Сдвиг ветра

Сдвиг ветра /ʃɪr/ (или сдвиг ветра ), иногда называемый градиентом ветра , представляет собой разницу в ветра скорости и/или направлении 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 , фронтами, областями локально более высоких и слабых ветров, называемых струями малых высот, 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 одной из причин 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]

Определение
[ редактировать ]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 в себя: [ нужна ссылка ]
- интенсивность микровзрыва может удвоиться за минуту или меньше,
- ветер может перейти в сильный боковой ветер,
- 40–50 узлов (21–26 м/с) – порог живучести на некоторых этапах маловысотных операций, а
- В нескольких исторических авариях, связанных со сдвигом ветра, произошли микропорывы со скоростью 35–45 узлов (18–23 м/с).
Сдвиг ветра также является ключевым фактором в формировании сильных гроз. Дополнительная опасность турбулентности часто связана со сдвигом ветра. [ нужна ссылка ]
возникновение
[ редактировать ]Погодные ситуации, когда наблюдается сдвиг, включают:
- Погодные фронты . Значительный сдвиг наблюдается, когда разница температур поперек фронта составляет 5 °C (9 °F) или более, а фронт движется со скоростью 30 узлов (15 м/с) или быстрее. Поскольку фронты являются трехмерными явлениями, фронтальный сдвиг можно наблюдать на любой высоте между поверхностью и тропопаузой , и, следовательно, его можно наблюдать как по горизонтали, так и по вертикали. Вертикальный сдвиг ветра над теплыми фронтами представляет большую проблему для авиации, чем вблизи и за холодными фронтами, из-за их большей продолжительности. [2]
- Реактивные течения верхнего уровня. С струйными течениями на верхних уровнях связано явление, известное как турбулентность ясного воздуха (CAT), вызванное вертикальным и горизонтальным сдвигом ветра, связанным с градиентом ветра на краю струйных течений. [5] CAT наиболее силен на стороне антициклонического сдвига струи, [6] обычно рядом или чуть ниже оси струи. [7]
- Струйные течения низкого уровня. Когда ночная струя на низком уровне формируется в течение ночи над поверхностью Земли перед холодным фронтом, вблизи нижней части струи на малом уровне может развиться значительный вертикальный сдвиг ветра на малом уровне. Это также известно как неконвективный сдвиг ветра, поскольку он не вызван близлежащими грозами. [2]
- Горы. [8]
- Инверсии . Когда в ясную и спокойную ночь у земли образуется радиационная инверсия, трение не влияет на ветер над вершиной инверсионного слоя. Изменение направления ветра может составлять 90 градусов, а скорость - 40 узлов (21 м/с). Иногда можно наблюдать даже ночную (ночную) струю на малых высотах. Обычно он наиболее силен ближе к восходу солнца. Различия в плотности создают дополнительные проблемы для авиации. [2]
- Нисходящие порывы . Когда граница оттока формируется из-за неглубокого слоя охлажденного дождем воздуха, распространяющегося вблизи уровня земли от родительской грозы, на переднем крае трехмерной границы может возникнуть как скорость, так и направленный сдвиг ветра. Чем прочнее граница оттока , тем сильнее станет результирующий вертикальный сдвиг ветра. [9]
Горизонтальный компонент
[ редактировать ]Погодные фронты
[ редактировать ]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 океана . тропические волны движутся с востока на запад через Атлантического океана и восточной части бассейны Тихого 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 может также возникать вместе с местным наземным бризом и границы морского бриза . [10]
Рядом с береговой линией
[ редактировать ]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]
Вертикальная составляющая
[ редактировать ]Термальный ветер
[ редактировать ]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 вблизи тропопаузы , которое (хотя и другие факторы также важны) является результатом температурного контраста между экватором и полюсом. [ нужна ссылка ]
Воздействие на тропические циклоны
[ редактировать ]
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 ссылка ]
Влияние на грозы и суровую погоду
[ редактировать ]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]
Планетарный пограничный слой
[ редактировать ]
Атмосферный эффект поверхностного трения с ветрами наверху заставляет приземные ветры замедляться и поворачивать вспять 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 пройти проверку ] Этот слой, в котором трение замедляется 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 ссылка ]
Влияние на полет
[ редактировать ]Скольжение
[ редактировать ]При планировании градиенты ветра чуть выше поверхности влияют на фазы взлета и приземления полета 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]
Парашютный спорт
[ редактировать ]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 ссылка ] Парашютисты обычно корректируют положение своих открытых куполов, чтобы компенсировать изменения направления при приземлении, чтобы предотвратить несчастные случаи, такие как столкновения куполов и переворот купола. [ нужна ссылка ]
Парящий
[ редактировать ]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] Затем, повернувшись по ветру и ныряя сквозь градиент ветра, они также могут получить энергию. [20] его также использовали пилоты планеров В редких случаях .
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 использовать для парения. [21]
Влияние на пассажирские самолеты
[ редактировать ]

Сдвиг ветра может быть чрезвычайно опасен для самолета, особенно во время взлета и посадки. Внезапные изменения скорости ветра могут вызвать резкое снижение 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 ссылка ]
Сдвиг ветра можно обнаружить с помощью доплеровского радара . [22] [23] 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. [24]
Парусный спорт
[ редактировать ]Сдвиг ветра влияет на парусники движущиеся , создавая разную скорость и направление ветра на разной высоте вдоль мачты . Эффект сдвига ветра на малых высотах можно учитывать 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 . [25]
Распространение звука
[ редактировать ]Сдвиг ветра может оказывать заметное влияние на распространение звука в нижних слоях атмосферы, где волны могут «искривляться» за счет преломления явления . 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 . [26] Это явление было впервые применено в области изучения шумового загрязнения в 1960-х годах, что способствовало проектированию городских автомагистралей, а также шумовых барьеров . [27]
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. [28] В 1862 году, во время во время Гражданской войны в США битвы при Юке , акустическая тень, предположительно усиленная северо-восточным ветром, не позволила двум дивизиям солдат Союза участвовать в битве. [29] потому что они не могли слышать звуки боя всего в шести милях по ветру. [30]
Влияние на архитектуру
[ редактировать ]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. [31]
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. [32] Этот сдвиг ветра на малой высоте может вызвать большой изгибающий момент на валу двухлопастной турбины, когда лопасти расположены вертикально. [33] Уменьшение сдвига ветра над водой означает, что в мелководных морях можно использовать более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин. [34]
См. также
[ редактировать ]- Авиационная безопасность
- Система оповещения о сдвиге ветра на малой высоте
- Парусный спорт
- Кучево-дождевые облака и авиация
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Вертикальный сдвиг ветра. Получено 24 октября 2015 г.» .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Сдвиг ветра на малых высотах» . Интегрированное издательство . Проверено 25 ноября 2007 г.
- ^ FAA Консультативный циркуляр FAA для пилотов. Руководство по сдвигу ветра. Архивировано 14 октября 2006 г. на Wayback Machine . Проверено 15 декабря 2007 г.
- ^ «Сдвиг ветра» . НАСА. Архивировано из оригинала 9 октября 2007 г. Проверено 9 октября 2007 г.
- ^ «Jet Streams в Великобритании» . Би-би-си. Архивировано из оригинала 18 января 2008 года . Проверено 8 мая 2008 г.
- ^ Нокс, Джон А. (1997). «Возможные механизмы турбулентности ясного неба в сильно антициклонических потоках» . Ежемесячный обзор погоды . 125 (6): 1251–1259. Бибкод : 1997MWRv..125.1251K . doi : 10.1175/1520-0493(1997)125<1251:PMOCAT>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0493 .
- ^ Кларк, Терри Л.; Холл, Уильям Д.; Керр, Роберт М.; Миддлтон, Дон; Радке, Ларри; Ральф, Ф. Мартин; Нейман, Пол Дж.; Левинсон, Дэвид (01 апреля 2000 г.). «Причины турбулентности ясного неба, повреждающей самолеты, во время урагана на склоне Колорадо 9 декабря 1992 года: численное моделирование и сравнение с наблюдениями» . Журнал атмосферных наук . 57 (8): 1105–1131. Бибкод : 2000JAtS...57.1105C . doi : 10.1175/1520-0469(2000)057<1105:OOADCA>2.0.CO;2 . ISSN 0022-4928 .
- ^ Национальный центр атмосферных исследований. T-REX: Ловля волн и роторов Сьерры. Архивировано 21 ноября 2006 г. на Wayback Machine. Проверено 21 октября 2006 г.
- ^ Фудзита, Тецуя Теодор (1985). « Нисходящий порыв, микропорыв и макропорыв», Фудзита, Т. Теодор, исследовательский документ SMRP № 210, 1985 г. swco-ir.tdl.org . Проверено 30 октября 2023 г.
- ^ Дэвид М. Рот. Центр гидрометеорологических прогнозов. Руководство по единому анализу поверхности. Проверено 22 октября 2006 г.
- ^ Франклин Б. Швинг и Джексон О. Блэнтон. Использование данных о ветре на суше и на море в простой модели циркуляции. Проверено 3 октября 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джеймс Р. Холтон (2004). Введение в динамическую метеорологию. ISBN 0-12-354015-1
- ^ Макилвин, Дж. (1992). Основы погоды и климата . Лондон: Чепмен и Холл. стр. 339 . ISBN 0-412-41160-1 .
- ^ Университет Иллинойса. Вертикальный сдвиг ветра Получено 21 октября 2006 г.
- ^ «Глоссарий метеорологии AMS, слой Экмана» . Американская метеорологическая ассоциация . Проверено 15 февраля 2015 г.
- ^ Справочник по полетам на планере . Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации США. 2003. стр. 7–16. ФАА-8083-13_GFH.
- ^ Перейти обратно: а б Пигготт, Дерек (1997). Планирование: Справочник по парящему полету . Кнауф и Гроув. стр. 85–86, 130–132. ISBN 978-0-9605676-4-5 .
- ^ Кнауф, Томас (1984). Основы планера от первого полета до одиночного . Томас Кнауф. ISBN 0-9605676-3-1 .
- ^ Александр, Р. (2002). Принципы передвижения животных . Принстон: Издательство Принстонского университета. п. 206. ИСБН 0-691-08678-8 .
- ^ Алерстам, Томас (1990). Миграция птиц . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 275. ИСБН 0-521-44822-0 .
- ^ Экки, Бернард (2007). Продвинутое парение стало проще . Экип Вербунг и Верлаг ГмбХ. ISBN 978-3-9808838-2-5 .
- ^ Бортовые системы обнаружения и предупреждения о сдвиге ветра . Публикация конференции НАСА 10050, часть 1. Июль 1990 г. с. 214 . Проверено 20 ноября 2022 г.
- ^ Учебное пособие по сдвигу ветра: 4.0 — Данные, подтверждающие сдвиг ветра . Федеральное управление гражданской авиации. Февраль 1987 г. с. 4.2–95 . Проверено 20 ноября 2022 г.
- ^ «Информация о доплеровском метеорологическом радаре терминала» . Национальная метеорологическая служба . Проверено 4 августа 2009 г.
- ^ Гарретт, Росс (1996). Симметрия парусного спорта . Доббс Ферри: Дом Шеридана. стр. 97–99 . ISBN 1-57409-000-3 .
- ^ Фосс, Рене Н. (июнь 1978 г.). «Взаимодействие сдвига ветра в плоскости земли на передачу звука» . ВА-РД 033.1. Департамент транспорта штата Вашингтон . Проверено 30 мая 2007 г.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Хоган, К. Майкл (1973). «Анализ дорожного шума». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 2 (3): 387–392. Бибкод : 1973WASP....2..387H . дои : 10.1007/BF00159677 . ISSN 0049-6979 . S2CID 109914430 .
- ^ Эверест, Ф. (2001). Главный справочник по акустике . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 262–263. ISBN 0-07-136097-2 .
- ^ Корнуолл, сэр (1996). Грант в качестве военного командующего . Barnes & Noble Inc., с. 92. ИСБН 1-56619-913-1 .
- ^ Коззенс, Питер (2006). Самые темные дни войны: битвы при Юке и Коринфе . Чапел-Хилл: Издательство Университета Северной Каролины. ISBN 0-8078-5783-1 .
- ^ Профессор Джон Твиделл. Ветротехника. Архивировано 25 октября 2007 г. на Wayback Machine . Проверено 25 ноября 2007 г.
- ^ Хейер, Зигфрид (2005). Сетевая интеграция систем преобразования энергии ветра . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ИСБН 0-470-86899-6 .
- ^ Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN 0-471-49456-9 .
- ^ Любосный, Збигнев (2003). Работа ветровых турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Шпрингер. п. 17. ISBN 3-540-40340-Х .