地形对风场的影响及影响因素

在研究具体的中尺度天气系统之前，我们必须首先对空气与地形地貌的互动方式形成一个总体概念，这是本节和下节的目的。读者应该通过这两节熟悉水平和垂直方向上风对障碍物的适应过程和这些适应过程彼此之间为什么差异如此之大。

当风遇到障碍时，要么“跨过”去，要么“绕过”去，要么是两者结合。沿着障碍物，例如沿着一个山脊，局部的风将被加强，如图11-10（左)所示。如果主导风向沿着山脊走向吹，这种现象更加明显。如果山脊之间存在空隙，或在两块陆地之间，那么将发生更高效的引导作用^[2]，如图11-10（右)所示，但是风况更加复杂。直布罗陀海峡的高风速就是因为两块陆地之间的风由于引导作用而被加强的，台湾海峡也是这种现象的一个很好的例子。

图11-10 与风速对应的流线图，流线越密风速越大。沿着障碍物（左)，穿过缝隙（右)

究竟风是会“跨过”障碍还是被阻拦？风是否被加速？如果被加速，那么加速效应有多大？要想回答这些问题，还需要进一步分析。最主要的参数是障碍物的水平和垂直尺度，然而平均风速和大气稳定度也是两个影响风况的不可忽略的因素。可以用三个值合成的一个值来作为气流行为的指标^[91]:

式中 U——山脊迎风坡的风速；

h——山脊高度；

N——用来描述环境静态稳定度的参数；

F_r——无量纲参数，山体垂直扰动的弗劳德（Froude)数，有时用来描述惯性力和浮力的比，可用来评估不同的风况遇到山体后是加速还是减速。

该判据适用于稳定大气的情形，当受山体扰动的气流处于中性稳定，并趋于不稳定时，F_r→∞，此判据不再适用。

加速和减速实际上是势能和动能之间的相互转化过程，如图11-11所示。

图11-11 不同弗劳德数时，过山气流的动能和势能转化关系。山脊上的风可能变弱（左)，变强（中)，也可能发生下坡风暴（右)

注:图中KE代表动能，PE代表势能。

相对不稳定的大气环境，即中性或不稳定，应该更倾向于使风在跨越山体时减速。相对低矮的山顶或山脊上，风之所以被加速，是因为此时边界层顶部存在逆温现象。与风吹过空隙（如图11-10（右)所示)的情况类似，该逆温现象可能形成文丘里效应^[3]，阻止整个边界层被抬起而加速。稳定空气则可以对抗抬升过程而容易被加速。

各种稳定大气条件下，不同弗劳德数的流过孤山的气流形态如图11-12所示^[91]。对于强稳定大气环境下，低风速时，如图11-12a所示，气流更倾向于绕过山体而非跨过。如果逆温层高度低于山顶，且风速较低，那么气流也可能被完全挡住，并在下风向形成如图11-13所示的有趣的云图。

对于略高的风速和略弱的大气环境，一部分气流会跨过山体，而低层的大气会分流，进而绕过山体，如图11-12b所示。跨过山体的气流形成下风波，波长远小于山体的尺度。

当弗劳德数等于1时，大气更不稳定，风速更高，如图11-12c所示，下风波的波长将增大到与山体尺度相当。大尺度的下风波与山体形成共振，并可能在波峰的下面，地表附近形成涡旋。如果此时空气中水蒸气充足，加上有利的地形，可能发生一种有趣的现象，如图11-14和图11-15所示。气流爬坡过程中被冷却，水蒸气凝结而在山顶形成云团，然而翻过山顶后其温度比周围环境低而发生下沉。下沉时水分蒸发放热使气流升温，云团消失。下沉一定高度后其温度开始高于周围温度而再次上升。上升后水蒸气又冷却凝结形成云，到一定高度后再次下沉。由此产生这种振荡波形云，能量以波的形式扩散，这也佐证了空气动量可以以波的形式传播。

图11-12 各种稳定大气条件的过山气流，山体为孤山，用山体的高度表达弗劳德数^[92](www.xing528.com)

图11-13 由于气流被山体完全阻挡而形成的卡门涡街现象（该云图是南半球强稳定大气环境下的一个岛屿产生的)

图11-14 风很容跨越山体，却在下风向形成振荡波的情况

图11-15 风跨越山体后形成的波形云

如果风速进一步增大，大气稳定度进一步减弱，如图11-12d所示，下风波的波长超过山体的尺度。这将导致下风坡边界层的分流，形成空腔，风向和边界层界面逆转。

强风和中性大气稳定度的情况下，弗劳德数趋于无穷大，不再适用于测量气流动态，如图11-12e所示。流线被扰动影响，影响区域从迎风坡延伸到山体尺度三倍的范围。影响区域之外，气流将不再感受到山体的存在。山体顶部流线密集，对风起到了加速作用。

P.Taylor通过分析Askervein山非常详尽的数据，试图对加速效应进行量化^[90]。在海拔为h的山顶上，距地面为z的高度上，风速的相对增加为

式中 A和B——经验常数；

L——大气稳定度参数，通常L≈100m，但对于中性大气，L无限大。

因此该估算方法不能用于中性大气。理论上，中性稳定大气没有加速效应。当边界层充分混合时仍能观测到加速效应，是因为边界层顶部被逆温层覆盖，局限了气流并形成文丘里效应。

当风遇障碍物时，不同大气稳定度下的加速效应可以概括为（见图11-16):

1)越稳定大气，加速效应一般越明显。

2)而稳定大气容易被障碍物阻拦而无法跨越，也就无从谈起加速效应。

3)当然风是跨越山体，还是绕过或被阻挡，还与山体的大小、高矮、形状和走向有关。

4)风速对气流能否跨越山体和加速效应也起着重要的作用，毕竟是风把空气推送上山的。

图11-16 不同风况遇到山体的反应举例[例1（左):不稳定大气，山体较矮，风速较高，此时的加速效应较差。例2（中):稳定大气，山体较矮，风速较低，加速效应较好；例3（右):稳定大气，山体高大，风速较低，此时气流被阻挡或从旁边绕过]