Вертикальный сдвиг ветра

Вертикальный сдвиг ветра — это изменение скорости или направления ветра с высотой в атмосфере. Является ключевым параметром в метеорологии, аэродинамике и авиации, так как существенно влияет на развитие атмосферных процессов (образование гроз, турбулентность) и безопасность полётов. Измеряется в метрах в секунду на метр (м/с/м) или в узлах на 1000 футов (kt/1000 ft). Различают вертикальный сдвиг ветра по скорости (изменение скорости ветра) и по направлению (изменение направления ветра, часто связанное с термическим ветром).

Причины возникновения

Вертикальный сдвиг ветра возникает из-за нескольких факторов:

• Трение о поверхность Земли. В приземном слое атмосферы (до 1–2 км) трение о рельеф и растительность замедляет ветер, в то время как на высоте трение меньше, и скорость ветра возрастает. Это создаёт градиент скорости с высотой.
• Термический ветер. Разница температур между экватором и полюсами, а также между континентами и океанами, порождает горизонтальные градиенты давления, которые с высотой приводят к изменению направления и скорости ветра (геострофический ветер).
• Фронтальные зоны. В зонах атмосферных фронтов (холодных, тёплых, окклюзии) происходит резкое изменение температуры и давления на коротком расстоянии, что вызывает сильный вертикальный сдвиг ветра. Особенно выражен на холодных фронтах.
• Горные волны и орография. При обтекании горных хребтов воздушные потоки создают стоячие волны, в которых скорость и направление ветра могут резко меняться на высотах в несколько километров.
• Инверсии температуры. В слоях инверсии (например, при ночном выхолаживании или при адвекции тёплого воздуха) плотность воздуха меняется, что усиливает сдвиг ветра.

Классификация

Вертикальный сдвиг ветра классифицируют по величине, происхождению и влиянию на атмосферные явления.

По величине

В метеорологии приняты следующие градации (для высотного слоя 0–6 км):

• Слабый: менее 2 м/с на 1 км (менее 1 kt/1000 ft).
• Умеренный: 2–5 м/с на 1 км (1–2,5 kt/1000 ft).
• Сильный: 5–8 м/с на 1 км (2,5–4 kt/1000 ft).
• Очень сильный: более 8 м/с на 1 км (более 4 kt/1000 ft).

В авиации для оценки опасности сдвига ветра на взлёте и посадке (в слое 0–1000 футов) используются другие пороги: опасным считается сдвиг более 15 узлов (7,7 м/с) на 1000 футов.

По типу изменения

• Сдвиг по скорости (wind shear by speed) — изменение модуля скорости ветра с высотой. Пример: у земли ветер 5 м/с, на высоте 500 м — 15 м/с.
• Сдвиг по направлению (directional shear) — изменение направления ветра с высотой. Часто наблюдается в циклонах и антициклонах, когда ветер поворачивает по часовой стрелке или против неё.

По масштабу

• Мезомасштабный (от 1 до 100 км) — связан с грозами, линиями шквалов, горными волнами.
• Синоптический (сотни и тысячи километров) — обусловлен крупными барическими образованиями и фронтами.

Влияние на атмосферные процессы

Развитие гроз и мезоциклонов

Вертикальный сдвиг ветра является критическим фактором для организации конвекции:

• Слабый сдвиг (менее 10 м/с в слое 0–6 км) способствует образованию ординарных (одноячеечных) гроз, которые быстро разрушаются из-за выпадения осадков.
• Умеренный и сильный сдвиг (10–20 м/с) ведёт к формированию многозчейковых и суперъячейковых гроз. В таких условиях восходящий поток наклоняется, отделяясь от нисходящего, что позволяет грозе существовать часами. При большом сдвиге (более 20 м/с) возможно образование мезоциклонов — вращающихся восходящих потоков, которые являются предшественниками торнадо.

Турбулентность

Вертикальный сдвиг ветра порождает турбулентность Кельвина — Гельмгольца (неустойчивость на границе слоёв с разной скоростью). Это явление проявляется в виде вихрей, которые могут быть опасны для самолётов. При определённых условиях (например, в зоне струйных течений) турбулентность становится интенсивной и непредсказуемой.

Струйные течения

Вертикальный сдвиг ветра особенно велик в зонах струйных течений (jet streams), где скорость ветра может превышать 100 м/с, а сдвиг — 10–15 м/с на 1 км. Эти зоны являются основными источниками турбулентности для авиации.

Значение в авиации

Вертикальный сдвиг ветра представляет одну из самых серьёзных угроз безопасности полётов, особенно на этапах взлёта и захода на посадку.

Опасность для самолётов

При попадании в зону сильного сдвига ветра (например, вблизи грозового шквала) самолёт может:

• Потерять подъёмную силу при резком уменьшении скорости (сдвиг по скорости).
• Изменить траекторию при внезапном изменении направления ветра (сдвиг по направлению).
• Попасть в режим сваливания при быстром снижении скорости ниже порога сваливания.

Известны катастрофы, связанные со сдвигом ветра: крушение рейса Delta Air Lines 191 (1985, Даллас), рейса USAir 1016 (1994, Шарлотт), рейса «Аэрофлота» 593 (1994, Москва — частично связан с турбулентностью).

Обнаружение и предупреждение

Современные самолёты оснащены системами предупреждения о сдвиге ветра (WSPS — Wind Shear Prediction System), которые используют данные радаров и инерциальных систем. В аэропортах устанавливаются доплеровские метеорологические радиолокаторы и лидары, способные обнаруживать зоны сдвига ветра за несколько километров.

Пилоты обучены процедурам ухода из зоны сдвига ветра: увеличение тяги до максимальной, сохранение угла атаки, набор высоты.

Измерение и прогнозирование

Методы измерения

• Радиозонды — запускаются дважды в сутки (00 и 12 UTC) и измеряют профиль ветра до высоты 30–35 км. Данные используются для анализа сдвига ветра в свободной атмосфере.
• Доплеровские метеорологические радиолокаторы — позволяют оценить сдвиг ветра вблизи грозовых облаков и на высотах до 10–15 км.
• Самолётные датчики — регистрируют мгновенные значения сдвига ветра в реальном времени.
• Лидары — используют лазерное излучение для измерения скорости ветра в приземном слое (до 200–300 м).

Прогнозирование

Прогноз вертикального сдвига ветра строится на основе численных моделей атмосферы (например, GFS, ECMWF, COSMO). Модели рассчитывают профиль ветра на сетке с шагом 10–50 км и временным разрешением 1–6 часов. Для авиации выпускаются специальные карты (Wind Shear Charts) с указанием зон опасного сдвига.

Примеры

• Микрошквалы — локальные нисходящие потоки воздуха (даунберсты) диаметром до 4 км, создающие чрезвычайно сильный сдвиг ветра у земли (до 30–40 м/с на 100 м). Являются причиной многих авиационных происшествий.
• Горные волны — в районе хребта Сьерра-Невада (США) или Кавказа вертикальный сдвиг ветра может достигать 50 м/с на 1 км, что приводит к сильной турбулентности.
• Струйное течение над Атлантикой — зимой сдвиг ветра на границе струи может превышать 20 м/с на 1 км, что затрудняет полёты по маршрутам Европа — Северная Америка.

Интересные факты

• Вертикальный сдвиг ветра является одним из ключевых параметров для прогноза торнадо. По шкале F-шкалы (Фудзиты) сила торнадо коррелирует с величиной сдвига ветра в окружающей атмосфере.
• В России (на территории европейской части) наиболее сильный вертикальный сдвиг ветра наблюдается весной и осенью при прохождении холодных фронтов. В зимний период сдвиг обычно слабее из-за меньших горизонтальных градиентов температуры.
• В метеорологии для количественной оценки сдвига ветра часто используют параметр Bulk Richardson Number (BRN), который учитывает отношение плавучести к сдвигу. При BRN < 10 конвекция обычно слабая, при BRN > 50 — возможны суперъячейки.
• Сдвиг ветра может быть полезен для ветроэнергетики: на высоте 80–100 м скорость ветра значительно выше, чем у земли, что учитывается при проектировании ветрогенераторов.

Источники

• «Атмосфера. Справочник» (под ред. И. А. Шакина, 2005).
• «Метеорология и климатология» (С. П. Хромов, М. А. Петросянц, 2006).
• «Авиационная метеорология» (В. В. Белоусов, 2012).
• «Wind Shear and Thunderstorm Hazards» (FAA Advisory Circular, 2015).
• «Numerical Weather Prediction» (P. Lynch, 2008).