風勾配

一般的な用法では、風勾配、より具体的には風速勾配^[1] または風速勾配^[2]、あるいは剪断風^[3]は、下層大気の平均水平風速の勾配の鉛直成分です。^[4]これは、地表からの高さの単位増加に対する風の強さの増加率です。^[5]^[6]メートル法の単位では、速度のメートル毎秒、高度のキロメートル毎秒(m/s/km)の単位で測定されることが多く、剪断速度にも使用される単位の逆ミリ秒 (ms ⁻¹ )を短縮します。

簡単な説明

地表摩擦により地表風は地表近くで減速・方向を変え、低気圧に向かって直接吹く。これは、地表よりかなり上のほぼ摩擦のない流れの風と比べると顕著である。^[7]地表摩擦により風速が遅くなり風向が変わるこの下層は、惑星境界層として知られている。日中の日射による太陽熱で境界層が厚くなるのは、地球の熱い表面と接触して暖められた空気が上昇し、上空の空気とますます混ざるためである。夜間の放射冷却により、境界層より上の風から地表の風が徐々に分離され、地表近くの垂直方向の風のせん断（風勾配とも呼ばれる）が増加する。

特徴づけ

通常、空気抵抗により、特に地球表面から数百メートル上空、つまり惑星境界層の表層では、風の流れに風勾配が生じます。風速は、滑りのない状態^[6]により、ゼロ^[^疑わしい^–^議論が^必要]から始まり、地上からの高さが増すにつれて増加します。^[8]地表付近の流れは、風速を低下させる障害物に遭遇し、流れの主方向に対して直角にランダムな垂直方向と水平方向の速度成分を導入します。^[9] この乱流により、さまざまなレベルで水平に移動する空気が垂直方向に混合され、汚染物質^[1]、ほこり、浮遊する砂や土の粒子の拡散に影響を及ぼします。^[10]

地表付近での風速の低下は、地表の粗さの関数です。風速プロファイルは、地形の種類によって大きく異なります。^[8]粗く不規則な地面や地上の人工障害物は、地表付近の空気の動きを遅らせ、風速を低下させます。^[4]^[11]水面は比較的滑らかなので、海の近くでは陸上ほど風速が低下しません。^[12]都市や起伏のある地形では、風勾配効果により上空の地衡風速が 40% ～ 50% 低下する可能性がありますが、開水面や氷上では、低下は 20% ～ 30% にとどまる場合があります。^[13]^[14]

工学的目的のため、風勾配は、表面の種類に基づいて一定の指数係数を持つべき乗法則に従って変化する垂直速度プロファイルを示す単純なせん断としてモデル化されます。表面摩擦が風速にほとんど影響を与えない地上からの高さは「勾配高さ」と呼ばれ、この高さ以上の風速は「勾配風速」と呼ばれる定数であると想定されます。^[11]^[15]^[16]たとえば、予測される勾配高さの一般的な値は、大都市では457 m、郊外では366 m、開けた地形では274 m、外海では213 mです。^[17]

べき乗法則の近似は便利ですが、理論的根拠はありません。^[18]温度プロファイルが断熱的である場合、風速は高度とともに対数的に変化するはずです。 ^[19] 1961年に開けた地形で行われた測定では、高度100メートル程度までは対数近似とよく一致し、高度1000メートルまでは平均風速がほぼ一定でした。^[20]

風のせん断は通常3次元的であり、[ 21 ^]つまり、「自由な」圧力駆動の地衡風と地面近くの風の間でも方向が変わります。^{[22]これは}エクマン螺旋効果に関連しています。表面近くの転向した地衡風の等圧線交差角は、開水面上で10°、起伏の多い丘陵地帯上で30°の範囲で、風速が非常に低い夜間には陸上で40°～50°に増加することがあります。^[14]

日没後、地表付近の風勾配は安定度が増すとともに増加する。^[23] 夜間に放射冷却によって生じる大気の安定は乱流渦を垂直方向に封じ込める傾向があり、風勾配が増加する。^[10]風勾配の大きさは対流境界層の高さに大きく左右され、この影響は陸上と異なり境界層の高さの日変化がない海上ではさらに大きくなる。^[24] 対流境界層では強い混合により垂直方向の風勾配が減少する。^[25]

意味合い

エンジニアリング

建物の設計では風荷重を考慮する必要があり、風荷重は風勾配の影響を受ける。建築基準法で通常想定されるそれぞれの勾配レベルは、都市部では500メートル、郊外では400メートル、平坦な開けた地形では300メートルである。^[26] 工学上の目的では、べき乗法則風速プロファイルは次のように定義される：^[11]^[15] ここで： $v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{1/\alpha },0<z<z_{g}$

$v_{z}$ = 高度における風速 $z$
$v_{g}$ = 勾配高さにおける風速 $z_{g}$
$\alpha$ = 指数係数

風力タービン

風力タービンの運転は風の勾配の影響を受ける。垂直方向の風速プロファイルにより、地面に最も近いブレードとブレード移動の頂点の風速が異なり、非対称の負荷が生じる。^[27]ブレードが垂直の場合、風の勾配により2枚ブレードのタービンのシャフトに大きな曲げモーメントが生じる可能性がある。^[28]水上では風の勾配が小さいため、（浅い）海に設置された風力発電所では、より短くて安価な風力タービンタワーを使用できる。^[12]風力タービンは、最終的に発生する風の勾配をシミュレートする風洞でテストすることが望ましいが、これはめったに行われていない。 ^[29]

風力タービン工学では、風速の高さによる多項式変化は、基準高さ10メートルで測定された風を基準として次のように定義できます。 [ ^27] $\ v_{w}(h)=v_{10}\cdot \left({\frac {h}{h_{10}}}\right)^{a}$

$v_{w}(h)$ = 高度における風速 [m/s] $h$
$v_{10}$ = 風速 [m/s]、高さ= 10 メートル $h_{10}$
$a$ = ヘルマン指数

ヘルマン指数は、海岸沿いの位置、地上の地形の形状、空気の安定性に依存します。ヘルマン指数の値の例を下の表に示します。^[30]

滑空

滑空では、風の勾配がグライダーの離陸と着陸の飛行段階に影響します。風の勾配は地上からの発進に顕著な影響を及ぼす可能性があります。風の勾配が著しい、または突然の場合、あるいはその両方で、パイロットが同じピッチ姿勢を維持する場合、指示された対気速度が増加し、最大地上発進牽引速度を超える可能性があります。パイロットは勾配の影響に対処するために対気速度を調整する必要があります。^[31]

着陸時には、特に風が強い場合には風の勾配も危険です。^[32]グライダーが着陸の最終進入時に風の勾配を通って降下すると、対気速度は低下し、降下率は増加し、地面に接触する前に加速する時間が足りません。パイロットは風の勾配を予測し、それを補うためにより高い進入速度を使用する必要があります。^[33]

風の勾配は、地面近くで急旋回する航空機にとっても危険です。比較的長い翼幅を持つグライダーでは特に問題となり、一定のバンク角に対してより大きな風速差にさらされます。各翼端で異なる対気速度が発生すると、片方の翼で空力失速が発生し、操縦不能事故を引き起こす可能性があります。^[33]^[34]各翼上の異なる気流によって発生するロールモーメントは、エルロンの制御権限を超え、グライダーがさらに急なバンク角までロールし続ける原因となる可能性があります。^[35]

セーリング

セーリングでは、風の勾配はマストに沿った異なる高さで帆に異なる風速を与えることでヨットに影響を与えます。方向も高さによって変化しますが、船員はこれを「風のシア」と呼びます。^[36]

マストヘッド計器が示す見かけの風速と風向は、船員が水面近くで見て感じるものとは異なります。^[37]^[38] 帆職人は、高さに応じて揚力分布を変えるために、帆の先端を帆の根元とは異なる迎え角に設定するなど、帆の設計にセイルツイストを導入することがあります。風の勾配の影響は、セイルデザインのツイスト選択に考慮に入れることができますが、風の勾配は気象条件によって大きく異なる可能性があるため、これを予測するのは難しい場合があります。^[38]船員は、ブームバングを使用するなどして、風の勾配を考慮してセイルのトリムを調整することもあります。^[38]

ある情報源によると^[39]、風速が6ノットを超える場合、風の勾配は帆船にとって重要ではない（地表での風速10ノットは300メートルで15ノットに相当するため、帆船のマストの高さを超えると速度の変化は無視できる）。同じ情報源によると、風速5ノットでは高度10メートルまでは風が着実に強くなるが、それより弱い場合は弱くなる。その情報源によると、平均風速が6ノット以上の風では、高度による速度の変化はほぼ完全に地表から1メートルまたは2メートルの範囲に限られる。^[40] これは、高度2メートルを超えると風速の変化が非常に小さいことを示している別の情報源^[41]や、オーストラリア気象局の声明^[42]と一致しており、それによると、空気が不安定な場合は差は5％ほどになる可能性がある。^[43]

カイトサーフィンでは、パワーカイトが20～30mのライン上で飛ばされるため、風の勾配がさらに重要になり、^[44]カイトサーファーはカイトを使って水面からジャンプし、カイトを海面からさらに高い位置まで持ち上げることができます。

音の伝播

風勾配は下層大気中の音の伝播に顕著な影響を及ぼす可能性がある。この影響は、霧笛、雷、ソニックブーム、銃声、ミストポウファーなどの他の現象など、遠方の発生源からの音の伝播を理解する上で重要である。また、道路騒音や航空機騒音などの騒音公害を研究する上でも重要であり、防音壁の設計では考慮する必要がある。^[45] 高度とともに風速が増加すると、発生源から聞き手に向かって吹く風が音波を下方に屈折させ、防音壁の風下で騒音レベルを増加させる。^[46] これらの影響は、1960年代に防音壁の有効性の変動に対処するために高速道路工学の分野で初めて定量化された。^[47]

太陽が地球の表面を温めると、大気中に負の温度勾配が生じます。温度が下がると音速も低下するため、これもまた負の音速勾配を生み出します。^[48]音波面は地面近くでより速く伝わるため、音は地上の聴取者から離れて上方に屈折し、音源から少し離れたところに音響の影を作り出します。 ^[49]音路の曲率半径は速度勾配に反比例します。^[50]

風速勾配が 4 (m/s)/km の場合、典型的な温度減率7.5 °C/km に相当する屈折が生じる可能性があります。^[51]風速勾配の値が高いほど、風下方向の表面に向かって音が下向きに屈折し、^[52]風下側の音響影がなくなります。これにより、風下の音が聞き取りやすくなります。この風下屈折効果は、風勾配があるために発生します。つまり、音は風によって運ばれないのです。^[53]

通常、風勾配と温度勾配の両方が存在します。その場合、状況と観測者の位置に応じて、両方の効果が加算されたり減算されたりする可能性があります。^[54] 風勾配と温度勾配は複雑な相互作用を持つこともあります。たとえば、霧笛は音源に近い場所と遠い場所では聞こえますが、その間の音の影では聞こえません。^[55] 横方向の音の伝播の場合、風勾配は無風状態と比較して音の伝播を顕著に変化させません。勾配効果は風上と風下の状況でのみ重要であるようです。^[56]

音の伝播に関しては、風速の高さに対する指数関数的な変化は次のように定義される。^[46] ここで、 $U(h)=U(0)h^{\ゼータ }$ ${\frac {dU}{dh}}=\ゼータ {\frac {U(h)}{h}}$

$U(h)$ = 高度における風速であり、定数である。 $h$ $U(0)$
$\zeta$ = 地表面粗さに基づく指数係数、通常は0.08～0.52
${\frac {dU}{dh}}$ = 高度における予想される風勾配 $h$

1862年のアメリカ南北戦争のイウカの戦いでは、北東の風によって増強されたと思われる音響の影により、北軍の2個師団が戦闘に参加できなかった。^[57]風下6マイルの戦闘の音が聞こえなかったためである。^[58]

科学者は1900年代半ばから風勾配が音の屈折に与える影響を理解していましたが、米国騒音規制法の制定により、この屈折現象は1970年代初頭から広く利用されるようになり、主に高速道路からの騒音伝播の検討や交通施設の設計に利用されるようになりました。^[59]

風勾配上昇

風勾配ソアリングはダイナミックソアリングとも呼ばれ、アホウドリなどの飛翔する鳥が使用する技術です。風勾配が十分な大きさであれば、鳥は対気速度を維持しながら、対地速度を高度と交換して風勾配内に上昇することができます。^[60]その後、風下に向かって向きを変え、風勾配を通り抜けることで、エネルギーを得ることもできます。^[61]

参照

風のせん断

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[Jobson-37] ジョブソン、ゲイリー (1990)。チャンピオンシップ戦術: 誰でもより速く、より賢く、そしてレースに勝つ方法。ニューヨーク: セント・マーチンズ・プレス。323 ページ。ISBN 978-0-312-04278-3見かけの風向が片方のタックでもう一方のタックより小さい場合、風のシアに気付くことはありません。見かけの風向はボートの速度と風速の組み合わせであり、セーリング速度は、ある方向よりも他の方向の水の状態によって決まるからです。つまり、ボートが速く進むほど、見かけの風はより「前方」になります。これが、「クローズリーチ」方向が最速のセーリング方向である理由です。これは、ボートの速度が上がると、見かけの風向が帆を失速させることなくどんどん前方に進み、見かけの風速も増加するため、ボートの速度がさらに増加するからです。この特定の要素は、砂地ヨットで最大限に活用されます。砂地ヨットでは、静止した観測者によって測定された風速を超えることがよく起こります。マストヘッドの風速はデッキレベルよりも高いため、風のシアが確実に感じられます。したがって、乗組員が十分に注意しないと、突風で小型のセーリングボートが簡単に転覆する可能性があります。

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