Meteorologi för seglare | pendlande vind

Sista avsnittet från Måns. Snyft.


Lite till om pendlande vind

Vi har diskuterat vindens variationer i tidigare avsnitt. Här kommer en något mer detaljerad beskrivning av hur pendlingar kan uppstå när det råder stabil skiktning, samt hur man kan avgöra dessas karaktär genom en snabb blick på en väderkarta.
Turbulensen ”blandar” sig i leken

Vid vindstyrkor över några meter per sekund tenderar vinden att vara turbulent. Turbulensen uppstår till följd av friktionen mot underlaget och kallas mekanisk turbulens. Dess virvlar blandar om luften i atmosfärens lägre skikt, det så kallade gränsskiktet. Beroende på vindhastighet, temperaturskiktning och underlagets skrovlighet kan gränsskiktet vara olika tjockt, vanligen någonstans mellan hundra och något tusental meter.

I den uppåtgående delen av de turbulenta virvlarna kyls luften i samband med expansion, då trycket minskar med höjden. Om det råder en allmänt stabil skiktning (atmosfären kyls av underlaget) kommer den stigande luften att bli gradvis kallare och därför tyngre än sin omgivning på den nya höjden. Detta motverkar fortsatt stigning, vilket ger en övre begränsningsyta på gränsskiktet och därmed turbulensens inverkan i höjdled. Temperaturen kommer därför att öka lokalt med höjden, i vad som kallas turbulensinversionen. Luften precis ovanför gränsskiktet är alltså varmare och lättare och kan glida fram med mycket låg friktion ovanpå det turbulenta gränsskiktet. Därmed kan en mycket kraftig vindskjuvning, alltså stora vertikala variationer i vindens styrka och riktning, uppstå.

Densiteten avgör

Längs ytan mellan den fria atmosfären och det underliggande turbulenta gränsskiktet uppstår vågor, på liknande sätt som när vinden blåser över en vattenyta. En viktig skillnad är dock att medan vattnet är omkring tusen gånger tätare än luften alldeles ovanför, är densitetsskillnaden mellan luften i den övre delen av det turbulenta gränsskiktet och den fria atmosfären alldeles ovanför bara någon procent.

Skillnaden i densitet är direkt avgörande för styrkan hos ”kraften” som håller gränsskiktshöjden i schack. Den lilla skillnaden mellan densiteten alldeles under gränsskiktstoppen och i den fria atmosfären precis ovanför gör att vågorna längs gränsytan kan växa sig vertikalt mäktiga, och skiktets höjd kan därför variera kraftigt i tid och rum.

Dessa vågor drivs alltså av vindskjuvningen, vilken är ett mått på den relativa vinden luftlagren emellan. Eftersom vinden på norra halvklotet vrider moturs med ökad friktion kommer den relativa vinden mellan skikten att vara kraftigt högervriden jämfört med vinden i gränsskiktet, se Figur 1. Jämfört med vinden närmast underlaget (den vi seglar i) kommer den relativa vinden vid gränsskiktets topp att vara riktad nära nog vinkelrätt åt höger. Det gäller även vågornas rörelse längs gränsskiktstoppen.

weaather-pend-1.jpg
Figur 1. Vindens olika hastighet och riktning i: fria atmosfären (ljusblå pil), övre delen av gränsskiktet (mellanblå pil), och nära underlaget (mörkblå pil). Vågorna längs gränsskiktet drivs av den relativa vinden (röd pil) mellan luftlagren på var sida om gränsskiktstoppen. De tunna blå bågarna visar isobarerna runt hög- och lågtryck. Vågorna längs gränsskiktets topp rör sig i riktning med den röda pilen, nästan vinkelrätt mot vinden närmast underlaget, och illustreras av de typiska ”molngatorna”.

Vågorna skapar pendlingar

I vågornas övre del kan kondensation och molnbildning uppstå. Detta ger oss de ordnade ”molngatorna”, som så ofta kan observeras, vanligen separerade med någon distansminut och i stort sett parallella med vindriktningen vid underlaget, se Figur

weaather-pend-2.jpg
Figur 2. Molngator indikerar vågrörelse längs gränsskiktstoppen och därmed sannolikt pendlande vind vid underlaget. Foto: Janek Zimmer, www.clouds-online.com

Om gränsskiktet är grunt, eller åtminstone jämförbart med våghöjden vid dess topp, kommer vågorna att påverka vindarna ända nere vid underlaget, se Figur 3. Ovanpå vinden i gränsskiktet överlagras då en rörelse fram och tillbaka i sidled, ungefär vinkelrätt mot vinden nära underlaget, vilket ger vinden en pendlande eller oscillerande karaktär. Det kan handla om något, eventuellt några, tiotal grader med perioder på allt mellan fem minuter och en timme.

På grund av de små skillnaderna i densitet hos luften på ömse sidor om gränsskiktstoppen kan tjockleken på gränsskiktet variera högst avsevärt. Följden blir att storleken på de största virvlarna, som kan rymmas inom gränsskiktet, varierar i tid och rum. Därmed blir den pendlande rörelsen nere vid underlaget oregelbunden och svåranvänd i strategiskt hänseende.

weaather-pend-3.jpg
Figur 3. Tvärsnitt genom gränsskiktet. Vågorna längs gränsskiktets topp, (den böljande svarta linjen) drivs av skillnaden i vinden ovanför och under begränsningsytan. De slutna, pilförsedda cirklarna definierar vågrörelsen, som går från höger mot vänster i bilden. I punkt A minskar gränsskiktshöjden, i punkt B sker det omvända. De resulterande rörelserna inom gränsskiktet visas med pilar. Tillsammans med vinden i gränsskiktet leder de till en pendelrörelse. Medelvinden är här riktad mot dig.

Planera seglingen

Vissa dagar går det dock i princip att ställa klockan efter pendlingarnas regelbundna periodicitet. I dessa fall torde gränsskiktshöjden alltså vara mer konstant. För att detta ska kunna ske måste temperaturkontrasten och därmed densitetsskillnaden genom gränsskiktstoppen vara avsevärt förstärkt av någon anledning. Det kan den bli om vi befinner oss i ett högtrycksdominerat läge.

I högtryckets centrum sjunker luften, rörelsen benämns subsidens, och skruvas i gränsskiktet utåt från högtryckscentrum i en högervriden (norra halvklotet) spiralrörelse. I den sjunkande rörelsen i fria atmosfären ökar trycket, varpå luften värms. Detta märks särskilt tydligt alldeles ovanför gränsskiktet och ger upphov till den så kallade subsidensinversionen.

Den härigenom uppvärmda luften bidrar alltså till att öka temperaturkontrasten mellan den fria atmosfären och gränsskiktet. Den sjunkande rörelsen inbegriper en ofantlig volym luft och subsidensinversionen samverkar med turbulensinversionen (beskriven ovan), vilket resulterar i en mycket kraftig knyck i temperatur- och densitetsprofilerna. Detta gör att gränsskiktshöjden blir mer kontrollerad och att vågorna som uppstår längs gränsytan mellan luftlagren blir mer regelbundna. I sådana här lägen kan man med gott förtroende förlita sig på att pendlingarna uppför sig tämligen harmoniskt. Man kan härigenom planera sin strategi flera drag framåt, så att man så mycket som möjligt kommer att segla på den gynnade bogen.

Titta på isobarerna

I ett lågtrycksläge däremot, rör sig luften i gränsskiktet i en vänstervriden (norra halvklotet) spiral in mot lågtryckscentrum, för att i den fria atmosfären stiga. I den uppåtgående rörelsen kyls luften och temperaturkontrasten mellan gränsskiktet och den fria atmosfären minskar, vilket motverkar turbulensinversionen. Härigenom blir gränsskiktshöjden mindre stabil och varierande, med ytterst oregelbundna, oförutsägbara svängningar i vindriktningen nära underlaget som följd.
Man behöver inte befinna sig i direkt närhet av ett hög- eller lågtryckscentrum för att kunna avgöra skiftens kontinuitet. Skillnaderna uppstår redan långt ute i periferin av tryckstörningarna. Det räcker egentligen med att kolla om isobarerna i din omgivning kröks av ett hög- eller ett lågtryck, det vill säga om luftrörelsen svänger åt höger (högtryck, regelbundna pendlingar) eller vänster (lågtrycksinflytande, oregelbundna pendlingar).

Svårare situationer

De pendlingar som jag har beskrivit här kan även uppträda tillsammans med mer högfrekventa svängningar, till exempel i situationer när underlaget värmer luften. I sådana situationer kan det vara betydligt svårare att urskilja de långsammare pendlingarna, då svängningen runt medelvinden blir sammansatt av fler komponenter och därför mer komplex, men det är ett annat kapitel.

Vi har diskuterat längsgående ”rolls” i en tidigare artikel, men då handlade det främst om labil skiktning och en något annan bakomliggande mekanism.

För den som vill förkovra sig i ämnet kan jag varmt rekommendera Frank Bethwaites fantastiska bok High Performance Sailing. Den har, förutom en imponerande mängd matnyttig information om vågor, skrov- och riggdesign samt ”boat handling”, en enastående intressant och helt unik meteorologisektion, som utgör ungefär hälften av boken.

Seså, ut och kolla isobarkrökningen på prognoskartorna nu!

Måns Håkansson