти вдвое превышает скорость ветра, наблюдаемую на берегу. Это объясняется различиями в трении между сушей и морскими водами. Иногда наблюдаются даже различия в направлениях, особенно если местные морские бризы меняют ветер на берегу в светлое время суток. [11]
Термальный ветер — метеорологический термин, не относящийся к реальному ветру , а к разнице геострофического ветра между двумя уровнями давления p 1 и p 0 , при этом p 1 < p 0 ; по сути, сдвиг ветра. Он присутствует только в атмосфере с горизонтальными изменениями температуры (или в океане с горизонтальными градиентами плотности ), т. е. бароклинностью . В баротропной атмосфере, где температура однородна, геострофический ветер не зависит от высоты. Название происходит от того, что этот ветер обтекает области низкой (и высокой) температуры так же, как геострофический ветер обтекает области низкого (и высокого ) давления . [12]
Уравнение теплового ветра имеет вид
где φ — поля геопотенциальных высот с φ 1 > φ 0 , f — параметр Кориолиса , а k — направленный вверх единичный вектор в вертикальном направлении . Уравнение теплового ветра не определяет ветер в тропиках . Поскольку f мало или равно нулю, например, вблизи экватора, уравнение сводится к утверждению, что ∇( φ 1 − φ 0 ) мало. [12]
Это уравнение в основном описывает существование реактивного течения, западного течения воздуха с максимальной скоростью ветра, близкой к тропопаузе, которое (хотя и другие факторы также важны) является результатом температурного контраста между экватором и полюсом. [ нужна цитата ]
Тропические циклоны , по сути, представляют собой тепловые двигатели , которые питаются за счет температурного градиента между теплой поверхностью тропического океана и более холодными верхними слоями атмосферы. Для развития тропических циклонов требуются относительно низкие значения вертикального сдвига ветра, чтобы их теплое ядро могло оставаться над центром приземной циркуляции, тем самым способствуя интенсификации. Сильно сдвиговые тропические циклоны ослабевают по мере того, как верхняя циркуляция сдувается от нижнего центра. [ нужна цитата ]
Сильные грозы, которые могут вызвать торнадо и ливни с градом, требуют сдвига ветра, чтобы организовать шторм таким образом, чтобы поддерживать грозу в течение более длительного периода. Это происходит, когда приток шторма отделяется от охлажденного дождем оттока. Усиливающаяся ночная или ночная струя на малых высотах может увеличить потенциал суровых погодных условий за счет увеличения вертикального сдвига ветра в тропосфере. Грозы в атмосфере практически без вертикального сдвига ветра ослабевают, как только рассылают во все стороны границу оттока, которая затем быстро перекрывает ей приток относительно теплого влажного воздуха и заставляет грозу рассеяться. [14]
Атмосферный эффект поверхностного трения с ветрами наверху заставляет приземные ветры замедляться и двигаться назад против часовой стрелки вблизи поверхности Земли , дуя внутрь через изобары (линии равного давления) по сравнению с ветрами в потоке без трения значительно над поверхностью Земли. [15] [ не удалось проверить ] Этот слой, в котором трение замедляет и изменяет ветер, известен как планетарный пограничный слой , иногда слой Экмана , и он самый толстый днем и самый тонкий ночью. Дневное отопление утолщает пограничный слой, поскольку ветры на поверхности все больше смешиваются с ветрами наверху из-за инсоляции или солнечного нагрева. Радиационное охлаждение в ночное время еще больше усиливает развязку между ветрами у поверхности и ветрами над пограничным слоем за счет успокоения приземного ветра, что увеличивает сдвиг ветра. Эти изменения ветра вызывают сдвиг ветра между пограничным слоем и ветром наверху и наиболее выражены ночью. [ нужна цитата ]
При планировании градиенты ветра над поверхностью влияют на фазы взлета и приземления планера . Градиент ветра может оказать заметное влияние на наземные запуски , также известные как запуски с помощью лебедки или запуски по тросу. 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. [16]
При приземлении также представляет опасность сдвиг ветра, особенно при сильном ветре. 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. [17]
Сдвиг 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. [17] [18]
Сдвиг ветра или градиенты ветра представляют угрозу для парашютистов, особенно для бейсджампинга и полетов в вингсьюте . Парашютисты сбились с курса из-за внезапного изменения направления и скорости ветра и столкнулись с мостами, скалами, деревьями, другими парашютистами, землей и другими препятствиями. [ нужна цитата ] Парашютисты регулярно корректируют положение своих открытых куполов, чтобы компенсировать изменения направления при приземлении, чтобы предотвратить несчастные случаи, такие как столкновения куполов и переворот купола. [ нужна цитата ]
Парение, связанное со сдвигом ветра, также называемое динамическим парением , представляет собой технику, используемую парящими птицами , такими как альбатросы , которые могут поддерживать полет без взмахов крыльев. Если сдвиг ветра имеет достаточную величину, птица может подняться по градиенту ветра, меняя путевую скорость на высоту, сохраняя при этом воздушную скорость. [19] Повернув по ветру и нырнув сквозь градиент ветра, они также могут получить энергию. [20] В редких случаях он также использовался пилотами-планеристами .
Сдвиг ветра также может вызвать волну . Это происходит, когда атмосферная инверсия разделяет два слоя с заметной разницей в направлении ветра. Если ветер встретит искажения в инверсионном слое, вызванные термическими потоками, поднимающимися снизу, он создаст значительные поперечные волны, которые можно будет использовать для парения. [21]
Сдвиг ветра может быть чрезвычайно опасен для самолета, особенно во время взлета и посадки. Внезапные изменения скорости ветра могут привести к резкому снижению скорости полета , что приведет к тому, что самолет не сможет поддерживать высоту. Windshear был ответственен за несколько смертельных происшествий, в том числе рейс 66 Eastern Air Lines , рейс 759 Pan Am , рейс 191 Delta Air Lines и рейс 1016 USAir . [ нужна цитата ]
Сдвиг ветра можно обнаружить с помощью доплеровского радара . [22] [23] [24] Аэропорты могут быть оснащены системами оповещения о сдвиге ветра на малых высотах или терминальными доплеровскими метеорологическими радарами , а самолеты могут быть оснащены бортовыми системами обнаружения и оповещения о сдвиге ветра . После крушения рейса 191 компании Delta Air Lines в 1985 году в 1988 году Федеральное управление гражданской авиации США потребовало, чтобы к 1993 году все коммерческие самолеты были оснащены бортовыми системами обнаружения и оповещения о сдвиге ветра. на которые обычно влияет сдвиг ветра, это еще больше помогло пилотам и наземным диспетчерам избежать условий сдвига ветра. [25]
Сдвиг ветра влияет на движущиеся парусники , создавая разную скорость и направление ветра на разной высоте вдоль мачты . Эффект сдвига ветра на малых высотах можно учесть при выборе крутки паруса в конструкции паруса, но это может быть трудно предсказать, поскольку сдвиг ветра может сильно различаться в разных погодных условиях. Моряки также могут регулировать дифферент паруса, чтобы учесть сдвиг ветра на малых высотах, например, используя оттяжку гика . [26]
Сдвиг ветра может оказывать заметное влияние на распространение звука в нижних слоях атмосферы, где волны могут «искривляться» за счет явления рефракции . Слышимость звуков из удаленных источников, таких как гром или выстрелы , очень зависит от величины сдвига. Результат этих различий в уровнях звука является ключевым при рассмотрении шумового загрязнения , например, от шума дорог и шума самолетов , и должен учитываться при проектировании шумозащитных барьеров . [27] Впервые это явление было применено в области изучения шумового загрязнения в 1960-х годах, что способствовало проектированию городских автомагистралей, а также шумовых барьеров . [28]
Скорость звука зависит от температуры. Поскольку температура и скорость звука обычно уменьшаются с увеличением высоты, звук преломляется вверх , в сторону от слушателей на земле, создавая акустическую тень на некотором расстоянии от источника. [29] В 1862 году, во время битвы при Юке во время Гражданской войны в США , акустическая тень, предположительно усиленная северо-восточным ветром, не позволила двум дивизиям солдат Союза участвовать в битве, [30] потому что они не могли слышать звуки. битвы всего в шести милях по ветру. [31]
Ветротехника — это область техники , посвященная анализу воздействия ветра на природную и искусственную среду . Сюда входят сильные ветры, которые могут вызвать дискомфорт, а также экстремальные ветры, такие как торнадо , ураганы и штормы, которые могут вызвать масштабные разрушения. Ветротехника опирается на метеорологию , аэродинамику и несколько специальных инженерных дисциплин. Используемые инструменты включают климатические модели, аэродинамические трубы пограничного слоя атмосферы и численные модели. Помимо прочего, он затрагивает вопрос о том, как в инженерном деле следует учитывать воздействие ветра на здания. [32]
На ветряные турбины влияет сдвиг 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, а это, в свою очередь, влияет на работу турбины. [33] Этот сдвиг ветра на малой высоте может вызвать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти расположены вертикально. [34] Уменьшение сдвига ветра над водой означает, что в мелководных морях можно использовать более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин. [35]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )