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風速シア（/ ʃɪər / ; windshearとも表記）は、風速勾配とも呼ばれ、大気中の比較的短い距離における風速 や風向の差のことです。大気風速シアは通常、垂直風速シアまたは水平風速シアとして記述されます。垂直風速シアは、高度の変化に伴う風速または風向の変化です。水平風速シアは、一定の高度における横方向の位置の変化に伴う風速の変化です。[ 1 ]
ウィンドシアは、非常に狭い範囲で発生するミクロスケールの気象現象ですが、スコールラインや寒冷前線といったメソスケールまたは総観スケールの気象現象と関連している場合があります。雷雨によるマイクロバーストやダウンバースト、前線、低層ジェットと呼ばれる局所的に強い低層風域、山岳地帯、晴天と無風によって発生する放射逆転層、建物、風力タービン、ヨットの近くでよく見られます。ウィンドシアは航空機の操縦に大きな影響を与え、多くの航空機事故の唯一の原因、あるいは一因となっています。
大気中の音の伝わり方は風のシアの影響を受け、波面が曲がって、通常では聞こえない場所で音が聞こえることがあります。対流圏内の強い鉛直風シアは熱帯低気圧の発達を阻害しますが、個々の雷雨をより長いライフサイクルに組織化し、激しい気象現象を引き起こす可能性があります。熱風の概念は、異なる高度での風速の違いが水平方向の温度差に依存することを説明し、ジェット気流の存在を説明します。[ 2 ]
ウィンドシアとは、水平方向または垂直方向のいずれかの距離における風速の変化を指します。航空機のパイロットは一般的に、飛行高度において、軽飛行機では水平方向の対気速度が30ノット（15m /s） 、旅客機では45ノット（23m/s）近く変化した場合を重大なウィンドシアとみなします。 [ 3 ]垂直方向の速度変化が4.9ノット（2.5m /s）を超える場合も、航空機にとって重大なウィンドシアとみなされます。低高度のウィンドシアは、離着陸時の航空機の対気速度に壊滅的な影響を与える可能性があり、旅客機のパイロットは、マイクロバーストウィンドシア（ 30ノット（15m /s ）を超える向かい風による速度低下）をすべて回避するように訓練されています。[ 4 ]この追加の注意の根拠には、次のものが含まれます。
風のシアは、激しい雷雨の発生における重要な要素でもある。風のシアは、しばしば乱気流という追加的な危険性を伴う。
シアが観測される気象状況には以下のようなものがあります。
気象前線は、密度や温度、湿度特性が異なる2 つの空気塊の境界であり、通常は風場の収束帯であり、大きな気象現象の主な原因です。地表気象解析では、さまざまな色の線や記号を使用して示されます。空気塊は通常、温度が異なり、湿度も異なる場合があります。水平方向の風のシアは、これらの境界付近で発生します。寒冷前線は、狭い帯状の雷雨や激しい気象現象を特徴とし、スコールラインやドライラインが先行する場合があります。寒冷前線は、温暖前線よりも地表境界が鋭く、水平方向の風のシアが大きくなります。前線が停滞すると、風速の異なる領域を分離する線、シアラインと呼ばれる線に退化することがありますが、前線を横切る風向は通常一定のままです。熱帯では、熱帯波が大西洋と東太平洋の海盆を東から西へ移動します。強い熱帯波の軸に沿って方向と速度のシアが発生することがあります。これは、北風が波の軸より前にあり、南東の風が波の軸より後ろに見られるためです。水平方向の風のシアは、局地的な陸風と海風の境界に沿って発生することもあります。[ 10 ]
沖合の風速は、陸上で観測される風速のほぼ2倍です。これは、陸地と沖合の水域との摩擦の違いによるものです。特に日中に局地的な海風が陸上の風を変える場合、風向の違いが生じることもあります。[ 11 ]
熱風は気象学用語で、実際の風を指すのではなく、2 つの気圧レベルp 1とp 0の間の地衡風の差( p 1 < p 0 ) を指します。つまり、本質的には風のシアです。これは、温度が水平方向に変化する大気 (または密度が水平方向に勾配のある海洋)、すなわち傾圧性がある場合にのみ存在します。温度が均一な順圧大気では、地衡風は高度に依存しません。この名前は、この風が地衡風が低圧(および高圧) の領域を流れるのと同じように、低温 (および高温) の領域を流れるという事実に由来しています。[ 12 ]
熱風方程式は
ここで、φはφ 1 > φ 0のジオポテンシャル高度場、fはコリオリパラメータ、kは鉛直方向の上向き単位ベクトルです。熱風方程式は熱帯の風を決定しません。赤道付近のようにfが小さいかゼロであるため、方程式は∇( φ 1 − φ 0 )が小さいことを述べることに簡略化されます。[ 12 ]
この方程式は基本的にジェット気流の存在を説明しています。ジェット気流とは、対流圏界面付近で最大風速を持つ西向きの気流であり、（他の要因も重要ですが）赤道と極の間の温度差の結果です。
熱帯低気圧は、本質的には、温暖な熱帯海洋表面とより冷たい上層大気との間の温度勾配によってエネルギーを得る熱機関である。熱帯低気圧の発達には、比較的低い鉛直風速シアが必要となる。これは、暖気核が地表循環中心よりも高い位置に留まり、それによって勢力を強めることができるためである。強いシアを受けた熱帯低気圧は、上層循環が低層中心から吹き飛ばされるにつれて弱まる。
竜巻や雹を伴う激しい雷雨は、雷雨をより長く維持できるように、嵐を組織化するために風のシアを必要とします。これは、嵐の流入が雨で冷やされた流出から分離されるときに起こります。夜間または夜間の下層ジェット気流が増加すると、対流圏を通る垂直風シアが増加するため、激しい気象現象の可能性が高まります。垂直風シアがほとんどない大気中の雷雨は、あらゆる方向に流出境界を放出するとすぐに弱まり、比較的暖かく湿った空気の流入が急速に遮断され、雷雨が消散します。[ 14 ]
上空の風と地表の摩擦による大気の影響により、地表付近の風は、地表よりはるか上空の摩擦のない流れの風と比較して、等圧線（等圧線）を越えて内側に向かって吹く際に、反時計回りに減速します。[ 15 ]この摩擦によって風が減速し変化する層は、惑星境界層、またはエクマン層として知られており、日中は最も厚く、夜間は最も薄くなります。日中の加熱により、地表の風は日射、つまり太陽加熱によって上空の風とますます混ざり合うため、境界層は厚くなります。夜間の放射冷却は、地表の風を穏やかにし、風のシアを増加させることで、地表の風と境界層より上の風との間の風の分離をさらに強めます。これらの風の変化は、境界層と上空の風との間に風のシアを引き起こし、夜間に最も顕著になります。
滑空飛行では、地表直上の風の勾配がグライダーの離陸と着陸の段階に影響を与えます。風の勾配は、ウインチ発進またはワイヤー発進とも呼ばれる地上発進にも顕著な影響を与える可能性があります。風の勾配が著しい場合、または急激な場合、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している場合、指示対気速度は増加し、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。[ 16 ]
着陸時には、風のシアも危険であり、特に風が強い場合は危険です。グライダーが着陸の最終進入で風の勾配を通過して降下すると、対気速度は低下し、沈下率は増加するため、地面に接触する前に加速する時間が不足します。パイロットは風の勾配を予測し、それを補うために進入速度を上げる必要があります。[ 17 ]
ウィンドシアは、地上付近で急旋回する航空機にとっても危険です。これは、比較的翼幅が長いグライダーにとって特に問題となります。翼幅が長いグライダーは、一定のバンク角に対してより大きな風速差にさらされるためです。各翼端で経験する対気速度の違いにより、片方の翼で空力失速が発生し、操縦不能事故につながる可能性があります。[ 17 ] [ 18 ]
風のシアや風の勾配は、パラシュート降下者、特にベースジャンプやウィングスーツ飛行を行う者にとって脅威となります。スカイダイバーは、風向や風速の急激な変化によってコースから外れ、橋、崖、木、他のスカイダイバー、地面、その他の障害物に衝突することがあります。スカイダイバーは、着陸時にキャノピーの衝突や反転などの事故を防ぐため、開いたキャノピーの位置を定期的に調整して、方向の変化に対応します。
風のシアに関連した滑空、または動的滑空と呼ばれるこの技術は、アホウドリなどの滑空する鳥が翼を羽ばたかせずに飛行を維持できるものです。風のシアが十分な大きさであれば、鳥は風の勾配に沿って上昇し、対気速度を維持しながら地上速度を高度と交換することができます。[ 19 ]その後、風下に向かって旋回し、風の勾配を急降下することで、エネルギーを得ることもできます。[ 20 ]また、まれにグライダーのパイロットが使用したこともあります。
風のシアによって波が発生することもあります。これは、大気逆転層が風向の大きな違いがある2つの層を分離するときに発生します。風が下から上昇するサーマルによって引き起こされる逆転層の歪みに遭遇すると、滑空に利用できる大きなシア波が発生します。[ 21 ]
ウィンドシアは、特に離着陸時に航空機にとって非常に危険です。風速の急激な変化は対気速度の急激な低下を引き起こし、航空機が高度を維持できなくなる可能性があります。ウィンドシアは、イースタン航空66便、パンアメリカン航空759便、デルタ航空191便、USエアウェイズ1016便など、数々の死亡事故の原因となっています。
ウィンドシアはドップラーレーダーを使用して検出できます。[ 22 ] [ 23 ]空港には低高度ウィンドシア警報システムまたはターミナルドップラー気象レーダーを設置でき、航空機には空中ウィンドシア検出および警報システムを設置できます。1985年のデルタ航空191便墜落事故を受けて、1988年に米国連邦航空局は、 1993年までにすべての商用航空機に空中ウィンドシア検出および警報システムを搭載することを義務付けました。ウィンドシアの影響を受けやすい米国の多くの空港に高解像度ターミナルドップラー気象レーダー局が設置されたことで、パイロットと地上管制官がウィンドシア状態を回避する能力がさらに向上しました。[ 24 ]
風のシアは、マストに沿った異なる高さで風速と風向が異なるため、航行中のヨットに影響を与えます。低レベルの風のシアの影響は、帆の設計における帆のねじれの選択に考慮に入れることができますが、風のシアはさまざまな気象条件で大きく変化する可能性があるため、これを予測することは困難です。セーラーは、ブームバングなどを使用して、低レベルの風のシアを考慮して帆のトリムを調整することもできます。[ 25 ]
風のせん断は、下層大気における音の伝搬に顕著な影響を与える可能性があり、そこでは波が屈折現象によって「曲げられる」ことがあります。雷や銃声などの遠方からの音の聞こえやすさは、せん断の量に大きく依存します。これらの異なる音レベルの結果は、道路騒音や航空機騒音などの騒音公害の検討において重要であり、防音壁の設計において考慮されなければなりません。[ 26 ]この現象は、1960年代に初めて騒音公害研究の分野に適用され、都市高速道路や防音壁の設計に貢献しました。[ 27 ]
音速は温度によって変化します。温度と音速は通常高度の上昇とともに低下するため、音は上方に屈折し、地上の聞き手から遠ざかり、音源からある程度離れた場所に音響の影を生じさせます。 [ 28 ] 1862年の南北戦争のイウカの戦いでは、北東の風によって強められたと考えられる音響の影により、北軍の2個師団が戦闘に参加できませんでした。[ 29 ]なぜなら、彼らは風下わずか6マイルの戦闘の音を聞くことができなかったからです。[ 30 ]
風工学は、自然環境および人工環境に対する風の影響を分析することに特化した工学分野です。これには、不快感を引き起こす可能性のある強風だけでなく、広範囲にわたる破壊を引き起こす可能性のある竜巻、ハリケーン、暴風雨などの極端な風も含まれます。風工学は、気象学、空気力学、およびいくつかの専門的な工学分野に基づいています。使用されるツールには、気候モデル、大気境界層風洞、および数値モデルがあります。これには、とりわけ、建物に影響を与える風を工学的にどのように考慮する必要があるかというトピックが含まれます。[ 31 ]
風力タービンは風速シアの影響を受けます。垂直方向の風速プロファイルにより、地面に近いブレードの風速は、ブレードが回転する最上部の風速と異なり、これがタービンの動作に影響を与えます。[ 32 ]この低レベルの風速シアは、ブレードが垂直になっているときに、2枚羽根のタービンのシャフトに大きな曲げモーメントを引き起こす可能性があります。[ 33 ]水上では風速シアが小さいため、浅い海ではより短く安価な風力タービンタワーを使用できます。[ 34 ]
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