Введение
Различие в скорости или направлении ветра на коротком расстоянии. Сдвиг ветра (или сдвиг ветра), иногда называемый градиентом ветра, — это разница в скорости и/или направлении ветра на относительно коротком расстоянии в атмосфере. Атмосферный сдвиг ветра 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. Сдвиг ветра — это микромасштабное метеорологическое явление, происходящее на очень небольшом расстоянии, но оно может быть связано с мезомасштабными или синоптическими погодными явлениями, такими как линии шквала и холодные фронты. Он обычно наблюдается вблизи микровсплесков и даунбёрстов, вызванных грозами, фронтами, районами локально усиленных приземных ветров, называемых струями низкого уровня, вблизи гор, радиационных инверсий, возникающих из-за ясного неба и спокойного ветра, зданий, ветряных турбин и парусных судов. Сдвиг ветра оказывает значительное влияние на управление воздушным судном и был единственной или сопутствующей причиной многих авиационных происшествий. Движение звука в атмосфере подвержено влиянию сдвига ветра, который может искривлять волновой фронт, вызывая слышимость звуков в местах, где они обычно не слышны. Сильный вертикальный сдвиг ветра в тропосфере также препятствует развитию тропических циклонов, но способствует организации отдельных гроз в более продолжительные циклы, которые затем могут вызывать сильные погодные явления. Концепция теплового ветра объясняет, как различия в скорости ветра на разных высотах зависят от горизонтальных различий температур и объясняет существование струйного течения.
Wind shear (or windshear), sometimes referred to as wind gradient, is a difference in wind speed and/or direction over a relatively short distance in the atmosphere. Atmospheric wind shear is normally described as either vertical or horizontal wind shear. Vertical wind shear is a change in wind speed or direction with a change in altitude. Horizontal wind shear is a change in wind speed with a change in lateral position for a given altitude. Wind shear is a microscale meteorological phenomenon occurring over a very small distance, but it can be associated with mesoscale or synoptic scale weather features such as squall lines and cold fronts. It is commonly observed near microbursts and downbursts caused by thunderstorms, fronts, areas of locally higher low level winds referred to as low level jets, near mountains, radiation inversions that occur due to clear skies and calm winds, buildings, wind turbines, and sailboats. Wind shear has significant effects on the control of an aircraft, and it has been the only or a contributing cause of many aircraft accidents. Sound movement through the atmosphere is affected by wind shear, which can bend the wave front, causing sounds to be heard where they normally would not. Strong vertical wind shear within the troposphere also inhibits tropical cyclone development but helps to organize individual thunderstorms into longer life cycles which can then produce severe weather. The thermal wind concept explains how differences in wind speed at different heights are dependent on horizontal temperature differences and explains the existence of the jet stream.
Погодные фронты
Погодные фронты — это границы между двумя воздушными массами с разной плотностью или различными свойствами температуры и влажности, которые обычно являются зонами схождения в ветровом поле и являются основной причиной существенных изменений погоды. На поверхностных картах погоды они изображаются различными цветными линиями и символами. Воздушные массы обычно различаются по температуре и могут также различаться по влажности. Вблизи этих границ наблюдается горизонтальный сдвиг ветра. Холодные фронты характеризуются узкими полосами гроз и сильной погоды, а им могут предшествовать линии шквалов и линии сухого воздуха. Холодные фронты — это более резкие поверхностные границы с более значительным горизонтальным сдвигом ветра, чем тёплые фронты. Когда фронт останавливается, он может выродиться в линию, разделяющую области с разной скоростью ветра, известную как линия сдвига, хотя направление ветра вдоль фронта обычно остаётся постоянным. В тропиках тропические волны перемещаются с востока на запад над Атлантическим и восточно-Тихоокеанскими бассейнами. Сдвиг направления и скорости ветра может возникать вдоль оси более сильных тропических волн, поскольку северные ветры предшествуют оси волны, а юго-восточные ветры наблюдаются позади оси волны. Горизонтальный сдвиг ветра также может возникать вдоль границ местных бризов — суховейного и морского.
Вблизи береговой линии
Сила ветра в открытом море почти вдвое превышает скорость ветра, наблюдаемую на суше. Это связано с различиями в трении между сушей и открытой водой. Иногда наблюдаются даже различия в направлении, особенно если местный морской бриз изменяет направление ветра на берегу в течение дня.
Влияние на грозы и непогоду
Сильные грозы, способные порождать торнадо и град, нуждаются в сдвиге ветра для организации шторма таким образом, чтобы поддерживать его активность в течение более длительного времени. Это происходит, когда приток воздуха к грозе отделяется от её оттока, охлажденного осадками. Усиление ночного приземного струйного течения может повысить вероятность сильных погодных явлений, увеличивая вертикальный сдвиг ветра по всей тропосфере. Грозы в атмосфере с практически отсутствующим вертикальным сдвигом ветра ослабевают сразу после образования границы оттока, распространяющейся во всех направлениях, которая быстро перекрывает приток относительно теплого и влажного воздуха, приводя к рассеиванию грозы.
Планетарный пограничный слой
Атмосферное воздействие поверхностного трения на ветры на высоте приводит к замедлению и отклонению поверхностных ветров против часовой стрелки вблизи поверхности Земли, направленных внутрь по отношению к изобарам (линиям равного давления), по сравнению с ветрами в потоке без трения на значительной высоте над поверхностью Земли. Этот слой, где трение замедляет и изменяет направление ветра, известен как планетарный пограничный слой, иногда называемый слоем Экмана, и он наиболее толстый днем и наиболее тонкий ночью. Дневной нагрев увеличивает толщину пограничного слоя, поскольку ветры у поверхности все сильнее перемешиваются с ветрами на высоте из-за солнечного излучения. Ночное радиационное охлаждение еще больше усиливает разобщение ветров между ветрами у поверхности и ветрами над пограничным слоем, ослабляя поверхностный ветер и увеличивая сдвиг ветра. Эти изменения ветра создают сдвиг ветра между пограничным слоем и ветрами на высоте, который наиболее выражен ночью.
Сплав
При планировании градиенты ветра непосредственно над поверхностью влияют на фазы взлета и посадки планера. Градиент ветра может заметно влиять на наземные старты, также известные как старты с лебёдки или троса. Если градиент ветра значителен, внезапен, или и то, и другое, и пилот сохраняет ту же тангажную ориентацию, показанная воздушная скорость увеличится, возможно, превысив максимальную скорость при наземном старте. Пилот должен корректировать воздушную скорость, чтобы компенсировать влияние градиента. При посадке также опасен сдвиг ветра, особенно при сильном ветре. Когда планер снижается через градиент ветра на конечном этапе захода на посадку, воздушная скорость уменьшается, а скорость снижения увеличивается, и недостаточно времени для ускорения перед касанием земли. Пилот должен предвидеть градиент ветра и использовать более высокую скорость захода на посадку, чтобы компенсировать его. Сдвиг ветра также опасен для самолетов, выполняющих крутые повороты у земли. Это особенно актуально для планеров с относительно большим размахом крыльев, что подвергает их большей разнице в скорости ветра при заданном угле крена. Различная воздушная скорость, испытываемая каждым законцовкой крыла, может привести к сваливанию на одном крыле, вызывая потерю управления и аварийную ситуацию.
Парашют
Сдвиг ветра или градиенты ветра представляют угрозу для парашютистов, особенно для прыжков BASE и полетов в вингсьюте. Парашютистов сносило с курса внезапными изменениями направления и скорости ветра, что приводило к столкновениям с мостами, скалами, деревьями, другими парашютистами, землей и другими препятствиями. Парашютисты регулярно корректируют положение открытого купола, чтобы компенсировать изменения направления ветра при приземлении и предотвратить аварии, такие как столкновения куполов и переворот купола.
Взлет
Полет, связанный со сдвигом ветра, также называемый динамическим планированием, – это техника, используемая парящими птицами, такими как альбатросы, которые могут поддерживать полет без взмахов крыльями. Если сдвиг ветра достаточно сильный, птица может подниматься вверх по градиенту ветра, обменивая наземную скорость на высоту, при этом сохраняя воздушную скорость. Затем, поворачивая по ветру и пикируя через градиент ветра, они также могут набирать энергию. Эта техника также иногда используется пилотами планеров. Сдвиг ветра также может создавать волны. Это происходит, когда атмосферная инверсия разделяет два слоя с существенной разницей в направлении ветра. Если ветер встречает искажения в инверсионном слое, вызванные восходящими потоками теплого воздуха, это создает значительные сдвиговые волны, которые можно использовать для планирования.
Влияние на пассажирские воздушные суда
Разрыв ветра может быть крайне опасен для самолетов, особенно при взлете и посадке. Внезапные изменения скорости ветра могут вызвать резкое снижение воздушной скорости, что может привести к потере высоты. Разрыв ветра стал причиной нескольких катастрофических авиационных происшествий, включая рейсы Eastern Air Lines 66, Pan Am 759, Delta Air Lines 191 и USAir 1016. Обнаружить разрыв ветра можно с помощью доплеровского радара. Аэропорты могут быть оснащены системами предупреждения о сдвиге ветра на малой высоте или терминальным доплеровским метеорологическим радаром, а самолеты – бортовыми системами обнаружения и предупреждения о сдвиге ветра. После катастрофы рейса 191 авиакомпании Delta Air Lines в 1985 году Федеральное управление гражданской авиации США в 1988 году обязало все коммерческие самолеты к 1993 году оснастить бортовыми системами обнаружения и предупреждения о сдвиге ветра. Установка станций терминального доплеровского радара высокого разрешения во многих аэропортах США, часто подверженных воздействию разрыва ветра, еще больше повысила способность пилотов и диспетчеров наземных служб избегать опасных погодных условий.
Парусный спорт
Ветровой сдвиг влияет на парусники в движении, представляя различную скорость и направление ветра на разных высотах по мачте. Эффект сдвига ветра на нижнем уровне можно учитывать при выборе крутки паруса при проектировании паруса, но это может быть сложно предсказать, поскольку сдвиг ветра может значительно меняться в различных погодных условиях. Моряки также могут регулировать положение паруса, чтобы компенсировать сдвиг ветра на нижнем уровне, например, используя бум-вант.
Распространение звука
Сдвиг ветра может существенно влиять на распространение звука в нижних слоях атмосферы, где волны могут отклоняться из-за явления преломления. Воспринимаемость звуков от удаленных источников, таких как гром или выстрелы, сильно зависит от величины сдвига. Различия в уровнях звука играют ключевую роль при рассмотрении шумового загрязнения, например, от дорожного и авиационного шума, и должны учитываться при проектировании шумозащитных экранов. Это явление впервые было применено в исследованиях шумового загрязнения в 1960-х годах, что внесло вклад в проектирование городских магистралей и шумозащитных экранов. Скорость звука меняется в зависимости от температуры. Поскольку температура и скорость звука обычно уменьшаются с увеличением высоты, звук преломляется вверх, от слушателей на земле, создавая акустическую тень на определенном расстоянии от источника. В 1862 году, во время битвы при Иуке во время Гражданской войны в США, акустическая тень, предположительно усиленная северо-восточным ветром, не позволила двум дивизиям солдат Союза принять участие в битве, поскольку они не слышали звуки сражения, хотя находились всего в шести милях по ветру.
Влияние на архитектуру
Ветроинженерия – это область техники, посвященная анализу воздействия ветра на природную и искусственную среду. Она включает в себя как сильные ветры, способные вызывать дискомфорт, так и экстремальные ветры, такие как торнадо, ураганы и штормы, которые могут приводить к масштабным разрушениям. Ветроинженерия опирается на метеорологию, аэродинамику и ряд специализированных инженерных дисциплин. В качестве инструментов используются климатические модели, аэродинамические трубы для исследования приземного слоя атмосферы и численные модели. Она охватывает, в частности, вопросы учета воздействия ветра на здания при проектировании. На ветровые турбины влияет сдвиг ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разнице в скорости ветра на лопастях, расположенных ближе к земле, по сравнению с лопастями в верхней точке их траектории, что, в свою очередь, влияет на работу турбины. Этот низкоуровневый сдвиг ветра может создавать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти находятся в вертикальном положении. Сниженный сдвиг ветра над водой позволяет использовать более короткие и менее дорогие башни ветровых турбин на мелководье.