Сдвиг ветра и турбулентность

Сдвиг ветра и турбулентность
Лектор: д.т.н. Гусейнов Н.Ш.
Сдвиг ветра (англ. Wind Shear) является
характеристикой пространственной изменчивости
ветра и определяется как векторная разность (или
градиент) скоростей ветра в двух точках
пространства, отнесенная к расстоянию между ними.
v v2  v1


z z 2  z1
Часто сдвиг ветра характеризуют более простой
формулировкой - изменение направления и(или)
скорости ветра в атмосфере на очень небольшом
расстоянии.
Виды сдвига ветра
В зависимости от ориентации в
пространстве двух точек, между которыми
определяется сдвиг ветра, различают
вертикальный и горизонтальный сдвиги
ветра. Кроме того, выделяются
вертикальные восходящие и нисходящие
потоки, представляющие собой движение
воздуха в вертикальном направлении в
небольших зонах с сечением порядка сотен
метров.
эффект увеличения встречного ветра
высота 0-200 фут
скорость ветра 120 КТ
порыв 110 КТ
высота 300 фут
скорость ветра 140
КТ
порыв 110 КТ
Вертикальный сдвиг ветра
Эффект потери встречного ветра - потеря
энергии
высота 300 фут
скорость ветра 130
КТ
порыв 100 КТ
высота 200 фут
скорость ветра 110 КТ
порыв 100 КТ
Горизонтальный сдвиг ветра
нисходящий поток воздуха
воздушная скорость 240 КТ
воздушная скорость 225 КТ
Микропорывы / нисходящий поток воздуха
ИКАО рекомендует следующие градации сдвига ветра по
признакам вертикального потока:
Сдвиг ветра
Влияние на
управление ВС
Слабый
Незначительное
Умеренный
Вертикальный
сдвиг ветра м/с
на каждые 30 м
высоты
Гориз. Сдвиг
ветра м/с на
каждые 600 м
расстояния
Скорость
восходящих или
нисходящих
0…..2,0
0…..2,0
0…..2,0
Значительное
2,1….4,0
2,1….4,0
2,1….4,0
Сильный
Существенные
затруднения
4,1…..6,0 4,1…..6,0 4,1…..6,0
Очень
сильный
Опасное
>6
>6
>6
Одним из надежных инструментов измерения сдвига
ветра на аэродромах являются доплеровские
метеорологические радиолокаторы (ДМРЛ). В ДМРЛ
применяется доплеровский метод измерения радиальной
скорости ветра и его направления.
На современных аэродромах применяются ДМРЛ с
различными тактико-техническими характеристиками,
которые могут иметь как многофункциональное назначение,
также и прикладное.
В нижеследующей ссылке указана интегрированная
система предупреждения о сдвига ветра на аэродроме
разработанная компанией VAISALA
http://www.vaisala.ru/ru/airports/largeaircarrier/windshear/Pa
ges/default.aspx
1.Скорость ветра с высотой резко увеличивается
Если посадка или взлет ВС происходит строго при встречном ветре то
путевая скорость будет равна разности воздушной скорости и скорости
ветра W=V-u.
При посадке ВС, движущееся против ветра, попадает в нижележащий слой
с более слабым встречным ветром. При этом по инерции оно сохраняет
свою путевую скорость, воздушная скорость уменьшается, следовательно,
уменьшается и подъемная сила. В результате фактическая траектория
движения проходит ниже заданной глиссады ВС «проваливается» и,
несмотря на увеличение пилотом силы тяги двигателей, посадка может быть
завершена недолетом. Аналогичная ситуация наблюдается при посадке с
попутным ветром, который с высотой ослабевает (рис. 1).
2. Скорость ветра с высотой резко уменьшается
При посадке ВС, движущееся против ветра, попадает в нижележащий слой с более
сильным встречным ветром. Воздушная скорость и подъемная сила увеличиваются.
Посадка в таких условиях сопровождается «подбрасыванием», перелетом заданной
точки касания ВПП и выкатыванием за пределы дальней концевой полосы
безопасности или за дальний конец ВПП (рис. 2).
Осложнения при взлете в случае ослабления встречного ветра с высотой
возникают из-за подъемной силы и “проваливания” ВС, вследствие чего
оно может выйти за нижний предел сектора безопасного набора высоты.
Так как при взлете практически нет возможности дополнительного резкого
увеличения силы тяги, то возникает опасность столкновения ВС с
окружающими аэродром препятствиями (высокие искусственные
сооружения, возвышенности).
Таким образом, наиболее опасными для полетов являются сдвиги ветра,
которые вызывают потерю высоты, так как при посадке они могут вызывать
касание ВС земли до торца ВПП, а при взлете - выход ВС за нижний предел
сектора безопасного набора высоты по курсу взлета.
Рис. Схема посадки ВС при боковом ветре
а) правый поворот ветра с высотой;
б) левый поворот ветра с высотой
Воздух
представляет
собой
чрезвычайно
подвижную среду, в которой движение частиц обычно
имеет беспорядочный или, так называемый,
турбулентный характер.
Турбулентность (от латинского слова «турбо» завихрения, водоворот) – это такое состояние
атмосферы, при котором образуются вихри разных
размеров, возникают горизонтальные и вертикальные
порывы ветра. Оси турбулентных вихрей быстро
меняют свое положение в пространстве и бывают
ориентированы в самых различных направлениях.
Турбулентность оказывает существенное влияние на
распространение звуковых и электромагнитных волн (особенно
ультракоротких волн). Но особенно велико влияние
турбулентности на полет ВС. Во время полета в турбулентной
зоне, при пересечении атмосферных вихрей ВС подвергается
воздействию вертикальных и горизонтальных порывов ветра.
При этом изменяется угол атаки крыла и подъемная сила,
происходит тряска «вибрация, воздушное судно испытывает
неупорядоченные броски вверх и вниз, создаются перегрузки, т
е. возникает болтанка ВС.
При полете на эшелоне:
умеренная болтанка
наблюдается при ∆n±0,5g….±1g;
сильная болтанка
наблюдается при ∆n> ±1g.
При взлете и посадке:
Умеренная болтанка наблюдается при ∆n±0,3g….. ±0,4g;
Сильная болтанка наблюдается при ∆n> ±0,4g.
 В зависимости от причин образования различают
следующие виды вертикальных движений воздуха:
-конвекция;
-восходящее скольжение;
-динамическая турбулентность;
-волновые движения.
Конвекция - это вертикально направленные
восходящие или нисходящие движения воздуха. Конвекция
может быть термической и вынужденной.
Восходящее скольжение -это наклонное движение
больших масс воздуха, которое наблюдается:
а) при натекании теплого воздуха на холодный воздух
на теплых фронтах
а)
ТВ
ХВ
Рис. Натекание теплого воздуха на холодный воздух
б) При натекании теплого воздуха на пологие склоны
гор
б)
ТВ
Натекание теплого воздуха на пологие склоны гор
в) При медленном подтекании холодного воздуха под теплый воздух на
холодном фронте
в)
конвекция
ХВ
ТВ
Медленное подтекание холодного воздуха под теплый
Термическая турбулентность (конвекция) возникает
из-за неравномерного прогрева подстилающей поверхности
или в результате натекания холодного воздуха на теплую
подстилающую поверхность при больших вертикальных
температурных градиентах.
•
Динамическую турбулентность вызывают следующие
причины:
• -трение движущегося воздушного потока о шероховатости
рельефа на земной поверхности;
• -неоднородность характера воздушного потока по направлению и
скорости;
• -волновые движения в слоях инверсии и изотермии.
•
Орографическая турбулентность возникает в горных
районах. Воздушный поток при обтекании горных препятствий
деформируется и, при определенных условиях, это приводит к
образованию зон с повышенной турбулентностью.
Повторяемость сильной турбулентности в горных районах при
одних и тех же метеорологических условиях значительно выше,
чем в равнинной местности.
Обратный поток и
турбулентность


При полетах выше 5 - 6 км встречается
турбулентность при ясном небе или
небольшом количестве облаков верхнего
яруса.
Опасность ее состоит в неожиданном
попадании ВС в эту зону, когда явные
признаки турбулентности отсутствуют.





Метеорологичесие условия образования
ТЯН следующие:
вертикальный градиент температуры 1° /100 м;
горизонтальный градиент температуры 2° /100 км;
вертикальный сдвиг ветра 8 м/с на 100 м;
горизонтальный сдвиг ветра 10 м/с на 100 км.
верхний воздушный
поток
Конвергенция
Дивергенц
ия
понижение
В
Дивергенция
восхождение
Н
Конвергенция

Волновые движения воздуха, возникающие на
подветренной стороне горного хребта любой высоты
при скорости ветра, направленной к горам, больше
12—15 м/с. Установившийся ветровой режим в виде
Г. в. может сохраняться от нескольких часов до двухтрех суток и охватывать всю тропосферу.
Распространяющиеся по ветру Г. в. на подветренной
стороне—короткие.
Их
длина
зависит
от
стратификации.

Различают следующие виды движений воздушного
потока над горным препятствием: ламинарное (при
очень слабых ветрах) течение, течение стоячего
вихря (при умеренных ветрах) с приблизительно
горизонтальной осью, волновое течение (при
увеличивающихся с высотой скоростях сильных
ветров в устойчиво стратифицированном потоке),
стационарный вихрь на подветренной стороне
(распадающийся на систему вихрей) и течение
ротора
(при
очень
сильных
ветрах
и
турбулизированном движении над препятствием).
Схематическое изображение подветренных волн. Ветер,
который дует в направлении горы, образует первое
колебание (A), которое повторяется после прохождения горы



Совершение полетов на малых высотах характеризуется
такими условиями:
1. Ограниченность обзора местности из кабины самолета.
Невозможность вести наблюдение удаленных ориентиров.
2. Большая угловая скорость перемещения ориентиров не
дает возможности быстро их распознать и затрудняет вести
визуальную ориентировку. Усложняется опознание
ориентиров еще и тем, что вести наблюдение нужно не в
плане, изображенном на карте, а в перспективе их
появления.





3. Уменьшается дальность действия радиотехнических
средств, уменьшается видимость наземных
светотехнических средств.
4. Пилоту трудно управлять самолетом и, одновременно,
вести наблюдение за ориентирами и препятствиями.
5. Скорость ветра уменьшается на малых высотах.
6. Сокращается продолжительность и дальность полета изза перерасхода топлива.
7. У компасов в районе магнитных аномалий наблюдаются
большие ошибки в показаниях.






Штурманам перед полетом на малых высотах нужно
дополнительно подготовиться. Штурман перед полетом обязан:
1. Если в задании отсутствует маршрут, то штурман должен
проложить маршрут, ориентируясь по легко опознаваемым
ориентирам, которые расположены на расстоянии 50–75 км друг
за другом.
2. Изучить тщательно все признаки контрольных ориентиров,
которые размещены по маршруту. Во время полета штурман
должен обнаружить их без карты.
3. Изучить детально рельеф местности по маршруту и в 25 км
зоне вокруг него.
4. Определить участки с хорошим радиотехническим
контролем.
5. Выбрать нужную высоту полета ориентируясь на условия
горизонтальной и вертикальной видимости указанных
ориентиров и с учетом восходящих потоков воздуха.


Полеты на больших высотах влияют на содержание
основных составляющих процесса пилотирования:
восприятие информации, зрительную ориентировку в
пространстве, управляющие движения летчика.
С увеличением высоты полета изменяются условия
восприятия. Привычный голубой цвет неба меняется на
темно-синий, повышается освещенность кабины,
наблюдаются резкие контрасты между светом и тенью,
затрудняющие восприятие. В результате этого после
наблюдения ярко освещенных облаков летчику необходимо
определенное время, для того чтобы он вновь смог
различать показания приборов.