6.5 Сдвиг ветра.

Сдвиг ветра – изменение направления и/или скорости ветра в пространстве, включая восходящие и нисходящие потоки. Различают вертикальный и горизонтальный сдвиг ветра. В пограничном слое для оценки интенсивности сдвига ветра пользуются терминами и численными критериями, рекомендованными рабочей группой ICAO.

Таблица Б - Критерии интенсивности сдвига ветра.

Интенсивность сдвига ветра (качественный термин)	Влияние на управление ВС	Вертикальный сдвиг ветра, м/с на 30 м	Горизонтальный сдвиг ветра, м/с на 600 м	Скорость восходящего (нисходящего) потока, м/с
Слабый	Незначительное	0 – 2	0 – 2	0 – 2
Умеренный	Значимое	2 – 4	2 – 4	2 – 4
Сильный	Существенные трудности	4 – 6	4 – 6	4 – 6
Очень сильный	Опасное	> 6	> 6	> 6

а)

б)

Рис. 25: Опасное влияние сдвига ветра на траекторию движения самолета:

а) – при заходе на посадку; б) – на взлете.

При вертикальных сдвигах ветра более 3 м/с на 100 м, горизонтальных

сдвигах – более 6 м/с на 100 км и горизонтальных градиентах температуры

более 2,5° на 100 км возникает очень интенсивная болтанка. При этом различают 2 горизонтальных сдвига ветра:

1. Боковой сдвиг ветра – проявляется в ослаблении ветра, перпендикулярном оси струйного течения. Болтанка наблюдается в самом струйном течении, слева от его оси. Ширина зоны составляет 100-150 км. При скорости ветра на оси струйного течения более 50 м/с и вертикальном сдвиге ветра более 0,6 м/с на 100 м ширина зоны умеренной и сильной болтанки составляет 200-300 км.

2. Сдвиг ветра по потоку – характеризуется уменьшением (увеличением) скорости ветра в направлении потока. Турбулентные зоны располагаются в местах дивергенции (расходимости) и конвергенции (сходимости) воздушных потоков.

Наиболее часто области сильных сдвигов ветра и турбулентности наблюдаются при следующих условиях:

1) Зоны интенсивной конвективной деятельности.

Конвективные вертикальные движения, возникающие при сильной термической неустойчивости, приводят к образованию кучево-дождевых облаков, с которыми связаны явления, опасные для авиации: ливни, грозы, шквал, град, смерч и т.п. Наблюдаются сильные восходящие и нисходящие потоки, затрудняющие пилотирование; увеличивается турбулентность, в связи с чем самолет может испытывать болтанку. При увеличении турбулентности в условиях неустойчивости наблюдается значительный обмен количеством движения по вертикали в пограничном слое, что приводит к выравниванию вертикального профиля в верхней части этого слоя. В приземном слое (ниже 50 м) скорость ветра резко возрастает с высотой, т.е. возникает сильный вертикальный сдвиг ветра, который может достигнуть 10 м/с на 30 м высоты. В зоне выпадения интенсивных осадков из кучево-дождевого облака может образоваться сильный нисходящий поток холодного воздуха, который, встречая земную поверхность земли, расходится в стороны от грозового облака, образуя зоны растекания, где присущи сильные сдвиги ветра. Это явление носит название «микропорыв»

или «микровзрыв».

Рис. 26: Микропорыв

При сложении скорости общего переноса с горизонтальной составляющей оттекающего воздуха, суммарная скорость ветра у земли перед кучево-дождевым облаком может резко увеличиться, достигая при этом больших значений.

Перед оттекающим холодным воздухом происходит вынужденный подъем теплого воздуха. Передний край холодного воздуха представляет узкую зону резких горизонтальных и вертикальных сдвигов ветра, вертикальных потоков и сильной турбулентности, называемую «фронтом порывов».

Рис. 27: Фронт порывов

При пересечении этого фронта происходят очень резкие изменения встречного ветра. При приближении мощного очага грозы к району аэродрома «фронт порывов» чаще всего следует ожидать впереди очага радиоэхо на расстоянии порядка 10 км, а иногда даже до 30 км (для очень мощных очагов).

Поэтому наибольшую опасность представляет снижение самолета по глиссаде навстречу грозовому очагу, приближающемуся к аэродрому.

Косвенным признаком наличия «фронта порывов» является

«Вирга» – видимые на фоне грозового облака полосы выпадающих в передней части облака осадков, не достигающих поверхности земли. В этом случае нисходящие потоки из кучево-дождевого облака усиливаются за счет охлаждения воздуха при испарении капель дождя. Кроме того, зоны сильных сдвигов ветра чаще возникают в передней части очагов, имеющих дугообразную, серповидную и крючкообразную формы, реже у очагов круглой формы.

2) Инверсии температуры.

Устойчивая стратификация температуры (особенно слои инверсии и изотермии)

Приводят к существенному расслоению потоков по вертикали и образованию значительных вертикальных сдвигов ветра. При всех инверсиях температуры при заходе на посадку можно ожидать уменьшение скорости встречного ветра.

Различают инверсии:

а) Радиационные – образуются в приземном слое при антициклонической погоде за счет сильного ночного радиационного выхолаживания подстилающей поверхности. При этом у земли может быть слабый ветер или штиль,

а на небольшой высоте (60-100 м и выше) скорости ветра могут быть

существенными (≥ 10 м/с). В этих условиях на некоторой высоте может образоваться поток, получивший название «ночное струйное течение», представляющий собой тонкий слой со значительными скоростями ветра

(иногда 20 м/с) на высоте около 200-300 м и при слабом ветре у земли.

Струйное течение характеризуется максимумом в вертикальном профиле ветра и имеет четкий суточный ход: появляется ночью и разрушается после восхода Солнца. Эти струйные течения имеют локальный характер, но в резко континентальных степных и пустынных районах они могут иметь значительную горизонтальную протяженность (несколько сотен км в длину и до

100 км в ширину). Зимой при снежном покрове радиационные инверсии сохраняются и в дневное время. При радиационных инверсиях сильные вертикальные сдвиги ветра (≥ 5 м/с на 30 м высоты) наблюдаются в слоях выше 30-40 м над поверхностью земли, а ниже этого уровня чаще всего ветры слабые и больших сдвигов ветра не возникает. Приземная радиационная инверсия часто сопровождается радиационным туманом, что дополнительно осложняет пилотирование в этих условиях.

б) Орографические – являются разновидностью радиационных усиленных особенностями рельефа. В горной или холмистой местности в пониженных местах (низины, долины, котловины) скорость ветра меньше и турбулентный обмен ослаблен, поэтому эффект ночного радиационного выхолаживания подстилающей поверхности значительно увеличивается. Кроме того, может наблюдаться сток охлажденного воздуха со склонов в пониженные места.

Эти причины приводят к возникновению очень сильной радиационной инверсии в пониженных местах, где будет наблюдаться застой воздуха, а над верхней границей этой инверсии может существовать сильный ветер, и будут наблюдаться сильные вертикальные сдвиги ветра. При этом в низине может быть радиационный туман.

в) Адвективные – при адвекции теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность происходит его охлаждение снизу от поверхности земли и возникает инверсия, при которой обмен количеством движения между слоями нарушается. При этом ветер у земли может быть слабым, а на небольшой высоте (100-200 м) достигать существенных значений (≥ 10 м/с). Здесь могут наблюдаться туман, низкая облачность, моросящие осадки. В приземном слое могут наблюдаться существенные вертикальные сдвиги ветра.

3) Зоны атмосферных фронтов.

Приближение холодного фронта связано с появлением вынужденной динамической конвекции и возникновением мощных кучево-дождевых облаков, вызывающих ливни, грозы, горизонтальные и вертикальные сдвиги ветра, вертикальные потоки, турбулентность, «фронты порывов». Все эти явления могут дополнительно усиливаться за счет термической конвекции, наблюдающейся в дневное время летом. При прохождении холодных фронтов наиболее сильные вертикальные сдвиги ветра (≥ 5 м/с на 30 м высоты) в приземном слое связаны с моментом усиления ветра во фронтальной зоне. В более высоких слоях, несмотря на значительные скорости ветра, за счет сильной турбулентности формируется выровненный вертикальный профиль ветра с малыми вертикальными сдвигами ветра. Вертикальный сдвиг ветра на холодном фронте в нижнем 100 м слое над равниной оценивается по графику, который учитывает контраст температур в зоне фронта и скорость его перемещения.

В зонах теплых фронтов опасность представляет вертикальный сдвиг ветра,

в то время как сильные горизонтальные сдвиги ветра, вертикальные потоки и турбулентность, встречаются редко.

В зоне теплого фронта сильные сдвиги ветра в пограничном слое обусловлены изменениями скорости и направления ветра с высотой. При этом вертикальные сдвиги ветра перед теплым фронтом и в зоне его усиливаются до сильных, если

в слое до 500 м (по шаропилотным данным или по сообщениям экипажей) наблюдается скорость ветра 20 м/с и более и резкий поворот ветра с высотой

(30° и более в 100 м слое). Летом в зоне теплого фронта могут развиваться мощные кучево-дождевые облака, которые будут вызывать явления, свойственные для условий интенсивной конвективной деятельности.

На фронтах окклюзии наблюдается резкое усиление турбулентности в зоне окклюдирования, возможные сильные вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, вертикальные потоки на общем повышенном фоне турбулентности в нижних слоях атмосферы. На фронтах окклюзии происходит распределение метеоэлементов и те явления, которые характерны для фронтальной зоны того вида фронта, по которому возникла окклюзия.

4) Низкотропосферные струйные течения.

В приземном слое атмосферы могут наблюдаться струйные течения низких уровней, называемые иногда «мезоструями», возникающие по ряду причин.

Фронтальные струйные течения связаны с процессами циклогенеза и прохождения фронтов через пункт наблюдения. Эти струйные течения наиболее интенсивны, скорость их может превышать 30 м/с; они устойчивы, могут существовать в течение суток, достигая протяженности в несколько сотен км. Высота положения и интенсивность фронтального струйного течения зависит от вида и интенсивности фронта, с которым оно связано.

В зонах теплых фронтов струйные течения в пограничном слое (в нижнем 1000 м слое) чаще всего наблюдаются впереди фронта на расстоянии до 150-200 км от линии фронта у поверхности земли на высотах от 300 до 1000 м; с приближением теплого фронта к пункту наблюдения высота положения оси струи снижается.

В зонах холодных фронтов струйные течения нижних уровней могут наблюдаться на тех же высотах, что и в случае теплого фронта, но они встречаются как перед холодным фронтом, так и в его тылу. Образование струйных течений вблизи холодных фронтов происходит реже, чем вблизи теплых. В районах со сложной орографией и смешанным ландшафтом струйные течения в нижнем слое могут быть связаны с фёновыми явлениями, ветрами типа боры, бризовой

циркуляцией и т.п.

К орографическим струйным течениям относятся течения, связанные с формированием горно-долинных ветров и другими местными циркуляциями. Высота таких течений над землей составляет около 100-200 м, а наибольшая скорость – около 10 м/с. С эффектом орографии связаны смешанные типы струйного течения, возникающие при приближении фронтов к горным массивам. Скорость ветра в таких смешанных фронтально-орографических струйных течениях может достигать очень больших значений (> 30 м/с).

Сложность пилотирования при пересечении струйных течений нижних уровней обусловлена тем, что при заходе на посадку или взлете будет происходить резкое изменение скорости встречного ветра.

Кроме того, «мезоструи» могут наблюдаться в условиях низкой облачности, осадков, ухудшенной видимости и тумана, что осложняет пилотирование в этих условиях.

5) Влияние орографии и подстилающей поверхности.

При одинаковых метеорологических условиях сдвиги ветра больше в условиях пересеченной местности, чем над равниной. При обтекании горы воздушным потоком, имеющим скорость 50 км/ч и более и при направлении ветра, перпендикулярном линии горного хребта (или при отклонении до 50°),

на наветренной стороне (перед горой) формируется восходящий поток, увеличиваются горизонтальные и вертикальные сдвиги ветра и турбулентность. Над вершиной горы линии тока сгущаются, скорость ветра и вертикальные сдвиги возрастают.

Рис. 28: Вихреобразование при срыве воздушного потока с кромки горного хребта

По вертикали деформация воздушного потока может быть в 2-5 раз больше высоты препятствия. На подветренной стороне воздушный поток испытывает наибольшую деформацию – здесь встречаются самые сильные сдвиги ветра и турбулентность, причем размеры (протяженность по горизонтали) возмущенной зоны могут во много раз превышать протяженность самого препятствия.

Рис. 29: Зона сильной болтанки на подветренной стороне горного хребта

Особую опасность для ВС в этой зоне представляют возникающие «роторные» вихри с горизонтальной осью, имеющие радиус 100 м и более, в которых могут отмечаться чрезвычайно сильные (более 10 м/с) вертикальные потоки и отдельные порывы. При большой влажности воздуха на подветренной стороне развиваются отдельные формы облаков, являющиеся лучшим средством предупреждения пилота о встрече с большими сдвигами ветра и турбулентностью. К таким облакам можно отнести: шапкообразные, вихревые, линзообразные (чечевичнообразные) и перламутровые облака.

Рис. 30: Роторы на подветренной стороне гор

При значительных скоростях ветра у земли (≥ 15 м/с) даже на равнинных аэродромах могут возникать существенные сдвиги ветра и турбулентность в приземном слое, вызываемые мелкими неровностями рельефа (овраги, склоны, небольшие холмы), а также крупными строениями вблизи ВПП (ангары, высокие здания, мачты, трубы и т.п.).

Горизонтальные сдвиги ветра и турбулентность при больших скоростях ветра могут возникать на границе резкого изменения шероховатости подстилающей поверхности, например, при переходе от водной поверхности к суше, от леса к полю и т.п.

6) Суточные и сезонные изменения ветра.

В условиях, близких к неустойчивости (день, лето) скорость ветра до высоты

30-40 м от земли резко увеличивается, и сдвиги ветра резко возрастают,

выше 50 м профиль ветра обычно сглажен и сдвиги ветра меньше.

В условиях устойчивости, особенно при инверсии (ночь, зима) в нижнем слое

30-40 м профиль ветра слабо выражен, скорость незначительна, выше 50 м может наблюдаться резкое увеличение скорости ветра с высотой и изменение его направления, и возрастание сдвигов ветра. Поэтому при учете вклада суточного и годового хода ветра для оценки возможных сдвигов ветра следует уделять особое внимание случаям, при которых формирующиеся за счет нестационарных процессов сдвиги ветра (на фронтах, у грозовых очагов и т.п.) дополнительно усиливаются за счет указанного суточного и годового хода.