|
|
|
| Windschering, ook wel windgradiënt genoemd, is een verschil in windsnelheid en/of -richting over een relatief korte afstand in de atmosfeer. Atmosferische windschering wordt normaal gesproken omschreven als verticale of horizontale windschering. Verticale windschering is een verandering in windsnelheid of -richting met een verandering in hoogte. Horizontale windschering is een verandering in windsnelheid met een verandering in laterale positie voor een bepaalde hoogte. |
| |
Windschering is een meteorologisch fenomeen op microschaal dat zich over een zeer kleine
afstand voordoet, maar kan in verband worden gebracht met weerskenmerken op mesoschaal- of synoptische schaal, zoals buienlijnen en koufronten. Het wordt vaak waargenomen in de buurt van microbursts en downbursts veroorzaakt door onweersbuien, fronten, gebieden met plaatselijk hogere lage winden, ook wel low-level jets genoemd, in de buurt van bergen, stralingsinversies die optreden als gevolg van een heldere hemel en kalme wind, gebouwen, windturbines, en zeilboten. Windschering heeft aanzienlijke gevolgen voor de besturing van een vliegtuig en is de enige of een bijdragende oorzaak van veel vliegtuigongelukken geweest. |
| |
| De beweging van geluid door de atmosfeer wordt beïnvloed door windschering, die het golffront kan verbuigen, waardoor geluiden hoorbaar worden op plaatsen waar ze normaal niet hoorbaar zijn. |
|
|
 |
Cirrus uncinus-ijskristalpluimen die
windschering op hoog niveau vertonen, met veranderingen in windsnelheid en -richting |
|
| |
| Sterke verticale windschering in de troposfeer remt ook de ontwikkeling van tropische cyclonen, maar helpt individuele onweersbuien in langere levenscycli te organiseren, wat vervolgens tot zwaar weer kan leiden. Het thermische windconcept legt uit hoe verschillen in windsnelheid op verschillende hoogtes afhankelijk zijn van horizontale temperatuurverschillen en verklaart het bestaan van de jetstream. |
| |
| Windschering verwijst naar de variatie van de windsnelheid over horizontale of verticale afstanden. Vliegtuigpiloten beschouwen aanzienlijke windschering over het algemeen als een horizontale verandering in de luchtsnelheid van 30 knopen (15 m/s) voor lichte vliegtuigen, en bijna 45 knopen (23 m/s) voor vliegtuigen op vlieghoogte. |
| |
| Verticale snelheidsveranderingen groter dan 4,9 knopen (2,5 m/s) kwalificeren ook als significante windschering voor vliegtuigen. Lage windschering kan de luchtsnelheid van vliegtuigen beïnvloeden tijdens het opstijgen en landen op rampzalige manieren, en piloten van lijnvliegtuigen zijn getraind om alle microburst-windschering te vermijden (tegenwindverlies van meer dan 30 knopen (15 m/s) De reden voor deze extra voorzichtigheid omvat: |
| |
| - de intensiteit van microbursts kan binnen een minuut of minder verdubbelen |
| - de wind kan omslaan in excessieve zijwind |
- 40-50 knopen (21-26 m/s) is de drempel voor overlevingskansen in sommige stadia van
operaties op lage hoogte. |
- Bij een aantal van de historische ongevallen met windschering waren microbursts van
35-45 knopen (18-23 m / s) betrokken. |
|
|
 |
| Door de neerwaartse wind en de bijbehorende virga kunnen deze wolken aan de oostelijke hemel bij burgerlijke schemering het noorderlicht in de Mojave-woestijn nabootsen. |
|
| |
| Windschering is ook een sleutelfactor bij de vorming van zware onweersbuien. Het extra gevaar van turbulentie wordt vaak geassocieerd met windschering |
| |
| Weersituaties waarbij schuifkracht wordt waargenomen zijn onder meer: |
| |
| Weerfronten: |
Er wordt aanzienlijke windschering waargenomen wanneer het temperatuurverschil over het front
5 °C of meer bedraagt, en het front beweegt met een snelheid van 30 knopen (15 m / s) of sneller. Omdat fronten driedimensionale verschijnselen zijn, kan frontale afschuiving op elke hoogte tussen oppervlak en tropopauze worden waargenomen, en daarom zowel horizontaal als verticaal worden waargenomen. Verticale windschering boven warmtefronten is vanwege hun langere duur meer een zorg voor de luchtvaart dan nabij en achter koude fronten. |
| |
| Jetstreams op het hoogste niveau: |
| In verband met straalstromen op het hoogste niveau is er een fenomeen dat bekend staat als heldere luchtturbulentie (CAT), veroorzaakt door verticale en horizontale windschering die verband houdt met de windgradiënt aan de rand van de straalstromen. De CAT is het sterkst aan de anticyclonische afschuifzijde van de jet, meestal naast of net onder de as van de jet. |
| |
| Straalstromen op laag niveau: |
| Wanneer zich 's nachts een nachtelijke laagvlieger boven het aardoppervlak vormt, vóór een koufront, kan zich een aanzienlijke verticale windschering op laag niveau ontwikkelen nabij het onderste gedeelte van de laagvliegende straal. Dit staat ook bekend als niet-convectieve windschering, omdat het niet te wijten is aan nabijgelegen onweersbuien. |
|
|
 |
| Microburst richting is naar beneden totdat de luchtstroom het grondniveau raakt, waarna deze zich in alle richtingen naar buiten verspreidt. Het windregime bij een microburst is volledig tegengesteld aan dat van een tornado. |
|
| |
| Inversies: |
Wanneer op een heldere en rustige nacht nabij de grond een stralingsinversie ontstaat, heeft de wrijving geen invloed op de wind boven de
bovenkant van de inversielaag. De windverandering kan 90 graden in richting en 40 knopen (21 m/s) in snelheid zijn. Zelfs 's nachts een straaljager op laag niveau soms kan worden waargenomen. Tegen zonsopgang is het meestal sterker. Verschillen in dichtheid veroorzaken extra problemen voor de luchtvaart. |
| |
| Downbursts: |
| Wanneer zich een uitstroomgrens vormt als gevolg van een ondiepe laag regengekoelde lucht die zich vanaf het oorspronkelijke onweer dichtbij het grondniveau verspreidt, kunnen zowel snelheid als gerichte windschering optreden aan de voorrand van de driedimensionale grens. Hoe sterker de uitstroomgrens is, hoe sterker de resulterende verticale windschering zal worden |
| |
| Horizontale component |
| |
| Weer fronten |
| Weerfronten zijn grenzen tussen twee luchtmassa's met verschillende dichtheden, of verschillende temperatuur- en vochtigheidseigenschappen, die normaal gesproken convergentiezones in het windveld zijn en de belangrijkste oorzaak zijn van significant weer. Binnen oppervlakte weeranalyses worden ze weergegeven met behulp van verschillende gekleurde lijnen en symbolen. De luchtmassa's verschillen meestal in temperatuur en kunnen ook verschillen in luchtvochtigheid. Windschering in het horizontale vlak vindt plaats nabij deze grenzen. Koudefronten zijn voorzien van smalle banden van onweersbuien en zwaar weer en kunnen worden voorafgegaan door buien en droogtelijnen. |
| |
| Koudefronten zijn scherpere oppervlaktegrenzen met een grotere horizontale windschering dan warmtefronten. Wanneer een front stilstaat, kan het degenereren tot een lijn die gebieden met verschillende windsnelheden scheidt, ook wel een schuiflijn genoemd, hoewel de windrichting over het front normaal gesproken constant blijft. In de tropen bewegen tropische golven zich van oost naar west over de bekkens van de Atlantische Oceaan en de oostelijke Stille Oceaan. Richting- en windschering kan optreden over de as van sterkere tropische golven, aangezien noordelijke winden voorafgaan aan de golfas en zuidoostelijke winden achter de golfas worden gezien. Horizontale windschering kan ook optreden langs de grenzen van de lokale landwind en zeewind. |
| |
| Dichtbij kustlijnen |
| De omvang van de offshore wind is bijna het dubbele van de windsnelheid die op land wordt waargenomen. Dit wordt toegeschreven aan de verschillen in wrijving tussen landmassa's en offshore-wateren. Soms zijn er zelfs richtingsverschillen, vooral als de lokale zeebries overdag de wind aan land verandert. |
| |
| |
| Thermische wind |
| Thermische wind is een meteorologische term die niet verwijst naar een daadwerkelijke wind, maar naar een verschil in de geostrofische wind tussen twee drukniveaus. Het is alleen aanwezig in een atmosfeer met horizontale temperatuurveranderingen of in een oceaan met horizontale dichtheidsgradiënten, dat wil zeggen barocliniteit. In een barotrope atmosfeer, waar de temperatuur uniform is, is de geostrofische wind onafhankelijk van de hoogte. De naam komt voort uit het feit dat deze wind rond gebieden met lage (en hoge) temperatuur stroomt op dezelfde manier als de geostrofische wind rond gebieden met lage en hoge druk stroomt. |
| |
| Effecten op tropische cyclonen |
Tropische cyclonen zijn in wezen warmtemotoren die worden aangedreven door de temperatuurgradiënt tussen het warme tropische oceaanoppervlak en de koudere bovenste atmosfeer. De ontwikkeling van tropische cyclonen vereist relatief lage waarden van verticale windschering, zodat hun warme kern boven hun oppervlaktecirculatiecentrum kan blijven,
waardoor intensivering wordt bevorderd. Sterk geschoren tropische cyclonen verzwakken naarmate de bovenste bloedsomloop wordt weggeblazen van het laaggelegen centrum. |
| |
| Effecten op zware onweersbuien |
| Bij zware onweersbuien, die tornado's en hagelbuien kunnen voortbrengen, is windschering nodig om de storm zo te organiseren dat de onweersbui voor een langere periode in stand blijft. Dit gebeurt wanneer de instroom van de storm wordt gescheiden van de door regen gekoelde uitstroom. Een toenemende nachtelijke of nachtelijke jet op lage hoogte kan het potentieel voor ernstige weersomstandigheden vergroten door de verticale windschering door de troposfeer te vergroten. Onweersbuien in een atmosfeer met vrijwel geen verticale windschering worden zwakker zodra ze een uitstroomgrens in alle richtingen uitzenden, die vervolgens de instroom van relatief warme, vochtige lucht snel afsnijdt en ervoor zorgt dat de onweersbui verdwijnt. |
|
|
 |
| Sterke windschering in de hoge troposfeer vormt de aambeeldvormige top van deze volwassen cumulonimbuswolk of onweersbui. |
|
| Planetaire grenslaag |
Het atmosferische effect van oppervlaktewrijving met winden omhoog dwingt de oppervlaktewinden om te vertragen en tegen de klok in terug te draaien nabij het aardoppervlak
en naar binnen te blazen over isobaren (lijnen van gelijke druk) in vergelijking met de winden in wrijvingsloze stroming ver boven het aardoppervlak. Deze laag waar wrijving vertraagt en de wind verandert, staat bekend als de planetaire grenslaag, soms de Ekman-laag,
en is overdag het dikst en 's nachts het dunst. Door verwarming overdag wordt de grenslaag dikker, omdat de wind aan het oppervlak steeds meer vermengd raakt met de wind omhoog als gevolg van zonnestraling of zonnewarmte. |
| |
| Stralingskoeling 's nachts verbetert de windontkoppeling tussen de wind aan het oppervlak en de wind boven de grenslaag verder door de oppervlaktewind te kalmeren, waardoor de windschering toeneemt. Deze windveranderingen dwingen windschering tussen de grenslaag en de wind omhoog en worden 's nachts het meest benadrukt. |
|
|
 |
| planetaire grenslaag op een zonnige dag |
|
| |
| Zweefvliegen |
Bij zweefvliegen beïnvloeden windgradiënten net boven het oppervlak de start- en landingsfasen van de vlucht van een zweefvliegtuig. Windgradiënt kan een merkbaar effect hebben op grondlanceringen, ook wel lierlanceringen of draadlanceringen genoemd. Als de windgradiënt aanzienlijk of plotseling is, of beide, en de piloot dezelfde pitch-houding aanhoudt, zal de aangegeven luchtsnelheid toenemen, mogelijk hoger dan de maximale grondlanceringssleepsnelheid. De piloot moet de luchtsnelheid aanpassen om het effect van de helling op te vangen. Bij het landen is windschering
ook een gevaar, vooral als de wind krachtig is. |
| |
| Terwijl het zweefvliegtuig bij de laatste nadering van de landing door de windgradiënt afdaalt, neemt de luchtsnelheid af terwijl de zinksnelheid toeneemt, en is er onvoldoende tijd om te accelereren voorafgaand aan grondcontact. De piloot moet anticiperen op de windgradiënt en een hogere naderingssnelheid gebruiken om dit te compenseren. |
| |
| Windschering is ook een gevaar voor vliegtuigen die steile bochten dichtbij de grond maken. Dit is vooral een probleem voor zweefvliegtuigen met een relatief lange spanwijdte, waardoor ze bij een gegeven hellingshoek aan een groter windsnelheidsverschil worden blootgesteld. De verschillende luchtsnelheden die elke vleugeltip ervaart, kunnen resulteren in een aerodynamische stalling op één vleugel, waardoor een ongeval met verlies van controle ontstaat. |
|
|
 |
| Zweefvliegtuig beïnvloed door windschering |
|
| |
| Parachutespringen |
| Windschering of windgradiënten vormen een bedreiging voor parachutisten, vooral voor BASE-jumpen en Wingsuit-vliegen. Parachutisten zijn uit hun koers geduwd door plotselinge veranderingen in de windrichting en -snelheid, en zijn in botsing gekomen met bruggen, kliffen, bomen, andere parachutisten, de grond en andere obstakels. Parachutisten passen routinematig de positie van hun vliegtuigen aan. open luifels om richtingsveranderingen te compenseren tijdens het landen om ongelukken zoals botsingen met de luifel en omkering van de luifel te voorkomen. |
| |
| Stijgend |
| Stijging gerelateerd aan windschering, ook wel dynamisch stijgen genoemd, is een techniek die wordt gebruikt door zwevende vogels zoals albatrossen, die kunnen blijven vliegen zonder te klapperen met de vleugels. Als de windschering groot genoeg is, kan een vogel tegen de windgradiënt in klimmen, waarbij hij grondsnelheid inruilt voor hoogte, terwijl hij de luchtsnelheid behoudt. Door vervolgens met de wind mee te draaien en door de windgradiënt te duiken, kunnen ze ook energie winnen. Het is ook in zeldzame gevallen door zweefvliegers gebruikt. |
| |
Windschering kan ook golven veroorzaken. Dit gebeurt wanneer een atmosferische inversie twee lagen scheidt met een duidelijk verschil in windrichting. Als de wind vervormingen in de inversielaag tegenkomt die worden veroorzaakt door thermiek die van onderaf naar boven komt,
zal deze aanzienlijke schuifgolven produceren die kunnen worden gebruikt om te stijgen. |
| |
| Impact op passagiersvliegtuigen |
| Windschering kan uiterst gevaarlijk zijn voor vliegtuigen, vooral tijdens het opstijgen en landen. Plotselinge veranderingen in de windsnelheid kunnen een snelle afname van de luchtsnelheid veroorzaken, waardoor het vliegtuig niet in staat is de hoogte te behouden. Windshear is verantwoordelijk geweest voor verschillende dodelijke ongevallen, waaronder Eastern Air Lines-vlucht 66, Pan Am-vlucht 759, Delta Air Lines-vlucht 191 en USAir-vlucht 1016. |
| |
 |
| Wrak van het staartgedeelte van Delta Air Lines-vlucht 191 nadat een microburst het vliegtuig tegen de grond sloeg. Op de achtergrond is een ander vliegtuig voorbij de crashscène te zien vliegen. |
|
|
 |
Effect van windschering op het traject van vliegtuigen. Merk op hoe
louter het corrigeren van het aanvankelijke windvlaagfront ernstige gevolgen kan hebben. |
|
| |
| Windschering kan worden gedetecteerd met behulp van Doppler-radar. Luchthavens kunnen worden uitgerust met waarschuwingssystemen voor windschering op laag niveau of een Terminal Doppler-weerradar, en vliegtuigen kunnen worden uitgerust met detectie- en waarschuwingssystemen voor windschering in de lucht. Na de crash van Delta Air Lines-vlucht 191 in 1985 gaf de Amerikaanse Federal Aviation Administration in 1988 het mandaat dat alle commerciële vliegtuigen tegen 1993 moesten beschikken over detectie- en waarschuwingssystemen voor windschering in de lucht. De installatie van Terminal Doppler-weerradarstations met hoge resolutie op veel Amerikaanse luchthavens die vaak worden getroffen door windschering heeft het vermogen van piloten en grondverkeersleiders om windschering te vermijden verder geholpen. |
| |
| Zeilen |
Windschering beïnvloedt zeilboten in beweging door een andere windsnelheid en -richting op verschillende hoogtes langs de mast te presenteren.
Het effect van windschering op laag niveau kan worden meegenomen bij de keuze van de zeiltwist in het zeilontwerp, maar dit kan moeilijk te voorspellen zijn, aangezien windschering sterk kan variëren onder verschillende weersomstandigheden. Zeilers kunnen ook de trim van het zeil aanpassen om rekening te houden met windschering op laag niveau, bijvoorbeeld door een neerhouder te gebruiken. |
| Geluidsvoortplanting |
Windschering kan een uitgesproken effect hebben op de voortplanting van geluid in de lagere atmosfeer,
waar golven kunnen worden gebogen door brekingsverschijnsel. De hoorbaarheid van geluiden van afgelegen bronnen, zoals donder of geweerschoten, is sterk afhankelijk van de hoeveelheid afschuiving. Het resultaat van deze verschillende geluidsniveaus is van cruciaal belang bij geluidsoverlastoverwegingen, bijvoorbeeld door rijweglawaai en vliegtuiglawaai, en moet in aanmerking worden genomen bij het ontwerp van geluidsschermen. Dit fenomeen werd voor het eerst toegepast op het gebied van onderzoek naar geluidsoverlast in de jaren zestig, en droeg bij aan het ontwerp van stedelijke snelwegen en geluidsschermen. |
| |
| De snelheid van het geluid varieert met de temperatuur. Omdat de temperatuur en de geluidssnelheid normaal gesproken afnemen met toenemende hoogte, wordt het geluid naar boven gebroken, weg van de luisteraars op de grond, waardoor op enige afstand van de bron een akoestische schaduw ontstaat. In 1862, tijdens de slag om Iuka in de Amerikaanse Burgeroorlog, hield een akoestische schaduw, vermoedelijk versterkt door een noordoostelijke wind, twee divisies soldaten van de Unie buiten de strijd, omdat ze niet de geluiden van de strijd konden horen. |
| |
| Effecten op de architectuur |
| Windtechniek is een vakgebied dat zich toelegt op de analyse van windeffecten op de natuurlijke en gebouwde omgeving. Het omvat sterke winden die ongemak kunnen veroorzaken, maar ook extreme winden zoals tornado's, orkanen en stormen die wijdverbreide vernietiging kunnen veroorzaken. |
|
|
 |
| Hodograafplot van windvectoren op verschillende hoogten in de troposfeer. |
|
| |
| Windtechniek is gebaseerd op meteorologie, aerodynamica en verschillende gespecialiseerde technische disciplines. De gebruikte instrumenten omvatten klimaatmodellen, atmosferische grenslaagwindtunnels en numerieke modellen. Het gaat onder meer over de manier waarop bij de engineering rekening moet worden gehouden met gebouwen die invloed hebben op de wind. |
| |
| Windturbines worden beïnvloed door windschering. Verticale windsnelheidsprofielen resulteren in verschillende windsnelheden bij de bladen die zich het dichtst bij het grondniveau bevinden, vergeleken met die aan de bovenkant van de bladbeweging, en dit heeft op zijn beurt invloed op de werking van de turbine. Deze lage windschering kan een groot buigmoment veroorzaken in de as van een tweebladige turbine wanneer de bladen verticaal staan. De verminderde windschering over water betekent dat kortere en goedkopere windturbinetorens kunnen worden gebruikt in ondiepe zeeën |
| |
|
|
|
|
|
|
