[Original English below]
Gust tại bãi cất ở Manilla, Australia
Bạn đọc Cross Country Dmytro thay chúng tôi hỏi một loạt câu hỏi thú vị về gió gust:
1. Dự báo bao gồm cả tốc độ gió và gust. Gió dự báo là gió mùa, nhưng còn gust thì sao, chúng có đặc điểm ‘theo mùa’ tương tự không?
2. Gió gust ‘theo mùa’ đó tạo ra như thế nào?
3. Chúng tồn tại bao lâu và di chuyển bao xa?
4. Có những hình thái nào của gust đang lan truyền hay khuếch tán?
Đây là những câu hỏi hay về một hiện tượng thời tiết mà chúng ta đều quen với thực tế, tuy nhiên chi tiết về khí động vẫn còn nhiều bí ẩn.
Gust là gì?
Chúng ta bắt đầu bằng việc định nghĩa gust là một sự tăng tốc độ gió địa phương bất chợt, trong khoảng thời gian ít hơn 20 giây. Gió mùa là gió ở quy mô lớn. Loại gió này là kết quả của sự chênh lệch áp suất ở diện tích lớn thay đổi đồng đều theo ngày. Chúng ta đều quen với các đường đẳng áp (isobar) trên biểu đồ thời tiết - chúng là ví dụ của sự thay đổi áp suất trên quy mô lớn. Các đường đẳng áp càng nhỏ nghĩa là gió mùa càng lớn.
Các hình mẫu dự báo thời tiết toàn cầu làm rất tốt việc phân tích gió mùa và các hình mẫu khu vực, hoạt động với phạm vi chi tiết hơn, bắt đầu phân tích một vài khía cạnh của gió quy mô vừa. Một ví dụ về gió quy mô vừa là hoàn lưu từ đồng bằng lên núi.
Gió gust là một hiện tượng nhỏ hơn nhiều ngay cả so với các phạm vi của các hình mẫu dự báo chi tiết cao. Gió gust mặt đất do vậy được coi như là một hiện tượng phạm vi nhỏ và do đó không phân tích riêng được trong các mô hình. Điều này không có nghĩa là tốc độ gió mặt đất không thể được dự báo - chúng có thể được tính từ các thông tin khác mà các hình mẫu dự báo được.
Dự báo gust như thế nào
Các yếu tố chính để dự báo gió gust là tốc độ gió mùa ở các tầng gió trên mặt đất và độ ổn định của khí quyển ở những tầng thấp nhất. Thêm vào đó là sự ổn định của hướng gió trên mặt đất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giúp một khối không khí di chuyển nhanh ở trên cao xuống mặt đất.
Ba yếu tố trên được sử dụng khi một hình mẫu tính toán sức mạnh của gió gust mặt đất. Ở từng khu vực, các phương pháp tính xác suất có thể được áp dụng giúp tăng tính chính xác của dự báo gió bằng việc kết hợp với dữ liệu lịch sử của các trạm thời tiết.
Tóm lại, câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên là, đúng, dự báo tốc độ gió gust dựa trên tốc độ gió mùa ở những tầng khác nhau trên mặt đất kết hợp với sự ổn định của khí quyển và sự ổn định của hướng gió. Tuy nhiên thì những cơn gió gust riêng lẻ khá là nhỏ để có thể tính toán trong hình mẫu dự báo.
Gust xảy ra như thế nào
Cách mà các cơn gió giật theo mùa được tạo ra có thể được trả lời qua góc nhìn lý thuyết hoặc tính toán. Về lý thuyết, với gió trên cao lớn và một lớp ranh giới đối lưu, chúng ta sẽ có những khoảng trao đổi động lượng lên và xuống. Thermal sẽ mang những dòng không khí di chuyển chậm lên phía trên cao, nơi chúng được tăng tốc bởi gió trên cao mạnh hơn.
Với khối lượng không khí được nâng lên trong thermal, sẽ có một lượng không khí phải chìm xuống để bù lại. Khối không khí chìm này sẽ đưa một lượng không khí có động lượng cao hơn xuống mặt đất tạo nên gió gust mặt đất. Nếu hướng gió ở các tầng thấp giống nhau, bạn sẽ có một khối không khí di chuyển xuống nhanh. Trong thực tế, hãy tưởng tượng tình huống bạn có một thung lũng rộng, nơi những dòng không khí bay lên trên cùng hướng với gió trên cao. Một khối không khí chìm xuống từ phía trên sẽ đẩy nhanh tốc độ của dòng không khí trong thung lũng trong giây lát. Cơn gió gust này có thể khiến đường lượn cuối về bãi hạ trở nên thú vị hơn.
Giờ hãy tưởng tượng điều ngược lại. Nếu gió trên cao ngược hướng với dòng không khí nâng lên, các khối không khí chìm xuống sẽ tạo nên những khoảng lặng gió. Những ngày như thế này, gió thung lũng sẽ lên muộn nhưng sẽ có những vùng nhiễu loạn giữa các tầng gió ở phía trên nếu như gió ngược mạnh.
Một mô hình dự báo sẽ không giải quyết được tất cả các thung lũng cũng như từng khối khí đi xuống. Tuy nhiên thì dựa trên công thức tính và mô hình dự báo hướng gió, tốc độ gió và sự ổn định ở những tầng không khí thấp nhất, mô hình này có thể tính toán được một tốc độ hợp lý của gió gust mặt đất. Chúng ta cũng có thể thực hiện tương tự bằng việc xem gió ở đỉnh vùng nâng và ở ít nhất một tầng trên đó, để có thể dự đoán về ngày bay hôm đó là tốt hay xấu.
Vòng đời của gust
Cấu trúc, vòng đời và khoảng cách mà gió gust di chuyển là một câu hỏi phức tạp khi bạn phải rời khỏi các hình mẫu dự báo và tới với không gian thật. Hình thái đơn giản nhất của gust có thể được ví như một quả bong bóng nước bị ném xuống đất và văng ra mọi hướng. Điều này hay gặp ở gust front (vùng gió giật lớn tạo ra bởi thay đổi thời tiết) hay microburst (vùng gió thổi xuống).
Điều phức tạp là hầu hết gust đều không tròn đều như vậy mà trải dài theo hướng gió. Điều này dẫn tới phần ranh giới ngược gió sẽ tăng tốc độ gió hiện tại và phần ranh giới xuôi gió sẽ làm giảm tốc độ gió bề mặt. Sự tiêu tán năng lượng của một cơn gust sẽ liên quan tới nhiều yếu tố bao gồm độ phẳng của mặt đất, địa hình, và tác động với những cơn gust hoặc lặng gió lân cận.
Thực tế
Là những phi công, chúng ta cần nhận biết gust không chỉ tạo bởi những dòng không khí chìm xuống từ trên cao. Gust có thể được gây ra bởi sự phức tạp của địa hình tạo nên những vùng hợp lưu hoặc tăng tốc trong thời gian ngắn. Tất nhiên, nhiễu động sau núi được phát hiện trên mặt đất bởi những cơn gust ngắn và đột ngột. Những cơn gust là kết quả của gió di chuyển trên địa hình không dự báo được nhưng chúng có thể cộng dồn với gió gust theo dự báo. Do đó nếu gió gust dự báo gần sát với khả năng bay của bạn, hãy ghi nhớ là ở những vị trí nhất định gust có thể mạnh hơn rất nhiều.
Gió gust là một cơn gió địa phương mạnh và ngắn nhưng nó cũng tương tự như những cơn gió bình thường. Một cơn gust có thể mạnh hơn ở những khe núi hoặc ở đỉnh các dãy núi. Tóm lại, khi gió ở các tầng gió trên đỉnh và ngay trên đỉnh vùng nâng mạnh chúng ta cần phải cân nhắc về kỹ năng của mình nếu chúng ta quyết định bay.
[Original English]
HONZA REJMANEK: GETTING TO GRIPS WITH GUSTS
Cross Country Magazine Issue 221
PHOTO: TEX BECK
Gusting on launch in Manilla, Australia
Cross Country reader Dmytro presents us with several interesting questions on wind gusts:
1. Forecasts contain wind speed and gusts. The forecast wind speed is meteo wind, but what about gusts, do they have similar ‘meteo nature’?
2. How are those ‘meteo gusts’ made?
3. How long do they live and how far do they travel?
4. Are there some known patterns of gusts spreading or diffusion?
These are all good questions about a meteorological phenomenon that we are all familiar with conceptually, however the details of the dynamics remain somewhat mysterious.
What is a gust?
We start by defining a gust as a sudden, local increase in wind speed lasting less than 20 seconds. Meteo wind is formally referred to as synoptic wind. This is wind that results from large-scale pressure gradients that evolve over the course of days. We’re all familiar with the isobars on a weather chart – these are an example of pressure gradients on a synoptic scale. Tighter isobars means stronger synoptic wind.
Global weather forecast models do a good job of resolving the synoptic wind and regional models, which run at higher resolution grid scale, start to resolve some aspects of mesoscale (middle scale) wind. An example of mesoscale wind would be a plains-to-mountains circulation.
Wind gusts are a much smaller phenomenon compared to the grid scale of even high-resolution forecasting models. A surface wind gust is therefore considered a sub-grid scale phenomenon and is not explicitly resolved in the model. This does not automatically mean that the strength of a surface wind cannot be forecast – it can be derived from other information that the model is capable of forecasting.
How to forecast gusts
The main factors that go into a surface gust forecast are the strength of the synoptic wind at particular levels above the surface and the stability profile in these lowest levels. Additionally, the consistency of wind direction above the surface also plays a significant role in aiding a fast-moving batch of air from above in reaching the surface.
These three factors are taken into account as a model calculates the strength of forecast surface-wind gusts. Regionally, statistical methods can be applied to help improve the surface-wind forecast by incorporating historical surface-station data.
In short, the answer to the first question is, yes, forecast gust strength is based on synoptic wind speed at various levels above the surface with stability and consistency of wind direction playing into the calculation. However, individual gusts are way too small to be resolved in a model.
How gusts happen
How these synoptic wind gusts are made can be answered through a conceptual lens or a computational lens. Conceptually, with higher winds aloft and a convective boundary layer, we get up and down exchange of momentum. Thermals bring slower moving air upwards to where it starts to be accelerated by stronger wind aloft.
For all the air that has gone up in thermals, we are all aware that compensating air has to sink. This sinking air brings higher momentum air to the surface resulting in a surface gust. If direction is steady through the lower levels then you will get fast-moving air downward. In practice, imagine a scenario where you have a wide valley where the up-valley flow lines up with the winds aloft. A batch of air descending from above will serve to momentarily accelerate the valley flow. This surface gust can make for some excitement on final approach to the LZ.
Now imagine the opposite. If up-valley wind is opposite to the winds aloft then descending batches of air can serve to create lulls in the valley wind. On such days the valley wind might set up later but there might be shear turbulence regions higher up if the opposing winds are strong.
A forecast model does not resolve most valleys and certainly not the individual batches of descending air. However, based on its algorithms and model output of wind speed, direction and stability through the lower levels, the model can calculate a reasonable speed for surface wind gusts. We do the same thing intuitively by looking at winds at top of lift and then at least one layer higher, to get a sense of how good or bad a flying day is setting up.
Gust life cycle
The structure and life cycle of gusts and the distance they travel becomes a complex question as you move out of the model realm and into the real air that we bounce around in. The simplest concept of a surface gust can be pictured as a water balloon slamming the ground and spilling out in all directions. This is sometimes seen in a gust front or a microburst.
What quickly starts to complicate matters is that most gusts are not nice and round but elongated along the wind direction. This leads to the upwind edge accelerating the wind that is already present at the surface and the downwind edge decelerating the surface wind. Dissipation of the energy brought by one particular gust has to do with several factors including surface roughness, topography, and interaction with other gusts or lulls in its vicinity.
On the hill
As pilots, we need to realise that gusts are not only caused by faster air descending from aloft. Gusts can be induced by convoluted terrain that can cause intermittent confluence and acceleration. Of course, lee-side turbulence can often be discerned from the ground by its abrupt and sudden gustiness. The gusts that result from wind moving over convoluted terrain are not forecast but they can be superimposed on the gust strength that is forecast. Therefore, if the gust strength that is forecast is close to the top of your comfort level then keep in mind that at certain locations the gusts can be far stronger.
A gust is a short-lived local acceleration of wind but it will do all the things that wind normally does. A gust will become stronger through a constriction or over a ridgetop. In summary, when winds at and just above top of lift are strong then we have to be really honest with ourselves regarding our abilities if we choose to go fly.