Střih větru -Wind shear
Střih větru (neboli střih větru ), někdy označovaný jako gradient větru , je rozdíl v rychlosti a/nebo směru větru na relativně krátké vzdálenosti v atmosféře . Atmosférický střih větru je běžně popisován jako vertikální nebo horizontální střih větru. Vertikální střih větru je změna rychlosti nebo směru větru se změnou nadmořské výšky. Horizontální střih větru je změna rychlosti větru se změnou boční polohy pro danou nadmořskou výšku.
Střih větru je meteorologický jev v mikroměřítku vyskytující se na velmi malé vzdálenosti, ale může být spojen s povětrnostními rysy v mezoměřítku nebo synoptickém měřítku , jako jsou bouřkové čáry a studené fronty. Běžně je pozorován v blízkosti mikroburstů a downburstů způsobených bouřkami , frontách, oblastech lokálně vyšších nízkých větrů označovaných jako nízkoúrovňové výtrysky, v blízkosti hor , radiačních inverzí, ke kterým dochází v důsledku jasné oblohy a klidného větru, budov, větrných turbín, a plachetnice. Střih větru má významný vliv na řízení letadla a byl jedinou nebo přispívající příčinou mnoha leteckých nehod.
Pohyb zvuku atmosférou je ovlivněn střihem větru, který může ohýbat čelo vlny, což způsobuje, že zvuky jsou slyšet tam, kde by normálně nebyly, nebo naopak. Silný vertikální střih větru v troposféře také brání rozvoji tropických cyklónů , ale pomáhá organizovat jednotlivé bouřky do delších životních cyklů, které pak mohou způsobit nepříznivé počasí . Koncept termálního větru vysvětluje, jak jsou rozdíly v rychlosti větru v různých výškách závislé na horizontálních rozdílech teplot, a vysvětluje existenci proudění .
Definice
Střih větru se týká změny rychlosti větru v horizontální nebo vertikální vzdálenosti. Piloti letadel obecně považují významný střih větru za horizontální změnu rychlosti vzduchu 30 uzlů (15 m/s) u lehkých letadel a téměř 45 uzlů (23 m/s) u dopravních letadel ve výšce letu. Vertikální změny rychlosti větší než 4,9 uzlů (2,5 m/s) se také kvalifikují jako významný střih větru pro letadla. Střih větru při nízké hladině může katastrofálním způsobem ovlivnit rychlost letadla během vzletu a přistání a piloti dopravních letadel jsou vycvičeni, aby se vyhnuli veškerému střihu větru typu microburst (ztráta protivětru přesahující 30 uzlů [15 m/s]). Odůvodnění tohoto dodatečného upozornění zahrnuje:
- intenzita microburstu se může zdvojnásobit za minutu nebo méně,
- vítr se může změnit na silný boční vítr,
- 40–50 uzlů (21–26 m/s) je prahová hodnota pro přežití v některých fázích operací v malých výškách a
- několik historických nehod ve střihu větru zahrnovalo mikrobursty o rychlosti 35–45 uzlů (18–23 m/s).
Střih větru je také klíčovým faktorem při vzniku silných bouřek. Další nebezpečí turbulence je často spojeno se střihem větru.
Výskyt
Povětrnostní situace, kdy je pozorován střih, zahrnují:
- Povětrnostní fronty . Významný smyk je pozorován, když je teplotní rozdíl na přední straně 5 °C (9 °F) nebo více a přední část se pohybuje rychlostí 30 uzlů (15 m/s) nebo rychleji. Protože fronty jsou trojrozměrné jevy, frontální smyk lze pozorovat v jakékoli výšce mezi povrchem a tropopauzou , a lze je tedy vidět jak horizontálně, tak vertikálně. Vertikální střih větru nad teplými frontami je kvůli jejich delšímu trvání spíše problémem letectví než blízko a za studenými frontami.
- Tryskové proudy horní úrovně. S tryskovými proudy na horních úrovních je spojen jev známý jako turbulence čistého vzduchu (CAT), způsobený vertikálním a horizontálním střihem větru spojeným s gradientem větru na okraji tryskových proudů. CAT je nejsilnější na anticyklonální smykové straně proudu, obvykle vedle nebo těsně pod osou proudu.
- Nízkoúrovňové tryskové proudy. Když se noční výtrysk nízké úrovně vytvoří přes noc nad zemským povrchem před studenou frontou, může se v blízkosti spodní části výtrysku nízké úrovně vyvinout významný vertikální střih větru nízké úrovně. Toto je také známé jako nekonvektivní střih větru, protože to není způsobeno blízkými bouřkami.
- hory.
- Inverze . Když se za jasné a klidné noci u země vytvoří radiační inverze, tření neovlivňuje vítr nad vrcholem inverzní vrstvy. Změna směru větru může být 90 stupňů a rychlost 40 uzlů (21 m/s). Někdy lze pozorovat i noční (přesnoční) výtrysk nízké hladiny. Nejsilnější bývá k východu slunce. Rozdíly v hustotě způsobují letectví další problémy.
- Downbursty . Když se vytvoří hranice odtoku kvůli mělké vrstvě deštěm chlazeného vzduchu rozprostírajícího se blízko úrovně země od mateřské bouřky, může na přední hraně trojrozměrné hranice dojít k rychlosti i směrovému střihu větru. Čím silnější je hranice odtoku , tím silnější bude výsledný vertikální střih větru.
Horizontální složka
Povětrnostní fronty
Povětrnostní fronty jsou hranice mezi dvěma masami vzduchu o různých hustotách nebo různých teplotních a vlhkostních vlastnostech, které jsou normálně zónami konvergence ve větrném poli a jsou hlavní příčinou významného počasí. V rámci povrchových analýz počasí jsou znázorněny pomocí různých barevných čar a symbolů. Vzduchové hmoty se obvykle liší teplotou a mohou se lišit i vlhkostí . V blízkosti těchto hranic dochází ke střihu větru v horizontále. Studené fronty se vyznačují úzkými pásy bouřek a nepříznivým počasím a mohou jim předcházet bouřkové linie a suché linie . Studené fronty jsou ostřejší hranice povrchu s výraznějším horizontálním střihem větru než teplé fronty. Když se fronta stane nehybnou , může se zvrhnout v čáru, která odděluje oblasti s různou rychlostí větru, známou jako střižná čára , ačkoli směr větru přes přední stranu normálně zůstává konstantní. V tropech se tropické vlny pohybují z východu na západ přes Atlantik a východní Pacifik . Směrový a rychlostní střih může nastat napříč osou silnějších tropických vln, protože severní větry předcházejí osu vln a jihovýchodní větry jsou vidět za osou vln. K horizontálnímu střihu větru může dojít také podél hranic místního suchozemského a mořského vánku .
V blízkosti pobřeží
Velikost větru na moři je téměř dvojnásobná než rychlost větru pozorovaná na pobřeží. To je přičítáno rozdílům ve tření mezi pevninou a pobřežními vodami. Někdy existují dokonce směrové rozdíly, zejména pokud místní mořské vánky mění vítr na pobřeží během denních hodin.
Vertikální složka
Tepelný vítr
Termální vítr je meteorologický termín neoznačující skutečný vítr , ale rozdíl v geostrofickém větru mezi dvěma tlakovými hladinami p 1 a p 0 , přičemž p 1 < p 0 ; v podstatě střih větru. Vyskytuje se pouze v atmosféře s horizontálními změnami teploty (nebo v oceánu s horizontálními gradienty hustoty ), tj. baroklinitě . V barotropní atmosféře, kde je teplota rovnoměrná, je geostrofický vítr nezávislý na výšce. Název pochází ze skutečnosti, že tento vítr proudí kolem oblastí s nízkou (a vysokou) teplotou stejným způsobem jako geostrofický vítr kolem oblastí s nízkým (a vysokým ) tlakem .
Tepelná rovnice větru je
kde φ jsou geopotenciální výšková pole s φ 1 > φ 0 , f je Coriolisův parametr a k je nahoru směřující jednotkový vektor ve vertikálním směru . Tepelná rovnice větru neurčuje vítr v tropech . Protože f je malé nebo nulové, například blízko rovníku, rovnice se redukuje na tvrzení, že ∇( φ 1 − φ 0 ) je malé.
Tato rovnice v podstatě popisuje existenci tryskového proudu, západního proudu vzduchu s maximální rychlostí větru blízko tropopauzy, který je (i když jsou důležité i jiné faktory) výsledkem teplotního kontrastu mezi rovníkem a pólem.
Účinky na tropické cyklóny
Tropické cyklóny jsou v podstatě tepelné motory , které jsou poháněny teplotním gradientem mezi teplým povrchem tropického oceánu a chladnější horní atmosférou. Rozvoj tropických cyklón vyžaduje relativně nízké hodnoty vertikálního střihu větru, aby jejich teplé jádro mohlo zůstat nad středem jejich povrchové cirkulace, a tím podporovat intenzifikaci. Vertikální střih větru roztrhne „strojní zařízení“ tepelného motoru a způsobí jeho poruchu. Silně střižené tropické cyklóny slábnou, když je horní cirkulace odfouknuta pryč z nízkoúrovňového centra.
Účinky na bouřky a nepříznivé počasí
Silné bouřky, které mohou způsobit tornáda a krupobití, vyžadují střih větru, aby se bouře zorganizovala tak, aby se bouřka udržela delší dobu. K tomu dochází, když se přítok bouře oddělí od jejího odtoku chlazeného deštěm. Zvyšující se noční nebo noční proud nízké hladiny může zvýšit potenciál nepříznivého počasí zvýšením vertikálního střihu větru v troposféře. Bouřky v atmosféře prakticky bez vertikálního střihu větru slábnou, jakmile vysílají hranici odtoku do všech směrů, což pak rychle přeruší jeho přítok relativně teplého, vlhkého vzduchu a způsobí, že se bouřka rozptýlí.
Planetární mezní vrstva
Atmosférický efekt povrchového tření s větry ve vzduchu nutí povrchové větry zpomalovat a ustupovat proti směru hodinových ručiček blízko povrchu Země , které foukají dovnitř přes izobary (čáry stejného tlaku) ve srovnání s větry v proudění bez tření vysoko nad zemským povrchem. Tato vrstva, kde tření zpomaluje a mění vítr, je známá jako planetární hraniční vrstva , někdy Ekmanova vrstva , a je nejtlustší během dne a nejtenčí v noci. Denní vytápění zahušťuje mezní vrstvu, protože větry na povrchu se stále více mísí s větry ve vzduchu v důsledku slunečního záření nebo solárního vytápění. Radiační ochlazování přes noc dále zvyšuje oddělení větru mezi větry na povrchu a větry nad hraniční vrstvou tím, že uklidňuje povrchový vítr, což zvyšuje střih větru. Tyto změny větru způsobují střih větru mezi mezní vrstvou a větrem ve vzduchu a jsou nejvíce zdůrazněny v noci.
Účinky na let
Klouzání
Při klouzání ovlivňují gradienty větru těsně nad povrchem fáze vzletu a přistání letu kluzáku . Gradient větru může mít znatelný vliv na pozemní starty , známé také jako navijáky nebo drátové starty. Pokud je gradient větru významný nebo náhlý, nebo obojí a pilot zachovává stejnou náklonovou polohu, indikovaná vzdušná rychlost se zvýší a možná překročí maximální rychlost vzletu ze země. Pilot musí upravit rychlost letu, aby se vyrovnal s účinkem gradientu.
Při přistání je nebezpečím také střih větru, zvláště když je silný vítr. Když kluzák při konečném přiblížení na přistání klesá gradientem větru, rychlost vzduchu se snižuje, zatímco rychlost klesání stoupá, a není dostatek času na zrychlení před kontaktem se zemí. Pilot musí předvídat gradient větru a použít vyšší přibližovací rychlost k jeho kompenzaci.
Střih větru je také nebezpečný pro letadla, která dělají strmé zatáčky u země. Je to zvláštní problém pro kluzáky, které mají relativně dlouhé rozpětí křídel , což je vystavuje většímu rozdílu rychlosti větru pro daný úhel náklonu . Rozdílná rychlost každého křídla může mít za následek aerodynamické zablokování na jednom křídle, což způsobí nehodu se ztrátou kontroly.
Parašutismus
Střih větru nebo sklon větru jsou hrozbou pro parašutisty, zejména pro BASE jumping a wingsuit létání . Parašutisté byli vytlačeni z kurzu náhlými změnami směru a rychlosti větru a srazili se s mosty, útesy, stromy, jinými parašutisty, zemí a dalšími překážkami. Parašutisté běžně upravují polohu svých otevřených vrchlíků, aby kompenzovali změny směru při přistávání, aby zabránili nehodám, jako jsou kolize vrchlíku a převrácení vrchlíku.
Stoupající
Stoupání související se střihem větru, nazývané také dynamické stoupání , je technika používaná vznášejícími se ptáky , jako jsou albatrosové , kteří mohou udržovat let bez mávání křídly. Pokud je střih větru dostatečně velký, pták může vylézt do gradientu větru a vyměnit rychlost země za výšku, přičemž si udržuje rychlost vzduchu. Tím, že se pak stočí po větru a ponoří se do gradientu větru, mohou také získat energii. Ve vzácných případech jej používali také piloti kluzáků .
Střih větru může také vytvořit vlnu . K tomu dochází, když atmosférická inverze odděluje dvě vrstvy s výrazným rozdílem ve směru větru. Pokud se vítr setká s deformacemi v inverzní vrstvě způsobenými termickými proudy přicházejícími zespodu, vytvoří významné smykové vlny, které lze využít k plachtění.
Dopad na osobní letadla
Střih větru může být pro letadla extrémně nebezpečný, zejména při startu a přistání. Náhlé změny rychlosti větru mohou způsobit rychlé snížení rychlosti vzduchu , což vede k tomu, že letadlo není schopné udržet výšku. Windshear byl zodpovědný za několik smrtelných nehod, včetně letu Eastern Air Lines 66 , letu Pan Am 759 , letu Delta Air Lines 191 a letu USAir 1016 .
Střih větru lze detekovat pomocí Dopplerova radaru. Letiště mohou být vybavena výstražnými systémy nízké úrovně střihu větru nebo terminálovým Dopplerovým meteorologickým radarem a letadla mohou být vybavena palubními systémy detekce střihu větru a výstražnými systémy . Po havárii letu 191 společnosti Delta Air Lines v roce 1985 nařídil Federální úřad pro letectví USA, aby všechna komerční letadla měla do roku 1993 systémy detekce střihu větru a výstrahy ve vzduchu. jsou běžně ovlivněny střihem větru dále napomohlo schopnosti pilotů a pozemních řídících vyhnout se podmínkám střihu větru.
Plachtění
Střih větru ovlivňuje plachetnice v pohybu tím, že představuje různou rychlost a směr větru v různých výškách podél stěžně . Efekt nízkého střihu větru lze zohlednit při výběru kroucení plachty v designu plachty, ale to může být obtížné předvídat, protože střih větru se může v různých povětrnostních podmínkách značně lišit. Námořníci mohou také upravit střih plachty tak, aby odpovídaly nízkému střihu větru, například pomocí ráhna .
Šíření zvuku
Střih větru může mít výrazný vliv na šíření zvuku v nižší atmosféře, kde mohou být vlny „ohýbány“ jevem lomu . Slyšitelnost zvuků ze vzdálených zdrojů, jako je hrom nebo výstřely , je velmi závislá na velikosti střihu. Výsledek těchto rozdílných hladin zvuku je klíčový při úvahách o znečištění hlukem , například hlukem z vozovky a hlukem z letadel , a musí být zohledněn při navrhování protihlukových bariér . Tento jev byl poprvé aplikován v oblasti studia hlukového znečištění v 60. letech 20. století, což přispělo k navrhování městských dálnic i protihlukových bariér .
Rychlost zvuku se mění s teplotou. Protože teplota a rychlost zvuku normálně klesají s rostoucí nadmořskou výškou, zvuk se láme směrem nahoru, pryč od posluchačů na zemi, a vytváří akustický stín v určité vzdálenosti od zdroje. V roce 1862, během americké občanské války , bitvě u Iuky , akustický stín, o kterém se věřilo, že byl zesílen severovýchodním větrem, zadržel dvě divize vojáků Unie mimo bitvu, protože jen šest mil po větru neslyšely zvuky bitvy. .
Vlivy na architekturu
Větrné inženýrství je obor inženýrství věnovaný analýze účinků větru na přírodní a zastavěné prostředí . Zahrnuje silné větry, které mohou způsobit nepohodlí, stejně jako extrémní větry, jako jsou tornáda , hurikány a bouře, které mohou způsobit rozsáhlé ničení. Větrné inženýrství čerpá z meteorologie , aerodynamiky a několika specializovaných inženýrských disciplín. Používané nástroje zahrnují klimatické modely, aerodynamické tunely na mezní vrstvě atmosféry a numerické modely. Zahrnuje mimo jiné to, jak je třeba ve strojírenství zohlednit budovy ovlivňující vítr.
Větrné turbíny jsou ovlivněny střihem větru. Vertikální profily rychlosti větru mají za následek různé rychlosti větru na lopatkách nejblíže k úrovni země ve srovnání s těmi na vrcholu dráhy lopatky, což zase ovlivňuje provoz turbíny. Tento nízký střih větru může způsobit velký ohybový moment v hřídeli dvoulopatkové turbíny, když jsou lopatky svislé. Snížený střih větru nad vodou znamená, že kratší a levnější věže větrných turbín mohou být použity v mělkých mořích.
Viz také
Reference
externí odkazy