바람의 구배

Wind gradient
그라데이션 바람과 혼동하지 말 것.
이 기사는 수평 바람과 지표면의 상호작용에 관한 것이다.관련 현상에 대한 보다 일반적인 처리는 윈드 시어를 참조하십시오.

일반적으로 풍속 구배, 특히 풍속[1] 구배 또는 풍속 [2]구배 또는 대체적으로 전단풍은 [3]저층 [4]대기에서 평균 수평 풍속 구배의 수직 구성요소이다.지표면 [5][6]높이에서 단위 상승에 따른 풍력 증가율이다.미터법 단위로, 종종 초당 미터, 높이(m/s/km)당 미터 단위로 측정되며, 이는 전단 속도의 표준 단위인 역초(s−1)로 감소한다.

간단한 설명

표면 마찰은 표면 바람이 지구 [7]표면 훨씬 위에서 거의 마찰이 없는 흐름의 바람과 비교할 때, 저압 쪽으로 직접 불면서 지구 표면 근처에서 느려지고 회전하도록 합니다.표면 마찰로 바람이 느려지고 바람 방향이 바뀌는 이 층을 행성 경계 층이라고 합니다.일사에 의한 주간 태양열 난방은 지구의 뜨거운 표면과의 접촉으로 따뜻해진 바람이 위로 올라가고 점점 더 높은 곳에서 부는 바람과 섞이면서 경계층을 두껍게 만든다.밤사이 복사 냉각은 표면의 바람을 경계층 위의 바람으로부터 점차 분리하여, 바람 경사라고도 하는 지표면 근처의 수직 바람 전단(wind shear)을 증가시킨다.

배경

다음 항목도 참조하십시오.에크만층, 에크만 나선형, 행성 경계층 및 표면층

일반적으로 공기역학적 항력으로 인해 바람 흐름에는 바람의 구배가 있으며, 특히 행성 경계층의 표면층인 지구 표면으로부터 수백 미터 위에 있다.풍속은 미끄럼 방지 [8]상태로 인해 0부터 시작하여[6] 지상의 높이가 높아질수록 증가합니다.지표면 부근의 흐름은 [9]풍속을 감소시키고 흐름의 주요 방향에 대해 직각으로 무작위 수직 및 수평 속도 성분을 도입하는 장애물과 마주친다.이 난류는 다양한 층에서 수평으로 이동하는 공기 사이에 수직 혼합을 일으켜 오염물질,[1] 먼지 및 공기 중의 모래와 토양 [10]입자의 분산에 영향을 미칩니다.

표면 근처의 속도 감소는 표면 거칠기의 함수이다.풍속 프로파일은 지형 [8]유형에 따라 상당히 다릅니다.지면이 거칠고 불규칙하며 지면에 인공적인 장애물이 있으면 지표면 부근의 공기의 이동이 지연되어 풍속이 [4][11]저하됩니다.비교적 부드러운 수면 때문에, 풍속은 [12]육지에서만큼 바다 가까이에서 감소하지 않는다.도시 또는 거친 지형에서 풍향 변화 효과는 상공에서 지질학적 풍속의 40%에서 50%를 감소시킬 수 있다. 개방된 물이나 얼음 위에서는 감소율이 20%에서 30%[13][14]에 불과하다.

공학적 목적을 위해 바람의 구배를 표면 유형에 따라 일정한 지수계수를 갖는 멱법칙에 따라 변화하는 수직속도 프로파일을 나타내는 단순 전단으로서 모델링한다.지표면 마찰이 풍속에 미치는 영향을 무시할 수 있는 지표면 위의 높이를 "경사 높이"라고 하며, 이 높이 이상의 풍속을 "경사 풍속"[11][15][16]이라고 하는 상수로 가정한다.예를 들어, 예측 경사 높이에 대한 일반적인 값은 대도시의 경우 457m, 교외의 경우 366m, 탁 트인 지형의 경우 274m, 탁 트인 [17]바다의 경우 213m이다.

멱함수 지수 근사치는 편리하지만 이론적인 [18]근거는 없습니다.온도 프로파일이 단열 상태일 경우 풍속은 [19]높이에 따라 로그로 변화해야 하며 1961년 열린 지형에 대한 측정에서는 100m [20]내외의 로그 적합성과 거의 일정한 평균 풍속이 1000m까지 상승하는 것으로 나타났다.

바람의 전단화는 보통 [21]3차원적이다. 즉, '자유' 압력으로 구동되는 지형성 바람과 [22]지면에 가까운 바람 사이의 방향 변화도 있다.이것은 에크만 스파이럴 효과와 관련이 있다.지표면 근처의 우회된 노령영양 흐름의 교차 등각도는 개방 수역에서 10°에서 험한 구릉 지대에서 30°까지 다양하며, 풍속이 매우 [14]낮은 밤에는 육지에서 40°-50°까지 증가할 수 있다.

일몰 후 표면 근처의 바람 구배는 [23]안정성과 함께 증가한다.복사 냉각으로 야간에 발생하는 대기 안정성은 수직 난류를 포함하는 경향이 있어 바람의 구배를 [10]증가시킨다.바람 구배의 크기는 대류 경계층의 높이에 의해 크게 영향을 받으며,[24] 이 효과는 육지 상과 같이 경계층의 높이에 대한 일일 변동이 없는 바다 상에서는 더욱 크다.대류 경계층에서는 강한 혼합이 수직풍 [25]구배를 감소시킨다.

공학 기술

건물 설계는 풍하중을 고려해야 하며, 풍하중은 바람 구배의 영향을 받는다.일반적으로 건축 법규에서 가정하는 각 경사 수준은 도시의 경우 500m, 교외의 경우 400m, 평탄한 개방 [26]지형의 경우 300m입니다.공학적 목적을 위해 [11][15]멱법칙 풍속 프로파일은 다음과 같이 정의할 수 있다.

여기서:

  • z {\}} = z {\ z에서의 풍속
  • g{\}} = 경사 에서의 경사 바람 zg {\
  • α{\ = 계수
상세 정보:풍력공학

풍력 터빈

풍력 터빈 작동은 바람 구배에 의해 영향을 받습니다.수직 풍속 프로파일은 지면에 가장 가까운 날개에서 비대칭 [27]하중을 초래하는 날개 이동 상단과 비교하여 풍속이 다르다.바람 구배는 블레이드가 [28]수직일 때 두 개의 날개 달린 터빈의 축에 큰 휨 모멘트를 생성할 수 있습니다.물 위의 바람 경사 감소는 (낮은)[12] 바다에 위치한 윈드파크에서 더 짧고 저렴한 풍력 터빈 타워를 사용할 수 있음을 의미한다.풍력 터빈은 최종적으로 보게 될 바람 구배를 시뮬레이션하여 풍동에서 시험하는 것이 바람직하지만, 이는 거의 [29]수행되지 않는다.

풍력 터빈 엔지니어링의 경우, 높이에 따른 풍속의 다항식 변화는 10미터의 기준 높이에서 측정된 풍속에 대해 다음과 [27]같이 정의할 수 있다.

여기서:

  • (h) { v { （ ） = h { h}에서의 풍속 [m/s]
  • 10}) = 에서 풍속 [m/s]({= 10m
  • a= 헬만 지수

헬만 지수는 해안 위치와 지상의 지형, 그리고 공기의 안정성에 따라 달라집니다.Hellmann 지수 값의 예는 [30]아래 표에 나와 있습니다.

위치 α
노천 수면 위의 불안정한 공기: 0.06
노천 수면 위의 중성 공기: 0.10
평탄한 외해안 상공의 불안정한 공기: 0.11
평탄한 개방 코스트 위의 중립 공기: 0.16
노천 수면 위의 안정적인 공기: 0.27
사람이 거주하는 지역 위의 불안정한 공기: 0.27
사람이 거주하는 지역 위의 중립 공기: 0.34
평탄한 외해안 상공의 안정된 공기: 0.40
사람이 거주하는 지역 위의 안정적인 공기: 0.60

활공

활공 지상 발사 바람 경사 효과.

활공에서 바람 구배는 활공기의 이착륙 단계에 영향을 미친다.바람의 구배는 지상 발사에 현저한 영향을 미칠 수 있다.바람의 기울기가 유의하거나 갑작스럽거나 둘 다이고 조종사가 동일한 피치 자세를 유지할 경우, 표시된 비행 속도는 증가하여 최대 지상 발사 견인 속도를 초과할 수 있다.조종사는 비행 속도를 조절하여 [31]경사의 영향을 처리해야 합니다.

착륙 시, 바람의 기울기도 위험하며, 특히 바람이 [32]강할 때는 위험합니다.글라이더가 착륙에 대한 최종 접근 시 바람 구배를 통해 하강함에 따라 대기 속도는 감소하지만 싱크 속도는 증가하며 지상 접촉 전에 가속할 시간은 충분하지 않다.조종사는 바람의 기울기를 예측하고 이를 [33]보상하기 위해 더 높은 접근 속도를 사용해야 한다.

바람의 기울기는 또한 지면에서 급선회하는 항공기의 위험이다.이는 날개 폭이 상대적으로 긴 글라이더에 특히 문제가 되며, 이로 인해 특정 뱅크 각도에 대해 풍속 차이가 커집니다.각 날개 끝의 공기 속도가 다르면 한쪽 날개에서 공기역학적 스톨이 발생하여 제어 불능 [33][34]사고가 발생할 수 있습니다.각 날개의 서로 다른 기류에 의해 발생하는 롤링 모멘트는 에어레론 제어 권한을 초과하여 글라이더가 더 가파른 뱅크 [35]각도로 계속 롤링하게 할 수 있습니다.

상세정보 : 글라이딩

항해

항해에서 바람의 구배는 돛대를 따라 다른 높이에서 돛대에 다른 풍속을 제시함으로써 범선에 영향을 미친다.방향도 높이에 따라 다르지만 선원들은 이를 '윈드 시어'[36]라고 부른다.

돛대 머리 기구의 풍속 및 방향 표시는 선원이 [37][38]수면 근처에서 보고 느끼는 것과 다르다.돛 제작자는 높이와 함께 리프트 분포를 변경하기 위해 돛의 머리가 돛의 발끝과 다른 공격 각도로 설정되는 돛 디자인에 돛 트위스트를 도입할 수 있다.바람 구배 효과는 돛 설계의 비틀림 선택에 반영될 수 있지만, 바람 구배는 날씨 [38]조건에 따라 크게 달라질 수 있기 때문에 예측하기 어려울 수 있다.선원들은 바람의 구배를 고려하여 돛의 트림을 조정할 수도 있습니다. 예를 들어 붐 [38]뱅을 사용합니다.

한 [39]소식통에 따르면 바람이 6노트 이상일 때 돛단배의 풍속은 크지 않다(표면 10노트의 풍속은 300m에서 15노트에 해당하기 때문에 돛단 높이 이상의 속도 변화는 무시할 수 있다).같은 소식통에 따르면 풍속은 5노트 바람의 높이에서 10m 정도로 꾸준히 증가하지만 바람이 적을 때는 줄어든다.이 소스에 따르면 평균 속도가 6노트 이상인 바람에서는 높이에 따른 속도 변화는 [40]거의 지표에 가장 가까운 1~2m에 국한된다.이는 2m[41] 이상의 높이에서 풍속 변화가 매우 작다는 것과 불안정한 [43]대기에서 차이가 5%에 불과할 수 있다는 호주 정부 기상국의[42] 진술과 일치한다.

카이트서핑에서 바람의 구배는 더욱 중요하다. 왜냐하면 파워카이트는 20-30m 선을 [44]타고 날아가고 카이트서퍼는 카이트를 이용해 물에서 뛰어내릴 수 있기 때문이다.

음전파

바람의 구배는 저층 대기의 소리 전파에 현저한 영향을 미칠 수 있다.이 효과는 안개 소리, 천둥 소리, 소닉 붐, 총소리 또는 미스트푸퍼와 같은 다른 현상과 같은 먼 근원으로부터의 소리 전파를 이해하는 데 중요합니다.도로 소음과 항공기 소음 등 소음 공해를 연구하는 데도 중요하며,[45] 소음 장벽 설계에서도 반드시 고려해야 한다.풍속이 고도에 따라 증가하면, 진원지에서 청취자를 향해 부는 바람은 음파를 아래로 굴절시켜 [46]장벽의 바람 아래쪽으로 소음 수준을 증가시킨다.이러한 효과는 1960년대에 [47]소음 차단 효과의 변화를 다루기 위해 고속도로 공학 분야에서 처음으로 정량화되었다.

태양이 지구 표면을 따뜻하게 할 때, 대기 중에 음의 온도 변화가 생긴다.음속은 온도가 내려가면 낮아지기 때문에 음속 구배도 [48]음이 됩니다.음파 전선은 지면 근처를 더 빠르게 이동하기 때문에 소리는 지상의 청취자로부터 멀리 떨어져 위로 굴절되어 [49]음영 음영을 발생시킵니다.음로의 곡률 반경은 속도 [50]구배에 반비례합니다.

풍속 구배가 4(m/s)/km이면 일반적인 온도 감쇠율 7.5°[51]C/km와 동일한 굴절이 발생할 수 있다.바람의 기울기 값이 높을수록 소리가 바람의 방향을 [52]따라 지표면을 향해 아래로 굴절되어 바람의 방향에서 음향 그림자가 사라집니다.이것은 바람의 방향에서 들리는 소리의 가청성을 높일 수 있습니다.이러한 풍향 굴절 효과는 바람의 기울기가 있기 때문에 발생합니다. 소리는 [53]바람을 따라 전달되지 않습니다.

보통 바람의 기울기와 기온의 기울기가 모두 있을 것이다.이 경우 두 효과의 합계는 상황 및 [54]관찰자의 위치에 따라 달라질 수 있습니다.바람의 구배와 온도 구배는 복잡한 상호작용도 할 수 있다.예를 들어, Foghorn은 음원에서 가까운 장소나 먼 장소에서는 들을 수 있지만,[55] 음영에서는 들을 수 없습니다.횡방향 소리 전파의 경우, 바람 구배는 무풍 조건에 상대적인 소리 전파를 합리적으로 수정하지 않는다. 그 구배 효과는 풍향 및 풍향 [56]구성에서만 중요한 것으로 보인다.

소리 전파의 경우 높이에 따른 풍속의 지수 변화는 [46]다음과 같이 정의할 수 있다.

여기서:

  • () { U = h { h 및 ( {U(0에서 풍속은 상수입니다.
  • { \zeta} = 지표면 거칠기에 기초한 지수계수(일반적으로 0.08 ~ 0.52)
  • U H = h({h})에서의 예상 바람 경사

1862년 미국 남북전쟁의 이카 전투에서는 북동풍에 의해 강화된 것으로 추정되는 음향 그림자가 북군 병사 2개 사단을 전투에 [57]참가시키지 못하게 했다. 왜냐하면 그들은 바람 [58]아래 6마일 밖에 전투 소리를 들을 수 없었기 때문이다.

과학자들은 1900년대 중반부터 바람의 구배가 소리의 굴절에 미치는 영향을 이해해왔다. 그러나 미국의 소음통제법의 등장으로 이 굴절현상의 적용은 주로 고속도로의 소음 전파와 그에 따른 교통수단 설계에 1970년대 초부터 광범위하게 적용되었다.운영 [59]시설

상세 정보:사운드

바람의 구배 급상승

이 앨버트로스는 바람의 구배를 이용한 동적 상승의 전문가입니다.

바람의 경사도 급상승(dynamic supping)은 알바트로스를 비롯한 날으는 새들이 사용하는 기술이다.바람의 [60]구배가 충분히 크면, 새는 풍속도를 유지하면서 지상의 속도를 높이와 바꾸면서 바람 구배에 오를 수 있다.바람을 타고 바람의 구배를 따라 다이빙을 하는 것으로도 에너지를 얻을 [61]수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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