狹管效應(yīng)與氣象災(zāi)害

天津市氣候中心 楊德江

狹管效應(yīng)與氣象災(zāi)害

天津市氣候中心 楊德江

Narrow pipe effect and metrological disasters

近年來(lái)，大風(fēng)這種氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越大，其中有一種特殊地形下的強(qiáng)風(fēng)更使人聞之色變，其所到之處不僅對(duì)交通、建筑、環(huán)境、人們的生活等多方面造成危害，甚至對(duì)人們的生命安全構(gòu)成威脅。那么，這是一種什么氣象現(xiàn)象呢？

肆虐的“黑風(fēng)”

2010年4月24日5時(shí)至25日5時(shí)，新疆南部和東部、青海北部和西部、甘肅、內(nèi)蒙古西部和寧夏等地出現(xiàn)6～7級(jí)大風(fēng)，部分地區(qū)瞬間風(fēng)力達(dá)到8～9級(jí)，并伴有沙塵天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)了沙塵暴，其中甘肅的部分地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)沙塵暴或特強(qiáng)沙塵暴，甘肅民勤24日19時(shí)10分瞬間極大風(fēng)速達(dá)到28米/秒，能見度接近0米，這種強(qiáng)沙塵暴天氣被稱為黑風(fēng)（圖1）。

進(jìn)入2000 年以來(lái)，強(qiáng)沙塵暴頻繁侵襲甘肅中部，并且強(qiáng)度和影響范圍越來(lái)越大，嚴(yán)重威脅著甘肅中部以蘭州大工業(yè)城市為中心的廣大地區(qū)（圖2）。從較大的時(shí)空尺度來(lái)看，出現(xiàn)這一趨勢(shì)的原因不僅有大氣環(huán)流局地異常發(fā)展，使影響我國(guó)西部地區(qū)的冷空氣強(qiáng)度加大，速度加快；還有近年來(lái)不合理的人類活動(dòng)， 使此區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化等因素。另外，從地理因素上看，甘肅中部區(qū)域位于青藏高原東北側(cè)的邊坡地帶，周邊沙漠眾多，狹長(zhǎng)的河西走廊北與蒙古高原相接，強(qiáng)冷空氣南下至此會(huì)產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，使風(fēng)速明顯增大，形成強(qiáng)沙塵暴天氣。

“狹管效應(yīng)”

那么，什么是“狹管效應(yīng)”呢?當(dāng)氣流由開闊地帶流入地形構(gòu)成的峽谷時(shí)，風(fēng)速增大；而流出峽谷時(shí)，空氣流速又會(huì)減緩，這種地形峽谷對(duì)氣流的影響被稱為“狹管效應(yīng)”。在城市中，高大的建筑之間也會(huì)因“狹管效應(yīng)”產(chǎn)生局地強(qiáng)風(fēng)現(xiàn)象，通常被稱為“狹管風(fēng)”。研究表明，“狹管風(fēng)”的大小，是和一個(gè)城市高層建筑的數(shù)量、間距、位置有著十分密切關(guān)系的。高層建筑物越多、體積越大、間距越近，出現(xiàn)“狹管風(fēng)”的機(jī)會(huì)越大，反之則較小。

“狹管效應(yīng)”造成的多種氣象災(zāi)害

雖然發(fā)生“狹管效應(yīng)”的區(qū)域大小不一，但其形成的“狹管風(fēng)”造成的氣象災(zāi)害卻十分嚴(yán)重。除了前述的西北地區(qū)的強(qiáng)沙塵暴天氣，“狹管風(fēng)”還對(duì)交通、建筑、環(huán)境、城市生活等多方面造成危害。例如：2007年2月28日烏魯木齊開往阿克蘇的5 807次旅客列車遭到13級(jí)狂風(fēng)襲擊，造成車輛脫軌，人員傷亡，南疆線被迫中斷行車9小時(shí)。此次出事地點(diǎn)是天山南北向的峽谷地區(qū)，“狹管效應(yīng)”使冷空氣帶來(lái)的大風(fēng)經(jīng)過這一地形時(shí)風(fēng)力成倍加大，其破壞力十分驚人。再如：2009年9月23日，北京市氣象臺(tái)的監(jiān)測(cè)顯示，京城城區(qū)的風(fēng)力普遍為每秒8米，達(dá)到了五六級(jí)，一些城區(qū)的瞬間風(fēng)力則為每秒20米，相當(dāng)于能夠拔樹倒屋的十級(jí)大風(fēng)，很多廣告牌被大風(fēng)毀壞。測(cè)試結(jié)果顯示，在城市刮起六七級(jí)大風(fēng)時(shí)，由于“狹管效應(yīng)”，通過高樓之間的瞬間風(fēng)力能夠達(dá)到十二三級(jí)，為“臺(tái)風(fēng)級(jí)”。遭遇這樣威力的大風(fēng)，廣告牌和一些身單體薄的院墻便岌岌可危。“狹管效應(yīng)”所造成的氣象災(zāi)害不勝枚舉，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技水平的提高，迫切需要開展對(duì)“狹管效應(yīng)”的在各領(lǐng)域研究、應(yīng)用工作。

城市“狹管效應(yīng)”的研究近況

近年來(lái)，隨著城市的快速發(fā)展，城市中高大建筑物和建筑群鱗次櫛比，城市街區(qū)的風(fēng)環(huán)境變化顯著，“狹管效應(yīng)”在高大建筑物間造成的局地強(qiáng)風(fēng)所帶來(lái)的損失愈發(fā)嚴(yán)重。為此，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的專家進(jìn)行了多方面的研究，取得了很多頗具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的科研成果。其中，劉輝志、桑建國(guó)等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究，使風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)工作更為科學(xué)、準(zhǔn)確、合理，為高大建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的改善提供科學(xué)的依據(jù)；曹曉芳從建筑學(xué)角度，針對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境涉及行人的安全和舒適，小區(qū)氣候和居民健康，綠色建筑與節(jié)能，污染物的擴(kuò)散與空氣自凈等問題，提出了一些改善城市風(fēng)環(huán)境的措施和辦法，從而為改善城市大環(huán)境下的微氣候提供合理建議；軒春怡等從氣候的角度對(duì)城市化進(jìn)程中的局地狹管效應(yīng)進(jìn)行了初步研究，為城市規(guī)劃提供了科學(xué)的依據(jù)。

從眾多研究成果中發(fā)現(xiàn)，其實(shí)“狹管效應(yīng)”并非有百害而無(wú)一利。近年來(lái)，隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，清潔能源的開發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越為人們所重視，其中，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生、無(wú)污染而且儲(chǔ)量巨大的能源而具有廣闊的前景。隨著風(fēng)電事業(yè)的飛速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)選址已成為一個(gè)重要的研究課題，“狹管效應(yīng)”的研究為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最優(yōu)選址，以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益提供了一種重要的科學(xué)依據(jù)。

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