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風せん断（/ ʃ ɪər / 、ウィンドシアとも表記）は、風勾配とも呼ばれ、大気中の比較的短い距離における風速 や風向の差である。大気の風せん断は、通常、垂直風せん断または水平風せん断として説明される。垂直風せん断は、高度の変化に伴う風速または風向の変化である。水平風せん断は、特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ある。[1]
風せん断は、非常に短い距離で発生するマイ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などのメソスケールまたは総観スケールの気象特性と関連付けられることがあります。雷雨、前線、低層ジェットと呼ばれる局所的に低層の風が強い領域、山の近く、晴天と風が穏やかであるために発生する放射逆転、建物、風力タービン、帆船などによって引き起こされるマイクロバーストやダウンバーストの近くでよく観測されます。風せん断は航空機の制御に重大な影響を及ぼし、多くの航空機事故の唯一の原因、または一因となっています。
大気中の音の動きは風のせん断の影響を受け、風のせん断によって波面が曲げられ、通常は聞こえない場所で音が聞こえるようになります。また、対流圏内の強い垂直風のせん断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まとめ、激しい天候を引き起こすのに役立ちます。熱風の概念は、異なる高度での風速の違いが水平温度の違いにどのように依存するかを説明し、ジェット気流の存在を説明します。[2]
意味
風せん断とは、水平または垂直方向の風速の変化を指します。飛行機のパイロットは一般に、軽飛行機の場合は水平方向の対気速度が 30ノット(15 m/s)、飛行高度での旅客機の場合は 45 ノット (23 m/s) 近く変化することを重大な風せん断と見なします。 [3]垂直速度の変化が 4.9 ノット (2.5 m/s) を超える場合も、航空機の重大な風せん断とみなされます。低レベルの風せん断は、離着陸時に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風せん断 (向かい風による損失が 30 ノット [15 m/s] を超える) を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は次のとおりです。[要出典]
- マイクロバーストの強度は1分以内に2倍になる可能性があり、
- 風向きが横風に変わり、
- 40～50ノット（21～26 m/s）は低高度作戦のいくつかの段階で生存可能な閾値であり、
- 歴史上の風切事故のいくつかでは、35～45ノット（18～23 m/s）のマイクロバーストが関与していました。
風のせん断も激しい雷雨の発生の重要な要因です。風のせん断は乱気流のさらなる危険を伴うことがよくあります。[要出典]
発生
せん断が観測される気象状況には次のようなものがあります。
- 気象前線。前線を挟んだ温度差が5℃（9℉）以上で、前線が30ノット（15m/s）以上の速度で移動すると、顕著な風のせん断が観測される。前線は3次元の現象であるため、前線のせん断は地表から対流圏界面までのどの高度でも観測でき、水平方向と垂直方向の両方で観測できる。温暖前線上の垂直風のせん断は、寒冷前線の近くや後ろよりも継続時間が長いため、航空上の懸念事項である。[2]
- 上層ジェット気流。上層ジェット気流に関連して、晴天乱気流（CAT）と呼ばれる現象が発生します。これは、ジェット気流の端の風の勾配に関連する垂直および水平の風のせん断によって引き起こされます。[5] CATは、ジェットの高気圧せん断側で最も強く、[6]通常はジェットの軸の隣またはすぐ下にあります。[7]
- 低層ジェット気流。夜間に寒冷前線に先立って地球表面上に低層ジェット気流が形成されると、低層ジェット気流の下部付近で顕著な低層垂直風せん断が発生することがあります。これは近くの雷雨によるものではないため、非対流風せん断とも呼ばれます。[2]
- 山々。[8]
- 逆転層。晴れて穏やかな夜に、地表近くで放射逆転層が形成されると、逆転層の上部の風は摩擦の影響を受けない。風向は90度、風速は40ノット（21 m/s）になることがある。夜間（一晩中）の低層ジェット気流が観測されることもある。これは日の出に向かって最も強くなる傾向がある。密度差は航空にさらなる問題を引き起こす。[2]
- ダウンバースト。親雷雨から地表近くに広がる雨で冷やされた空気の浅い層によって流出境界が形成されると、3次元境界の前縁で速度と方向の風のせん断が発生する可能性があります。流出境界が強くなるほど、結果として生じる垂直方向の風のせん断も強くなります。[9]
水平成分
気象前線
気象前線は、密度が異なる、または温度と湿度の特性が異なる2 つの空気塊の境界であり、通常は風の場における収束帯であり、重大な天候の主な原因です。地表気象解析では、さまざまな色の線と記号を使用して表されます。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ーはこの境界付近で発生します。寒冷前線は、狭い帯状の雷雨と悪天候を特徴とし、スコールラインと乾燥線が先行する場合があります。寒冷前線は、温暖前線よりも顕著な水平方向の風のシアーを伴う、より鋭い地表境界です。前線が停滞すると、シアーラインと呼ばれる、風速の異なる領域を分け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。熱帯地方では、熱帯波動が大西洋と東太平洋盆地を東から西に移動します。北風が波軸に先行し、南東風が波軸の後ろに見られるため、強い熱帯波の軸を横切って方向および速度のシアが発生する可能性があります。水平風のシアも、地元の陸風と海風の境界に沿って発生する可能性があります。[10]
海岸線の近く
沖合の風の強さは陸上の風速のほぼ2倍です。これは陸地と沖合の海域の摩擦の違いによるものです。特に日中に地元の海風が陸上の風を変えると、風向に違いが出ることもあります。[11]
垂直成分
熱風
熱風は気象用語で、実際の風を指すのではなく、2つの圧力レベルp 1とp 0の間の地衡風の差（ p 1 < p 0）を指します。本質的には風のシアーです。これは、水平方向の温度変化がある大気（または水平方向の密度勾配がある海洋）にのみ存在します（つまり、傾圧性） 。温度が均一な順圧大気では、地衡風は高度とは無関係です。この名前は、地衡風が低圧（および高圧）領域の周りを流れるのと同じように、この風が低圧（および高温）領域の周り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の単位ベクトルです。熱風方程式は熱帯地方の風を決定しません。赤道付近などではfが小さいかゼロなので、方程式は∇( φ 1 − φ 0 )が小さいことを述べるものに簡略化されます。[12]
この式は基本的に、ジェット気流の存在を説明しています。ジェット気流は、対流圏界面近くで最大風速を持つ西向きの空気の流れであり、赤道と極の間の温度差によって生じます (他の要因も重要ですが)。[引用が必要]
熱帯低気圧への影響
熱帯低気圧は、本質的には、暖かい熱帯海面と冷たい上層大気の間の温度勾配によって動く熱機関です。熱帯低気圧の発達には、比較的低い垂直風せん断値が必要です。そうすることで、暖かい中心が表面循環中心より上に留まり、激化が促進されます。強いせん断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ります。[引用が必要]
雷雨や悪天候への影響
竜巻や雹を伴う嵐を引き起こす激しい雷雨は、雷雨を長期間維持するために嵐を組織化するために風のせん断を必要とする。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発生する。夜間の低層ジェット気流の増加は、対流圏を通る垂直風のせん断を増加させ、悪天候の可能性を高める可能性がある。実質的に垂直風のせん断のない大気中の雷雨は、すべての方向に流出境界を送り出すとすぐに弱まり、比較的暖かく湿った空気の流入を急速に遮断して雷雨を消散させる。[14]
惑星境界層
地表の摩擦と上空の風による大気の影響により、地表の風は地表よりかなり上の摩擦のない流れの風と比較して、地表付近で反時計回りに減速し、等圧線（等圧線）を内側に吹き抜ける。[15] [検証失敗]摩擦によって風速が遅くなり風向きが変わるこの層は惑星境界層、またはエクマン層と呼ばれ、日中に最も厚く、夜間に最も薄くなる。日中の加熱により境界層が厚くなり、地表の風は日射、つまり太陽熱によって上空の風とますます混ざり合うようになる。夜間の放射冷却により地表の風が静まり風せん断が増加するため、地表の風と境界層上の風との分離がさらに強化される。これらの風の変化により境界層と上空の風との間に風せん断が生じ、夜間に最も顕著になる。[要出典]
飛行への影響
滑空
滑空では、地表のすぐ上の風の勾配がグライダーの離陸と着陸の段階に影響します。風の勾配は、ウインチ発進やワイヤー発進とも呼ばれる地上発進に顕著な影響を及ぼすことがあります。風の勾配が著しい、または突然、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。[16]
着陸時には、特に風が強い場合には、風のせん断も危険です。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。[17]
ウインドシアは、地面近くで急旋回する航空機にとっても危険です。これは、比較的長い翼幅を持つグライダーにとって特に問題であり、一定のバンク角で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を経験すると、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。[17] [18]
パラシュート
風のせん断または風の勾配は、パラシュート降下者、特にベースジャンプやウイングスーツ飛行者にとって脅威です。スカイダイバーは、風向や風速の突然の変化によってコースから押し出され、橋、崖、木、他のスカイダイバー、地面、その他の障害物に衝突しています。[引用が必要]スカイダイバーは、キャノピー衝突やキャノピー反転などの事故を防ぐために、着陸時に方向の変化を補正するために、開いたキャノピーの位置を定期的に調整します。[引用が必要]
舞い上がる
風のせん断に関連したソアリングは、ダイナミックソアリングとも呼ばれ、翼をはばたかさなくても飛行を維持できるアホウドリなどの飛翔鳥が使用する技術です。風のせん断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の勾配内に上昇することができます。 [19]その後、風下に向きを変え、風の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。[20]また、まれに グライダーのパイロットが使用することもあります。
風のせん断によっても波が発生することがあります。これは、大気の逆転層が風向の大きな違いのある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上昇気流によって引き起こされる逆転層の歪みに遭遇すると、ソアリングに使用できる大きなせん断波が発生します。[21]
旅客機への影響
風せんは航空機にとって、特に離着陸時に非常に危険です。風速の急激な変化により対気速度が急激に低下し、航空機が高度を維持できなくなります。風せんは、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エアー1016便など、いくつかの致命的な事故の原因となっています。[要出典]
ウインドシアはドップラーレーダーを使って検知できる。[22] [23]空港には低高度ウイ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装備することができ、航空機には空中ウインドシア検知警報システムを装備することができる。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年までにすべての民間航空機に空中ウインドシア検知警報システムを装備することを義務付けた。ウイ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のターミナルドップラー気象レーダーステーションが設置されたことで、パイロットや地上管制官がウインドシア状態を回避しやすくなった。[24]
セーリング
風せん断は、マストに沿った高さによって風速と風向が異なり、航行中の帆船に影響を与えます。低レベルの風せん断の影響は、帆の設計において帆のねじれを選択する際に考慮することができますが、風せん断は気象条件によって大きく異なる可能性があるため、予測が難しい場合があります。船員は、ブームバングを使用するなどして、低レベルの風せん断を考慮して帆のトリムを調整することもあります。[25]
音の伝播
風のせん断は、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り、そこでは波が屈折現象によって「曲げられる」可能性がある。雷や銃声など、遠くの音源からの音が聞こえるかどうかは、せん断の量に大きく依存する。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を考慮する上で重要であり、防音壁の設計で考慮する必要がある。[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た。[27]
音速は温度によって変化する。通常、高度が上がるにつれて温度と音速は低下するため、音は地上の聞き手から上方に屈折し、音源から少し離れたところに音響の影ができる。 [28] 1862年、南北戦争 のイウカの戦いでは、北東の風によって強まっ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。[29]なぜなら、風下6マイルの戦闘の音が聞こえなかったからだ。[30]
建築への影響
風工学は、自然環境と人工環境に対する風の影響を分析する工学分野です。不快感を引き起こす可能性のある強風や、広範囲に及ぶ破壊を引き起こす可能性のある竜巻、ハリケーン、嵐などの極端な風が含まれます。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を活用しています。使用されるツールには、気候モデル、大気境界層風洞、数値モデルなどがあります。他のトピックの中でも、風が建物に与える影響を工学でどのように考慮する必要があるかが含まれます。[31]
風力タービンは風のせん断の影響を受けます。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、これがタービンの運転に影響を及ぼします。[32]この低レベルの風のせん断により、ブレードが垂直のときに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発生する可能性があります。[33]水上での風のせん断が減少するため、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]
参照
参考文献
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外部リンク
- 国立科学デジタル図書館 – 風のせん断