卫星云图中的卡门涡街

流觞曲水

      今年2月4日偶然在卫星云图上发现了大气涡街(图1)，于是找了一些资料，初步探讨这一大气的有趣现象。
图1  2014年2月4日04时(UTC)东亚可见光云图：

利用日本MTSAT卫星的高清可见光云图制作2014年2月4日0时～6时(世界时)的韩国济州岛云图动画，如图2，可清楚地看到济州岛南侧涡旋列的形成。该涡旋列存在于入海冷锋后部的细胞状云系(层云)中，另外可发现，日本的四国岛南部的屋久岛东南侧也有明显的卡门涡街生成。
图2：

流体的卡门涡街生成示意图如图3：
图3：


       大气涡街发生时的典型天气条件是有一个低层逆温层(位于洋面上空450～2000m的高度上)。岛的顶部正好在逆温层的上方。同时基本气流是稳定的，风速约为10m/s左右。低层的逆温层很重要，因为它意味着空气绕过障碍物的运动要快于越过障碍物的运动。多云的尾流中会出现晴空区，这可能是逆温层上的较干空气朝下进入的缘故。图4为2014年2月4日北京时08时济州岛(站号47185)的探空图，可发现700hPa以下的低层为西北偏北风，涡街向下游的南东南方向排出，850～700hPa之间有逆温层。
图4：

根据地面至700hPa更精细的探空图(图5)可发现(层结曲线为右侧黑线)，逆温层的具体位置约在825～810hPa之间，810～750hPa为等温层，再往上温度又随高度减小。济州岛上汉拿山顶海拔约为1950m，稍高于逆温层顶(810hPa左右)。
图5：

图6、7为2014年2月4日北京时08时850hPa和925hPa天气图，可看出黄海和东海低层的基本气流稳定，并且等温线和等高线夹角几近垂直，冷平流强烈。
图6：

图7：


       大气涡街为一定条件下产生的地形中尺度环流，欧洲中心细网格产品可对其描述并做出预报。图8为EC细网格2014年2月3日08时起报，2月4日08时涡度预报场，可看到济州岛南侧的一个个正涡度和负涡度中心，即卡门涡街的涡旋列，屋久岛的东南侧的涡街也有反应。
图8：

图9为EC细网格2014年2月4日08时资料同化后的风场的初始场，可看出风场的格点尺度和济州岛及涡旋直径的尺度相当，但风场的初始场(包括流场，图略)却没有把涡街环流描述出来。
图9：

另外，涡旋列在细网格散度场上的表现也不明显，只是在山的迎风坡和背风坡有较强的辐合辐散，图略。

TIPS：
       一般把处在相对于气流运动的实体背后的湍流区叫做尾流，风吹过海岛或山峰，其背风面常常会形成尾流。在一定的海洋和大气条件下，背风坡一侧可诱导大气扰动，在障碍物两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，它们一个接一个地向下游传播。这种在尾流中发生的涡旋列叫做“涡街”，这种涡旋列有的呈气旋性环流，有的呈反气旋性环流。冯·卡门通过实验研究了涡街现象，称为卡门涡街(Karman vortex street)。这种涡街一般是由两排近于平行的涡旋组成的，一排中的涡旋位于另一排之上两个相邻涡旋的中点上。在同一排上的涡旋具有类似的环流，而在另一排上的涡旋的环流则正好相反。最初排出的涡旋，其直径与障碍物的尺度相当，随着向下游移动，涡旋的直径不断增大。大气中也存在涡街现象，称为大气涡街。它们是气流与地形(山脉，岛屿等)相互作用的产物。大气涡街与卡门涡街是很相似的。据研究，从济州岛排出的涡旋的直径通常在40km左右，大致与岛的直径相当，当这些涡旋顺流移动时，纵向间隔约为50-100km，侧向间隔约为30-50km。一个直径为40km的岛会形成宽约100km，长约400-600km的尾流。一般来说，大约每8小时左右从岛上排出一对涡旋，持续达30小时以上。他们的位移速度约为基本气流的3/4。在涡旋中的切向速度约为未扰动气流速度的1/3。
      参考资料：余志豪等，流体力学(第三版)  
                       寿绍文等，中尺度气象学(第二版)



最后展示一些由卫星或国际空间站拍摄到的大气中的卡门涡街现象：
Pic1  南大西洋特里斯坦-达库尼亚岛形成的卡门涡街：


Pic2  智利塞尔扣克岛形成的卡门涡街：


Pic3  日本海北部的利尻岛形成的卡门涡街：


Pic4  阿留申群岛形成的卡门涡街：


Pic5  墨西哥瓜达卢普岛形成的卡门涡街：


Pic6  葡萄牙马德拉岛和加纳利群岛形成的卡门涡街：


Pic7  非洲西北部佛得角群岛形成的卡门涡街：


Pic8  格陵兰海域杨曼因岛形成的卡门涡街：


Pic9  太平洋索科罗岛形成的卡门涡街：


Pic10  墨西哥瓜达卢普岛形成的卡门涡街：


Pic11  美国外海下加利福尼亚瓜达卢普岛形成的卡门涡街：


Pic12：

流觞曲水

沙颖凯 发表于 2014-2-12 21:44

                               
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涡街是不是主要发生在大气条件稳定的区域，对天气有影响么

对天气影响不大，但建筑物尺度的卡门涡街会引起建筑物共振而使其倒塌。下图为卡门涡街引起的美国塔科马海峡大桥的共振：

沙颖凯

涡街是不是主要发生在大气条件稳定的区域，对天气有影响么

river

赞一个，这个现象很有趣啊

传说中的谁

水水碉堡啊，写个文章铁定能发。

kongfeng0824

牛X               

grassc

传说中的谁 发表于 2014-2-12 22:11

                               
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水水碉堡啊，写个文章铁定能发。

写这样的文章很难发，都是已经共识的东西。具有科普意义。
不过这个现象确实很有意思，楼主也很有兴趣找这么多漂亮的图片。

zxlvhc

大自然的鬼斧神工啊，真是奇妙，长姿势了

sywyx

这个研究工作很有意义

568679112

大大滴有意思啊！！