Turbulence

1. Turbulence

2. Turbulence Atmosférický vzduch představuje pohyblivé prostředí, ve kterém mohou mít pohyby vířivý, chaotický charakter. Tyto pohyby se odborně nazývají turbulence. Turbulence v atmosféře má spektrální charakter, tj. v celkovém proudu existují turbulentní proudy různých rozměrů a s různými rychlostmi.

3. Turbulence • Turbulentní zóny zaujímají ohraničené oblasti, přičemž tloušťka turbulentních vrstev obvykle nepřesahuje 300 až 600 metrů a horizontální rozměry bývají asi 60 až 80 km. • Čím je turbulence intenzivnější, tím je menší tloušťka a horizontální rozsah turbulentní vrstvy atmosféry!!! • Turbulentní vrstvy jsou obyčejně přerušované oblasti. Části atmosféry, ve kterých jsou vertikální vzdušné proudy, se střídají s částmi atmosféry, ve kterých je let klidný.

4. Rozdělení turbulence Podle podmínek vzniku: • Termická; • Mechanická; • Přízemní • Orografická • Dynamická (nestejná rychlost proudění ve výškách – JTST) • Turbulence střihu větru • CAT (clear air turbulence) Podle intenzity: • Slabá; • Mírná; • Silná; • Velmi silná.

5. Intenzita turbulence Intenzita turbulence se vyjadřuje změnami přetížení letadla. Podle velikosti přetížení n se rozlišuje slabé, mírné, silné a velmi silné kymácení. • při slabém kymácení se letoun lehce kolébá s řídkými malými nárazy (n=0,1 až 0,2 g), • při mírném kymácení (n=0,2 až 0,5 g) se letoun kolébá, nárazy jsou časté a silnější, • při silném kymácení (n=0,5 až 0,8 g) se letoun občas propadá a pociťují se silné údery, • při velmi silném – extrémním kymácení (n0,8 g) je letoun házen do strany, propadá se nebo prudce stoupá a motor občas vysazuje.

6. Termická turbulence • Pod pojmem termická turbulence rozumíme turbulenci, která má původ v nerovnoměrném zahřívání zemského povrchu. • Základní podmínkou vzniku a rozvoje termické turbulence je instabilní zvrstvení atmosféry (absolutní instabilita), nebo alespoň podmíněná instabilita atmosféry v horských oblastech. • Termická turbulence se projevuje jako působení střídajících se výstupných a sestupných pohybů v atmosféře po dobu letu. Působení termické turbulence na let letadla

7. Termická turbulence • Vertikální výstupné pohyby dosahují řádově rychlostí od několika metrů do desítek metrů za sekundu (v oblacích s velkým vertikálním vývojem typu Cu con, Cb). • Určitou výhodou termické turbulence je to, že výstupné pohyby jsou při dostatečné vlhkosti vzduchu lehce identifikovatelné pomocí vznikající kupovité oblačnosti. • Za příznivých podmínek může turbulence termického původu zasahovat vrstvu od zemského povrchu až po horní hranici oblačnosti (v případě existence vyvinuté kupovité oblačnosti i nad horní hranici a v okolí oblaků). • Za jinak stejných podmínek zvrstvení atmosféry je turbulence intenzivnější nad členitým terénem s různorodým povrchem. Čím výš leží základna oblačnosti, tím je vývoj kymácení intenzivnější. Vývoj kupovité oblačnosti a termické turbulence

8. Termická turbulence • Intenzita termické turbulence může dosahovat různých stupňů, extrémní turbulenci je možno pozorovat v bouřkových oblacích. S výškou výskyt turbulence tohoto druhu slábne. • Výjimku tvoří opět oblačnost typu Cb, ve které intenzita turbulence do 2/3 vertikálního rozsahu postupně narůstá a slábne až v poslední třetině. Vertikální pohyby v Cb spojené s turbulencí

9. Termická turbulence • Často i několik set metrů nad kovadlinou (incus) Cb zjišťujeme výskyt turbulence, i když přirozeně menší intenzity než uvnitř oblaku. • S denním chodem je maximum výskytu termické turbulence v poledních hodinách, protože úzce souvisí s přítokem sluneční energie na zemský povrch. • V noci prakticky zaniká s výjimkou nočních bouřek na frontách. • Maximum výskytu termické turbulence s ročním chodem je v jarních a letních měsících. Výskyt turbulence v Cb nad tropopauzou

10. Mechanická turbulence Dvě skupiny mechanické turbulence: • Mechanická turbulence v důsledku tření o zemský povrch (přízemní). • Mechanická turbulence vznikající proudění kolem horských masivů (orografická).

11. Mechanická turbulence - přízemní Vznik mechanické turbulence třením o zemský povrch • Může se vyskytnout a rozvinout i nad poměrně rovným zemským povrchem v podobě vírů za budovami, velkými stavbami, lesy a podobnými překážkami; • Vertikální mohutnost vrstvy s mechanickou turbulencí dosahuje řádově stovky metrů. Pro její vznik je postačující podmínkou proudění o rychlosti cca 7-10 m.s-1. • Její výskyt je často kombinován s termickou turbulencí a může v přízemních vrstvách dosahovat značné intenzity.

12. Mechanická turbulence - přízemní Hrubý přehled intenzity přízemní turbulence v závislosti na rychlosti větru a charakteru podloží

13. Mechanická turbulence - orografická • Při tomto typu proudění na závětrné straně horské překážky vznikají víry větších rozměrů s horizontální osou. • Za příznivých podmínek vyvolávají ještě vlnovou deformaci proudění i ve střední až horní troposféře. • Příznivé podmínky pro vznik tohoto typu mechanické turbulence představuje stabilní zvrstvení a dostatečná rychlost proudění ve směru přibližně kolmém na hřeben.

14. Mechanická turbulence - orografická Podle toho, v jak mohutné vrstvě jsou zachovány podmínky dostatečné rychlosti proudění, jaká je rychlost proudění a jeho směr, jaká je změna větru s výškou, můžeme rozdělit proudění kolem horského masivu do čtyř základních typů (Förchtgott): • laminární proudění; • vírové proudění; • vlnové proudění; • rotorové proudění.

15. Mechanická turbulence - orografická Laminární proudění: • Pozoruje se při malých rychlostech proudění (do 3m.s-1). • Vertikální pohyby jsou nepatrné, nedochází k odtržení proudnic za horským masivem. • Nad horským hřebenem se vytváří plochá vlna a závětrné efekty nepozorujeme. Laminární proudění bez turbulentních efektů

16. Mechanická turbulence - orografická Vírové proudění: • Pozoruje se při rychlostech proudění vzduchu 6-10 m.s-1. • Rychlost větru roste do úrovně vrcholu horského masivu a pak zůstává konstantní. • Za horskou překážkou pozorujeme jen jeden vír s horizontální osou těsně za závětrnou stranou masivu. • Vrstva turbulence dosahuje řádově stovky metrů (200-300 m nad úroveň hřebene). • Intenzita turbulence bývá vzhledem k rychlosti proudění slabá. • Vlnová oblačnost v tomto případě nevzniká. Vírové proudění a vrstva turbulence v závětří masivu

17. Mechanická turbulence - orografická Vlnové proudění: • Vytváří se při vzrůstu rychlosti větru nad 10 m.s-1, přičemž je proudící vrstva vzduchu mohutná a rychlost proudění narůstá i nad úroveň vrcholu horstva. • Na závětrné straně vzniká systém vírů s horizontální osou - systém rotorů, s osou rotace přibližně ve výšce hřebene masivu. Vlnové proudění s vícenásobnou rotorovou turbulencí

18. Mechanická turbulence - orografická Vlnové proudění: • Vertikální pohyby na závětrné straně činí 20-30 m.s-1 a projevují se intenzivní turbulencí, čímž se stává tato oblast pro přelet nebezpečnou. • Rotory se projeví i vznikem oblačnosti typu Cu fra, pokud je proudící vzduch dostatečně vlhký, ale může se tvořit i v bezoblačném prostoru při malé vlhkosti vzduchu. • Vrstva s turbulencí bývá pozorována i nad jednotlivými rotory až do čtyřnásobku převýšení překážky, i když intenzita turbulence je menší. Nad touto vrstvou turbulence rychle slábne, ale zóna turbulence může zasahovat až do spodní stratosféry (u vysokých pohoří). • V oblasti vrcholků vln se vyskytuje za příznivých vlnových poměrů oblačnost Ac len, na hřebenech hor föhnová zeď.

19. Mechanická turbulence - orografická Rotorové proudění: Příznivé podmínky pro jeho rozvoj představuje: • stabilní vrstva atmosféry, málo převyšující hřeben horské překážky; • rychlost větru roste do výšky jen o málo větší jako je vrchol překážky, pak klesá; • výskyt teplotní inverze nebo izotermie ve výšce o málo větší jako je výška masivu, ve vyšších hladinách již nemusí být stabilita tak výrazná. Rotorové proudění

20. Mechanická turbulence - orografická Rotorové proudění: • Turbulence vznikající v takovém proudění může být silná až extrémní a let v této oblasti nebezpečný. Turbulence jako důsledek rotorového proudění se vyskytuje již při převýšení překážky 100-200 m.

21. Dynamická turbulence Základní podmínkou pro vznik dynamické turbulence jsou kontrasty fyzikálních polí parametrů atmosféry, hlavně existence střihu větru, tj. vzniká působením tření mezi vrstvami vzduchu s různými směry a rychlostmi proudění. Dynamickou turbulenci, z hlediska podmínek vzniku a projevů v ovzduší, můžeme rozdělit na dvě velké skupiny: • dynamická turbulence nižších vrstev troposféry, • dynamická turbulence velkých výšek.

22. Dynamická turbulence nižších vrstev • Je pozorovaná při dostatečně výrazném střihu větru. Takové postačující střihy větru bývají zpravidla spojeny s výskytem vrstev inverze teploty. • Pod těmito vrstvami za vhodných podmínek pozorujeme vrstevnatou oblačnost. • Často způsobí změnu druhu oblačnosti, např. St na Sc nebo As na Ac. • Tento typ turbulence se vyskytuje ve výškách do 4000 m. Změna druhu oblačnosti vlivem dynamické turbulence

23. Dynamická turbulence velkých výšek Clear Air Turbulence – CAT Termín CAT označuje dynamickou turbulenci v horní troposféře a spodní stratosféře. Dohodou bylo stanoveno, že CAT je turbulence vyskytující se nad výškou 5000 m kromě turbulence, která souvisí s oblačností velkého vertikálního rozvoje. Pozorováním a výzkumy pomocí letadel bylo zjištěno, že tento typ turbulence se vyskytuje nejenv bezoblačném prostoru, ale i v prostoru s oblačností. Proto bylo zavedeno označení - WST - Wind Shear Turbulence(turbulence střihu větru).

24. Dynamická turbulence velkých výšek • Výskyt turbulence WST často souvisí s existencí tryskového proudění, pro které jsou výrazné horizontální i vertikální změny větru charakteristické. Proto turbulence WST vzniká jak v oblačnosti druhu cirrus, tak i v prostoru bez oblačnosti. Nejpravděpodobnější místa výskytu turbulence v zóně JTST

25. Dynamická turbulence velkých výšek • Pronikání Cb přes stabilní vrstvy troposféry. Opět se vzniklé vlny šíří do velké vzdálenosti. • Vlnová deformace při obtékání horské překážky. Je znám efekt zasahování takovéto vlnové deformace proudu až do spodní stratosféry za vhodných podmínek v oblasti Skalistých hor.

26. Dynamická turbulence velkých výšek Příznivé podmínky pro vznik dynamické turbulence velkých výšek se dají určit pomocí meteorologických podkladových materiálů. Vhodné synoptické podmínky pro výskyt turbulence velkých výšek představuje: • osa tlakové brázdy; • delta tryskového proudění; • zóny s advekcí studeného vzduchu; • cyklonální strana tryskového proudění.

27. Statistické údaje o výskytu turbulence Délka trvání turbulence zpravidla nepřevyšuje 2-3 hodiny, v extrémních případech ale trvá i 24 hodin. Rozměry zón turbulence ve vertikálním směru dosahují 500-1000 m. Průměrná tloušťka vrstvy s turbulencí se mění i se zeměpisnou šířkou: • nad 60° - 500 m, • 30° až 60° - 700 m, • do 30°- 900 m. Nejčastěji se turbulence pozoruje ve vrstvě 300-600 m tlusté, s výjimkou termické turbulence a turbulence vlnového proudění, kterých vertikální rozsah může být řádově až kilometry.

28. Statistické údaje o výskytu turbulence Tloušťka vrstvy dynamické turbulenceWST bývá kolem 550 m. Při jasné obloze může dosahovat mohutnost turbulentní zóny i 3000 m. Délka oblastí s turbulencíse pohybuje od 25 do 100 km. Byl zaznamenán případ výskytu turbulence ve vrstvě tlusté 3 km a dlouhé 1000 km. Obecně lze ale o vztahu rozměrů oblastí s turbulencí a její intenzity konstatovat, že čím je turbulence intenzivnější, tím menší rozměry oblast jejího výskytu má!!! Výskyt turbulenceje nejčastější ve výškách 8-10 km. Podružné maximum výskytu pozorujeme ve výškách od zemského povrchu do 3 km. Ve vrstvě 3-6 km pravděpodobnost výskytu turbulence klesá.

29. Statistické údaje o výskytu turbulence Nad územím ČR se poměrně často tvoří podmínky, vhodné pro rozvoj mechanické turbulence: Prostory s možným výskytem mechanické turbulence při vhodném směru proudění ve vrstvě do 2000 m

30. Statistické údaje o výskytu turbulence Nad územím ČR se poměrně často tvoří podmínky, vhodné pro rozvoj mechanické turbulence: Prostory možného výskytu mechanické turbulence nad 2000 m

31. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • pečlivá meteorologická příprava letu se zaměřením na oblasti s možným výskytem turbulence;

32. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • při vlétnutí do zóny turbulence snížit rychlost letu tak, aby daný typ letounu byl co nejstabilnější, protože změna přetížení je úměrná rychlosti letu;

33. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • po dobu letu sledovat oblačnost, změny její tvarů, které svědčí o výskytu turbulence;

34. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • neprovádět energické zásahy do řízení, aby letoun nespadl do vývrtky;

35. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • po dobu letu v malé výšce věnovat zvýšenou pozornost výšce a rychlosti letu;

36. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • vyhýbat se oblastem s výskytem vlnových oblaků Ac len, Cu fra, i místům s možným výskytem závětrných efektů;

37. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • při překonávání horských masivů nastoupat předepsanou bezpečnou výšku minimálně 10-15 km před příletem nad hory;

38. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • obzvláště nebezpečný je let v zóně turbulence na hranici dostupu letounu, kdy je nutné zvýšenou pozornost věnovat pilotáži, protože hrozí nebezpečí ztráty vztlaku a následného pádu (i v případě malé intenzity turbulence);

39. Zásady překonávání oblastí s turbulencí • zvýšenou pozornost věnovat technice pilotáže po dobu přiblížení na přistání v oblasti turbulence, doporučuje se přiblížení rychlostí zvýšenou o 15-20 km.h-1 podle typu letounu.