uskok wiatru -Wind shear
Uskok wiatru (lub uskok wiatru ), czasami określany jako gradient wiatru , to różnica w prędkości i / lub kierunku wiatru na stosunkowo niewielkiej odległości w atmosferze . Uskok wiatru atmosferycznego jest zwykle opisywany jako pionowy lub poziomy uskok wiatru. Pionowy uskok wiatru to zmiana prędkości lub kierunku wiatru wraz ze zmianą wysokości. Poziomy uskok wiatru to zmiana prędkości wiatru wraz ze zmianą położenia bocznego dla danej wysokości.
Uskok wiatru jest zjawiskiem meteorologicznym w mikroskali występującym na bardzo małej odległości, ale może być powiązany z mezoskalowymi lub synoptycznymi cechami pogodowymi, takimi jak linie szkwałów i zimne fronty. Powszechnie obserwuje się go w pobliżu mikroburzy i burz spowodowanych burzami , frontami atmosferycznymi, obszarami lokalnie wyższych wiatrów o niskim poziomie, zwanych niskopoziomowymi dżetami, w pobliżu gór , inwersji promieniowania, które występują z powodu czystego nieba i spokojnych wiatrów, budynków, turbin wiatrowych, i żaglówki. Uskok wiatru ma znaczący wpływ na sterowanie statkiem powietrznym i był jedyną lub współprzyczynową przyczyną wielu wypadków lotniczych.
Na ruch dźwięku w atmosferze ma wpływ uskok wiatru, który może zakrzywić czoło fali, powodując, że dźwięki będą słyszalne tam, gdzie normalnie by ich nie było, lub odwrotnie. Silne pionowe uskoki wiatru w troposferze również hamują rozwój cyklonów tropikalnych , ale pomagają organizować pojedyncze burze w dłuższe cykle życia, które następnie mogą powodować trudne warunki pogodowe . Koncepcja wiatru termicznego wyjaśnia, w jaki sposób różnice w prędkości wiatru na różnych wysokościach zależą od poziomych różnic temperatur i wyjaśnia istnienie strumienia strumieniowego .
Definicja
Uskok wiatru odnosi się do zmian prędkości wiatru na odległościach poziomych lub pionowych. Piloci samolotów ogólnie uważają, że znaczny uskok wiatru to pozioma zmiana prędkości lotu o 30 węzłów (15 m/s) dla lekkich samolotów i blisko 45 węzłów (23 m/s) dla samolotów pasażerskich na wysokości lotu. Pionowe zmiany prędkości większe niż 4,9 węzła (2,5 m/s) również kwalifikują się jako znaczące uskoki wiatru dla samolotów. Uskok wiatru na niskim poziomie może wpływać na prędkość samolotu podczas startu i lądowania w katastrofalny sposób, a piloci samolotów pasażerskich są szkoleni, aby unikać wszelkich uskoków wiatru w postaci mikroporów (utrata wiatru czołowego przekraczająca 30 węzłów [15 m/s]). Uzasadnienie tej dodatkowej ostrożności obejmuje:
- intensywność mikroburst może podwoić się w ciągu minuty lub mniej,
- wiatry mogą zmienić się w nadmierne wiatry boczne,
- 40–50 węzłów (21–26 m / s) to próg przeżywalności na niektórych etapach operacji na małych wysokościach oraz
- kilka historycznych wypadków związanych z uskokiem wiatru obejmowało mikroburty o prędkości 35–45 węzłów (18–23 m / s).
Uskok wiatru jest również kluczowym czynnikiem powstawania silnych burz. Dodatkowe zagrożenie turbulencją jest często związane z uskokiem wiatru.
Występowanie
Sytuacje pogodowe, w których obserwuje się ścinanie, obejmują:
- Fronty pogodowe . Znaczące ścinanie obserwuje się, gdy różnica temperatur z przodu wynosi 5 ° C (9 ° F) lub więcej, a przód porusza się z prędkością 30 węzłów (15 m / s) lub większą. Ponieważ fronty są zjawiskami trójwymiarowymi, ścinanie czołowe można zaobserwować na dowolnej wysokości między powierzchnią a tropopauzą , a zatem można je zobaczyć zarówno w poziomie, jak iw pionie. Pionowe uskoki wiatru nad ciepłymi frontami są większym problemem lotniczym niż w pobliżu i za zimnymi frontami ze względu na ich dłuższy czas trwania.
- Prądy strumieniowe wyższego poziomu. Z prądami strumieniowymi górnego poziomu związane jest zjawisko znane jako turbulencja czystego powietrza (CAT), spowodowane przez pionowe i poziome uskoki wiatru połączone z gradientem wiatru na krawędzi strumieni strumieniowych. CAT jest najsilniejszy po antycyklonicznej stronie strumienia, zwykle obok lub tuż pod osią strumienia.
- Prądy strumieniowe o niskim poziomie. Kiedy nocny dżet niskiego poziomu tworzy się przez noc nad powierzchnią Ziemi przed zimnym frontem, w pobliżu dolnej części dżetu niskiego poziomu może rozwinąć się znaczny pionowy uskok wiatru. Jest to również znane jako niekonwekcyjne uskoki wiatru, ponieważ nie jest spowodowane pobliskimi burzami.
- Góry.
- Inwersje . Kiedy w bezchmurną i spokojną noc przy ziemi tworzy się inwersja promieniowania, tarcie nie wpływa na wiatr powyżej wierzchołka warstwy inwersji. Zmiana kierunku wiatru może wynieść 90 stopni i prędkość 40 węzłów (21 m/s). Czasami można zaobserwować nawet nocny (nocny) niski strumień. Jest najsilniejszy w kierunku wschodu słońca. Różnice gęstości powodują dodatkowe problemy w lotnictwie.
- upadki . Kiedy granica odpływu tworzy się z powodu płytkiej warstwy schłodzonego deszczem powietrza rozprzestrzeniającego się blisko poziomu gruntu z macierzystej burzy, zarówno prędkość, jak i kierunkowy uskok wiatru mogą wystąpić na czołowej krawędzi trójwymiarowej granicy. Im silniejsza granica odpływu , tym silniejszy będzie wynikowy pionowy uskok wiatru.
Element poziomy
Fronty pogodowe
Fronty pogodowe to granice między dwiema masami powietrza o różnych gęstościach lub różnych właściwościach temperatury i wilgotności, które zwykle są strefami konwergencji w polu wiatru i są główną przyczyną znaczącej pogody. W analizach pogody na powierzchni są one przedstawiane za pomocą różnych kolorowych linii i symboli. Masy powietrza zwykle różnią się temperaturą , mogą też różnić się wilgotnością . W pobliżu tych granic występuje uskok wiatru w poziomie. Zimne fronty charakteryzują się wąskimi pasmami burz i trudnych warunków pogodowych i mogą być poprzedzone liniami szkwałów i suchych linii . Zimne fronty są ostrzejszymi granicami powierzchni z bardziej znaczącym poziomym uskokiem wiatru niż ciepłe fronty. Kiedy front staje się nieruchomy , może przekształcić się w linię oddzielającą obszary o różnej prędkości wiatru, znaną jako linia ścinania , chociaż kierunek wiatru w poprzek frontu zwykle pozostaje stały. W tropikach fale tropikalne przemieszczają się ze wschodu na zachód przez baseny Atlantyku i wschodniego Pacyfiku . Ścinanie kierunkowe i prędkościowe może wystąpić w poprzek osi silniejszych fal tropikalnych, ponieważ wiatry północne poprzedzają oś fali, a wiatry południowo-wschodnie są widoczne za osią fali. Poziomy uskok wiatru może również wystąpić wzdłuż lokalnych granic bryzy lądowej i morskiej .
W pobliżu wybrzeży
Siła wiatru na morzu jest prawie dwukrotnie większa niż prędkość wiatru obserwowana na lądzie. Przypisuje się to różnicom tarcia między masami lądowymi a wodami przybrzeżnymi. Czasami występują nawet różnice kierunkowe, zwłaszcza jeśli lokalne bryzy morskie zmieniają wiatr na lądzie w ciągu dnia.
Składnik pionowy
Wiatr termiczny
Wiatr termiczny to termin meteorologiczny, który nie odnosi się do rzeczywistego wiatru , ale do różnicy w wietrze geostroficznym między dwoma poziomami ciśnienia p 1 i p 0 , przy czym p 1 < p 0 ; w istocie uskok wiatru. Występuje tylko w atmosferze z poziomymi zmianami temperatury (lub w oceanie z poziomymi gradientami gęstości ), czyli baroklinowością . W atmosferze barotropowej , gdzie temperatura jest stała, wiatr geostroficzny jest niezależny od wysokości. Nazwa wynika z faktu, że wiatr ten opływa obszary o niskiej (i wysokiej) temperaturze w taki sam sposób, jak wiatr geostroficzny opływa obszary o niskim (i wysokim ) ciśnieniu .
Równanie wiatru termicznego jest
gdzie φ to pola wysokości geopotencjału z φ 1 > φ 0 , f to parametr Coriolisa , a k to skierowany w górę wektor jednostkowy w kierunku pionowym . Równanie wiatru termicznego nie określa wiatru w tropikach . Ponieważ f jest małe lub zerowe, na przykład w pobliżu równika, równanie sprowadza się do stwierdzenia, że ∇( φ 1 − φ 0 ) jest małe.
To równanie w zasadzie opisuje istnienie prądu strumieniowego, zachodniego prądu powietrza o maksymalnej prędkości wiatru zbliżonej do tropopauzy, która jest (chociaż inne czynniki są również ważne) wynikiem kontrastu temperatur między równikiem a biegunem.
Wpływ na cyklony tropikalne
Cyklony tropikalne to w istocie silniki cieplne napędzane gradientem temperatury między ciepłą tropikalną powierzchnią oceanu a zimniejszą górną atmosferą. Rozwój cyklonów tropikalnych wymaga stosunkowo niskich wartości pionowego uskoku wiatru, aby ich ciepły rdzeń mógł pozostać powyżej centrum cyrkulacji powierzchniowej, sprzyjając w ten sposób intensyfikacji. Pionowe uskoki wiatru rozrywają „maszynę” silnika cieplnego, powodując jego awarię. Silnie ścinane cyklony tropikalne słabną, gdy górny obieg jest wydmuchiwany z centrum niskiego poziomu.
Wpływ na burze i surową pogodę
Silne burze, które mogą powodować tornada i burze gradowe, wymagają uskoku wiatru, aby zorganizować burzę w taki sposób, aby utrzymać burzę przez dłuższy czas. Dzieje się tak, gdy napływ burzy zostaje oddzielony od jej odpływu ochłodzonego deszczem. Rosnący nocny lub nocny strumień niskiego poziomu może zwiększyć potencjał trudnych warunków pogodowych poprzez zwiększenie pionowego uskoku wiatru w troposferze. Burze w atmosferze praktycznie bez pionowych uskoków wiatru słabną, gdy tylko wysyłają granicę odpływu we wszystkich kierunkach, która następnie szybko odcina dopływ stosunkowo ciepłego, wilgotnego powietrza i powoduje rozproszenie burzy.
Planetarna warstwa graniczna
Atmosferyczny efekt tarcia powierzchni z wiatrami w górze powoduje, że wiatry powierzchniowe zwalniają i cofają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w pobliżu powierzchni Ziemi, wiejąc do wewnątrz przez izobary (linie równego ciśnienia) w porównaniu z wiatrami przepływającymi bez tarcia znacznie nad powierzchnią Ziemi. Ta warstwa, w której tarcie spowalnia i zmienia wiatr, jest znana jako planetarna warstwa graniczna , czasami warstwa Ekmana , i jest najgrubsza w ciągu dnia i najcieńsza w nocy. Ogrzewanie w ciągu dnia pogrubia warstwę graniczną, ponieważ wiatry na powierzchni coraz bardziej mieszają się z wiatrami w górze z powodu nasłonecznienia lub ogrzewania słonecznego. Chłodzenie radiacyjne w ciągu nocy dodatkowo zwiększa oddzielenie wiatrów na powierzchni od wiatrów powyżej warstwy granicznej poprzez uspokojenie wiatru powierzchniowego, który zwiększa uskok wiatru. Te zmiany wiatru wymuszają uskoki wiatru między warstwą graniczną a wiatrem w górze i są najbardziej widoczne w nocy.
Wpływ na lot
Szybownictwo
Podczas szybowania gradienty wiatru tuż nad powierzchnią wpływają na fazy startu i lądowania szybowca . Gradient wiatru może mieć zauważalny wpływ na starty z ziemi , znane również jako starty za wyciągarką lub starty linowe. Jeśli gradient wiatru jest znaczny lub nagły, lub jedno i drugie, a pilot utrzymuje to samo nachylenie, wskazywana prędkość lotu wzrośnie, prawdopodobnie przekraczając maksymalną prędkość holowania startu naziemnego. Pilot musi dostosować prędkość lotu, aby poradzić sobie ze skutkiem nachylenia.
Podczas lądowania uskok wiatru jest również zagrożeniem, szczególnie przy silnym wietrze. Gdy szybowiec opada przez gradient wiatru podczas końcowego podejścia do lądowania, prędkość spada, a prędkość opadania wzrasta, a czasu na przyspieszenie przed zetknięciem z ziemią jest za mało. Pilot musi przewidzieć gradient wiatru i zastosować wyższą prędkość podejścia, aby to skompensować.
Uskok wiatru jest również zagrożeniem dla samolotów wykonujących strome zakręty blisko ziemi. Jest to szczególny problem dla szybowców, które mają stosunkowo dużą rozpiętość skrzydeł , co naraża je na większą różnicę prędkości wiatru dla danego kąta przechylenia . Różna prędkość powietrza doświadczana przez każdą końcówkę skrzydła może spowodować przeciągnięcie aerodynamiczne na jednym skrzydle, powodując wypadek z utratą kontroli.
Spadochroniarstwo
Uskok wiatru lub gradienty wiatru są zagrożeniem dla spadochroniarzy, szczególnie dla BASE jumpingu i latania w kombinezonach . Spadochroniarze zostali zepchnięci z kursu przez nagłe zmiany kierunku i prędkości wiatru i zderzyli się z mostami, zboczami klifów, drzewami, innymi skoczkami, ziemią i innymi przeszkodami. Spadochroniarze rutynowo dokonują regulacji pozycji swoich otwartych czaszy, aby skompensować zmiany kierunku podczas lądowania, aby zapobiec wypadkom, takim jak zderzenia czaszy i odwrócenie czaszy.
Strzelisty
Szybowanie związane z uskokiem wiatru, zwane także szybowaniem dynamicznym , to technika stosowana przez ptaki szybujące , takie jak albatrosy , które mogą utrzymać lot bez trzepotania skrzydłami. Jeśli uskok wiatru jest wystarczająco silny, ptak może wspiąć się na gradient wiatru, zamieniając prędkość względem ziemi na wysokość, utrzymując jednocześnie prędkość lotu. Skręcając z wiatrem i nurkując przez gradient wiatru, mogą również zyskać energię. W rzadkich przypadkach był również używany przez pilotów szybowcowych .
Uskok wiatru może również wytworzyć falę . Dzieje się tak, gdy inwersja atmosferyczna oddziela dwie warstwy z wyraźną różnicą w kierunku wiatru. Jeśli wiatr napotka zniekształcenia warstwy inwersyjnej spowodowane przez termikę nadchodzącą od dołu, wytworzy znaczne fale ścinające, które można wykorzystać do szybowania.
Wpływ na samoloty pasażerskie
Uskok wiatru może być niezwykle niebezpieczny dla samolotów, zwłaszcza podczas startu i lądowania. Nagłe zmiany prędkości wiatru mogą powodować gwałtowne spadki prędkości , co prowadzi do tego, że samolot nie jest w stanie utrzymać wysokości. Windshear był odpowiedzialny za kilka śmiertelnych wypadków, w tym Eastern Air Lines Flight 66 , Pan Am Flight 759 , Delta Air Lines Flight 191 i USAir Flight 1016 .
Uskok wiatru można wykryć za pomocą radaru dopplerowskiego. Lotniska mogą być wyposażone w systemy ostrzegania o uskoku wiatru na niskim poziomie lub radar pogodowy Terminal Doppler , a samoloty mogą być wyposażone w pokładowe systemy wykrywania i ostrzegania o uskoku wiatru . Po katastrofie samolotu Delta Air Lines Flight 191 w 1985 r., w 1988 r. Federalna Administracja Lotnictwa USA nakazała, aby do 1993 r. wszystkie samoloty komercyjne były wyposażone w systemy wykrywania i ostrzegania o uskoku wiatru. na które często ma wpływ uskok wiatru, dodatkowo zwiększył zdolność pilotów i kontrolerów naziemnych do unikania warunków uskoku wiatru.
Żeglarstwo
Uskok wiatru wpływa na poruszające się łodzie żaglowe , prezentując różną prędkość i kierunek wiatru na różnych wysokościach wzdłuż masztu . Wpływ uskoku wiatru na niskim poziomie można uwzględnić przy wyborze skrętu żagla w projekcie żagla, ale może to być trudne do przewidzenia, ponieważ uskok wiatru może się znacznie różnić w różnych warunkach pogodowych. Żeglarze mogą również dostosować trym żagla, aby uwzględnić uskok wiatru na niskim poziomie, na przykład za pomocą bomu .
Rozchodzenie się dźwięku
Uskok wiatru może mieć wyraźny wpływ na propagację dźwięku w niższych warstwach atmosfery, gdzie fale mogą być „wyginane” przez zjawisko załamania . Słyszalność dźwięków z odległych źródeł, takich jak grzmot czy wystrzał , jest bardzo zależna od wielkości ścinania. Wynik tych różnych poziomów dźwięku ma kluczowe znaczenie w rozważaniach dotyczących zanieczyszczenia hałasem , na przykład hałasem drogowym i lotniczym , i musi być brany pod uwagę przy projektowaniu ekranów akustycznych . Zjawisko to zostało po raz pierwszy zastosowane w dziedzinie badań zanieczyszczenia hałasem w latach 60. XX wieku, przyczyniając się do projektowania autostrad miejskich oraz ekranów akustycznych .
Prędkość dźwięku zmienia się wraz z temperaturą. Ponieważ temperatura i prędkość dźwięku zwykle spadają wraz ze wzrostem wysokości, dźwięk załamuje się w górę, z dala od słuchaczy na ziemi, tworząc cień akustyczny w pewnej odległości od źródła. W 1862 roku, podczas wojny secesyjnej w bitwie pod Iuką , cień akustyczny, prawdopodobnie wzmocniony przez północno-wschodni wiatr, uchronił dwie dywizje żołnierzy Unii przed bitwą, ponieważ nie słyszeli odgłosów bitwy tylko sześć mil z wiatrem .
Wpływ na architekturę
Inżynieria wiatrowa to dziedzina inżynierii zajmująca się analizą wpływu wiatru na środowisko naturalne i zabudowane . Obejmuje silne wiatry, które mogą powodować dyskomfort, a także ekstremalne wiatry, takie jak tornada , huragany i burze, które mogą powodować rozległe zniszczenia. Inżynieria wiatrowa czerpie z meteorologii , aerodynamiki i kilku specjalistycznych dziedzin inżynierii . Stosowane narzędzia obejmują modele klimatyczne, tunele aerodynamiczne atmosferycznej warstwy granicznej oraz modele numeryczne. Dotyczy to między innymi tego, jak w inżynierii należy uwzględniać budynki oddziałujące na wiatr.
Na turbiny wiatrowe oddziałuje uskok wiatru. Pionowe profile prędkości wiatru powodują różne prędkości wiatru na łopatach znajdujących się najbliżej poziomu gruntu w porównaniu z tymi na szczycie ruchu łopat, co z kolei wpływa na działanie turbiny. Ten niski uskok wiatru może powodować duży moment zginający w wale dwułopatowej turbiny, gdy łopatki są ustawione pionowo. Zmniejszony uskok wiatru nad wodą oznacza, że na płytkich morzach można stosować krótsze i tańsze wieże turbin wiatrowych.
Zobacz też
- Bezpieczeństwo lotnicze
- System ostrzegania o niskim poziomie uskoku wiatru
- Żeglarstwo
- Cumulonimbus i lotnictwo
Bibliografia
Linki zewnętrzne