Введение

Скорость увеличения силы ветра на единицу увеличения высоты – взаимодействие горизонтального ветра с поверхностью Земли.

В обычном понимании, градиент ветра, точнее градиент скорости ветра или градиент вектора скорости ветра, а также сдвиг ветра, представляет собой вертикальную составляющую градиента средней горизонтальной скорости ветра в нижних слоях атмосферы. Это величина, характеризующая скорость увеличения силы ветра с ростом высоты над земной поверхностью. Этот приземный слой, где поверхностное трение замедляет ветер и изменяет его направление, известен как планетарный пограничный слой. Дневной солнечный нагрев, вызванный инсоляцией, увеличивает толщину пограничного слоя, поскольку воздух, нагретый от контакта с нагретой поверхностью Земли, поднимается и все интенсивнее перемешивается с вышележащими слоями воздуха. Ночное радиационное охлаждение постепенно разъединяет ветры у поверхности с ветрами над пограничным слоем, усиливая вертикальный сдвиг ветра вблизи поверхности, также называемый градиентом ветра.

Характеристика

Как правило, из-за аэродинамического сопротивления в потоке ветра наблюдается 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 из-за условия отсутствия проскальзывания. Поток вблизи поверхности встречает препятствия, которые снижают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости, перпендикулярные основному направлению потока. Эта турбулентность вызывает вертикальное смешивание между воздухом, движущимся горизонтально на разных уровнях, что влияет на рассеивание загрязняющих веществ. Из-за относительно гладкой поверхности воды скорость ветра уменьшается не так сильно вблизи моря, как на суше. Над городом или на пересеченной местности эффект градиента ветра может приводить к снижению скорости геострофического ветра на 40–50%, в то время как над открытой водой или льдом снижение может составлять лишь 20–30%. Для инженерных расчетов градиент ветра моделируется как простое сдвиговое течение, демонстрирующее вертикальный профиль скорости, изменяющийся по степенному закону с постоянным экспоненциальным коэффициентом, зависящим от типа поверхности. Высота над землей, на которой поверхностное трение оказывает пренебрежимо малое влияние на скорость ветра, называется «высотой градиента», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной и называется «скоростью градиента ветра». 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. Хотя степенной закон приближения удобен, он не имеет теоретического обоснования. Измерения над открытой местностью в 1961 году показали хорошее соответствие с логарифмической зависимостью до высоты примерно 100 м, с почти постоянной средней скоростью ветра вплоть до 1000 м.

Сдвиг ветра обычно является трехмерным, то есть происходит изменение не только скорости, но и направления между «свободным» ветром, обусловленным градиентом давления (геострофическим ветром), и ветром вблизи земной поверхности. Это связано с эффектом спирали Экмана. Угол отклонения эгострофического потока от изобар вблизи поверхности изменяется от 10° над открытой водой до 30° над пересеченной холмистой местностью и может достигать 40–50° над сушей ночью, когда скорость ветра очень низкая. Атмосферная стабильность, возникающая ночью из-за радиационного охлаждения, имеет тенденцию ограничивать турбулентные вихри в вертикальном направлении, усиливая градиент ветра. На величину градиента ветра в значительной степени влияет высота конвективного пограничного слоя, и этот эффект еще более выражен над морем, где нет суточных колебаний высоты пограничного слоя, как над сушей. В конвективном пограничном слое интенсивное смешивание уменьшает вертикальный градиент ветра.

Парусный спорт

В парусном спорте градиент ветра влияет на парусники, представляя различную скорость ветра для паруса на разных высотах вдоль мачты. Направление также меняется с высотой, но моряки называют это "сдвигом ветра". Показания приборов на мачте относительно кажущейся скорости и направления ветра отличаются от того, что видит и чувствует моряк у поверхности. Согласно одному источнику, градиент ветра не является значимым для парусников при ветре более 6 узлов (поскольку скорость ветра 10 узлов на поверхности соответствует 15 узлам на высоте 300 метров, поэтому изменение скорости незначительно на высоте мачты парусника). Согласно тому же источнику, ветер устойчиво увеличивается с высотой до 10 метров при ветре в 5 узлов, но в меньшей степени при более слабом ветре. В этом источнике также утверждается, что при ветре со средней скоростью шесть узлов и более изменение скорости с высотой почти полностью ограничивается одним-двумя метрами, ближайшими к поверхности. Это согласуется с другим источником, который показывает, что изменение скорости ветра очень мало на высотах более 2 метров, а также с заявлением Австралийского государственного бюро метеорологии, согласно которому различия могут составлять всего 5% в неустойчивом воздухе. В кайтсерфинге градиент ветра еще более важен, поскольку силовой кайт управляется стропами длиной 20-30 метров, и кайтсерфер может использовать кайт, чтобы взлететь с воды, поднимая его на еще большую высоту над поверхностью моря.

Распространение звука

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 сигналы туманового рога, гром, звуковые удары, выстрелы или другие явления, например, мистпуфферы. Он также важен при изучении шумового загрязнения, например, от дорожного и авиационного шума, и должен учитываться при проектировании шумозащитных экранов. Когда скорость ветра увеличивается с высотой, ветер, дующий к слушателю от источника, будет преломлять звуковые волны вниз, что приведет к увеличению уровня шума с подветренной стороны от экрана. Эти эффекты были впервые количественно оценены в области проектирования дорог для учета изменений эффективности шумозащитных экранов в 1960-х годах. Когда солнце нагревает поверхность Земли, в атмосфере возникает отрицательный температурный градиент. Скорость звука уменьшается с понижением температуры, поэтому это также создает отрицательный градиент скорости звука. Фронт звуковой волны распространяется быстрее вблизи земли, поэтому звук преломляется вверх, от слушателей на земле, создавая акустическую тень на определенном расстоянии от источника. Радиус кривизны пути звука обратно пропорционален градиенту скорости. Градиент скорости ветра 4 (м/с)/км может вызвать преломление, эквивалентное типичному температурному градиенту 7,5 °C/км. Более высокие значения градиента ветра будут преломлять звук вниз к поверхности в направлении ветра, устраняя акустическую тень с подветренной стороны. Это увеличит слышимость звуков с подветренной стороны. Этот эффект преломления с подветренной стороны происходит из-за наличия градиента ветра; звук не переносится ветром. Обычно существует как градиент ветра, так и температурный градиент. В этом случае эффекты обоих могут складываться или вычитаться в зависимости от ситуации и местоположения наблюдателя. Градиент ветра и температурный градиент также могут взаимодействовать сложным образом. Например, сигнал туманового рога может быть слышен вблизи источника и на большом расстоянии, но не в акустической тени между ними. В случае поперечного распространения звука градиенты ветра существенно не изменяют распространение звука по сравнению с безветренными условиями; эффект градиента, по-видимому, важен только в конфигурациях по ветру и против ветра. Для распространения звука экспоненциальное изменение скорости ветра с высотой можно определить следующим образом: поскольку они не могли слышать звуки битвы на расстоянии всего шести миль с подветренной стороны. Ученые понимали влияние градиента ветра на преломление звука с середины 1900-х годов; однако с принятием Закона США о контроле шума это преломляющее явление стало широко использоваться с начала 1970-х годов, главным образом при рассмотрении распространения шума от автомагистралей и последующем проектировании транспортных сооружений.

Поднимается градиент ветра

Подъём с использованием градиента ветра, также называемый динамическим планированием, — это техника, используемая парящими птицами, включая альбатросов. Если градиент ветра достаточно сильный, птица может подниматься навстречу ветру, обменивая наземную скорость на высоту, при этом сохраняя воздушную скорость. Затем, поворачивая по ветру и пикируя сквозь градиент ветра, они также могут набирать энергию.