焚风的动力学

如题所述

第1个回答  2016-05-13

虽然空气是气体,但是有时空气也显示出液体的特性。在许多情况下空气中会形成大气波。大气波是许多不同的力,比如大气压力差、科里奥利力、引力和阻力相互影响造成的。在许多大气不稳定状态下会有大气波产生。今天对焚风的解释主要是一个流体力学的动态学理论。 福禄数
最好的焚风的解释是一个三维的流体力学模型,在这个模型里山谷起一个重要的作用。山谷造成的横向的压缩对于焚风的形成是非常关键的。
在这个模型中福禄数F是一个关键的数据。这个数体现出一个流体系统中惯性力与重力之间的关系。
F=1的流体称为临界流,在这种情况下产生地形波的可能性非常高
F<1的流体称为亚临界流,气流无法越过障碍物
F>1的流体称为超临界流,气流没有大的震荡就可以越过障碍物
1. 亚临界流里的惯性力占支配地位,在障碍物前流体升高,流速降低,流体的动力能转化为势能。流体越过障碍物后势能又回转为动能,流体的流速沿障碍物向下加快
2. 超临界流里流体在障碍物上方被压缩,流体的流速因此加快,它的势能转化为动能,在越过障碍物后它的动能回转为势能
假如气流获得足够的加速度,以及阻挡气流的障碍物足够大,所以气流被足够强地压缩的话,那么本来的亚临界流可以变成超临界流,在障碍物的背风面这个超临界流就会以极高的速度冲下山坡。冲下山坡后它会遇到山坡下本来处于亚临界流的气流,从而又转变为亚临界流,这个转变是一个断续过程,在超临界流和亚临界流之间会造成激波。这个激波现象实际上每个人都观察到过:水龙头里的水高速冲击到面盆里后会以超临界流的方式向四方冲流,这个冲流是相当平的,其中几乎没有漩涡。但是冲到了一定的距离后它会遇到周围的亚临界流流体,造成一个几乎圆形的激波,这个激波里有非常激烈的漩涡。大气里的气流也是这样的。不同的是,水流在从超临界流过渡到亚临界流时会将其动能施放为热能,而气流则保存这个动能,将它转化为内能。刮焚风的时候可以测量到与上述水龙头的例子相似的漩涡,说明在刮焚风时地确有超临界流存在。 驻波
山等地面障碍物可以在大气中导致地形波。地形波是一种重力波。假如在高空有比较密集的气流(比如因为山的影响),它们会受重力影响下沉,由于惯性的作用会下沉到周围空气比它密集的地方,这样它会受浮力上升,又由于惯性的作用上浮到周围空气比它疏散的地方,再次下沉。这样的地形波的三维形状不变,但波内的气流是在不断流动的,因此它是一种驻波。 缺口动态
缺口动态是焚风中的一个关键元素。假如一座山脉的山脊到处一样高的话,那么这个问题是一个二维的问题,但是几乎所有有强的焚风的山脉比如卡斯凯德山脉、喜马拉雅山脉、阿尔卑斯山脉等都有通风的山谷。假如气流的福禄数不足以使得气流越过山脊的话,那么气流会通过这些山谷流过。
今天的解释焚风是这样的:一开始的时候在山脉的两侧和周围的气象条件是一个几乎平行的逆温气象。一个低压靠近山脉的一侧(背风侧),开始吸引山脉这一侧的地面冷空气,并通过山谷吸引迎风侧的地面冷空气和山上的热空气。山谷里的气流速度不断提高。假如低压的吸引力足够强的话,那么在山谷周围迟早会形成超临界流,山谷对气流的压缩更加加强这个效应。很快山谷里的气流就达到了其最高速度。上方的热空气也被吸引下沉,在背风的山坡上会形成超临界流。这个效应不断向山脊扩展,最后整个山脊上都会形成超临界流。焚风从山谷开始,扩展到整个山脊。 假定空气块在垂直运动中与外界不发生热量交换,既无热量输入,也无热量输出,叫绝热过程。由于空气的导热率很小,垂直运动中经历各气层的时间又很短,所以,运动气块与周围空气的热量交换作用极微弱,可看作空气作绝热运动,大气中的干空气和未饱和的湿空气块在作垂直的绝热运动时,气温会发生变化。如从地面绝热上升时,会因周围气压的减少而体积膨胀,用内能反抗外力,因此,它的温度就下降;空气块下降时,外压力增大,对其作压缩功,转化为内能,使其温度上升。这种空气块的运动,会使大气形成不同的温度层结。

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