焚風

焚風(F?hn wind)是出現在山脈背面的干熱風,是一種氣流越山后絕熱下沉引起的氣溫上升和相對濕度降低的現象。焚風往往出現在中緯度相對高度不低于800~1000米的山地,或者緯度更低的山地。

當潮濕空氣越過高山時,常在山的背風坡山麓地帶形成一種干燥高溫的氣流,稱作焚風。焚風往往以陣風形式出現,從山上沿山坡向下吹。焚風在迎風坡成云致雨,在背風坡形成干熱風的整個過程稱為“焚風效應”。
一般來說,空氣流動遇山受阻時會出現爬坡或繞流。氣流在迎風坡上升時,溫度會隨之降低。空氣上升到一定高度時,水汽遇冷出現凝結,以雨雪形式降落。空氣到達山脊附近后,變得干燥,在背風坡一側順坡下降,并以干絕熱率增溫。因此,空氣沿著高山峻嶺沉降到山麓的時候,氣溫常有大幅度的升高。焚風強烈時,常常帶來一系列災害。
來源
焚風這個名稱來自拉丁語中的favonius(溫暖的西風),德語中演變為F?hn,最早主要用來指越過阿爾卑斯山后在德國、奧地利谷地變得干熱的氣流。
別名
在世界各地山脈幾乎都有類似的風,對類似的現象還有類似的地區性的稱呼:
在智利的安第斯山脈這樣的焚風被稱為帕爾希風(Puelche),
在阿根廷同樣的焚風被稱為Zonda,
美國落基山脈東側的焚風叫欽諾克風(chinook),在加利福尼亞州南部被稱為圣安娜風(Santa Ana),

在山區,當氣流與山地坡向垂直或夾角較大時,濕氣流會翻越山坡,對迎風坡和背風坡的氣溫和降水產生不同的影響。
1、山地兩側降水差別較大。
在迎風坡,濕空氣隨氣流上升而逐漸降溫冷卻,空氣中的水汽逐漸達到飽和狀態。當空氣中的水汽達過飽和時,水分子便會凝結成云而形成降水,特別是中海拔地段,常形成多雨中心。在一定高度范圍內,降水量隨海拔升高而增加,這一范圍叫最大降水帶;其后因水汽減少,降水量也隨之逐漸減少。
在背風坡,空氣順山坡下沉氣溫升高,空氣中的水汽不易達到飽和狀態,故降水較少。
2、山地兩側的氣溫變化
當空氣在沿迎風坡運動時,可以把它看成是在做垂直運動,空氣的這種運動過程常常是絕熱進行的。在所含水汽達到飽和之前按干絕熱直減率(1℃/100m)降溫;當空氣上升到凝結高度(即達飽和狀態)以后,水汽凝結時會釋放出一部分潛熱,對空氣加熱,使空氣上升時冷卻的速度減慢,按濕絕熱直減率(0.5-0.6℃/100m)降溫,并因發生降水而減少水汽含量。
空氣過山后,在背風坡已經成為缺少水汽的干空氣,它順坡下沉基本上是按干絕熱直減率(1℃/100m)進行增溫的。故氣流過山后的溫度比山前同一高度的溫度高得多,濕度也顯著減少。
例如:有一氣流,要翻越一座高度為4000米的山脈,假定其在迎風坡山麓處的溫度為15℃,凝結高度為1000米,由于在凝結高度以下空氣每上升100米氣溫降低1℃,故在高度為1000米處的氣溫為5℃;在凝結高度以上,每上升100米降低0、6℃,那么這團空氣到達山頂時氣溫將會降至-13℃。如果凝結出的水汽完全降落到了山前,在空氣翻山后,就成了干燥的氣團。在無水汽的影響下,氣流按每下降100米氣溫升高1℃進行,當氣流到達山底時,將會變成27℃的干熱風。
在中緯度相對高度不低于800~1000米的任何山地都會出現焚風現象,甚至更低的山地也會產生焚風效應。
世界分布

人們最早發現歐洲阿爾卑斯山脈的焚風效應最為顯著。同一時間,在迎風的山南的意大利米蘭往往是大雨如注,寒氣襲人,而在山北的瑞士卻是南風陣陣,碧空萬里,干熱難熬,呈現出明顯的“山前山后兩重天”的景象。另外,南美洲南部大陸東側的巴塔哥尼亞荒漠的形成也與焚風效應有關。
在世界上,亞洲的阿爾泰山、歐洲的阿爾卑斯山、北美的落基山和南美的安第斯山等地都是著名的焚風出現區。
中國分布
在中國,焚風現象也到處可見。如在天山南北、秦嶺腳下、川南丘陵、金沙江河谷、大小興安嶺、太行山下、皖南山區、臺灣的中央山脈等地都能見到其蹤跡。
焚風現象在中國西南峽谷區表現的尤為明顯。例如,云南怒江谷地自然環境具有熱帶和亞熱帶稀樹草原特征,顯然與焚風效應有密切聯系。
1956年11月13、14日,太行山東麓石家莊氣象站曾觀測到在短時間內氣溫升高10.9℃的焚風現象。
災害

1、焚風強烈時,氣溫迅速升高,空氣濕度降低,能使農作物枯萎,樹木葉片焦枯,土地龜裂,甚至會引起森林火災、干旱等災害;
2、在高山地區還可以使大量積雪融化,造成洪水泛濫;
3、焚風天氣出現時,許多人會出現不適癥狀,如疲倦、抑郁、頭痛、脾氣暴躁、心悸和浮腫等。這是由焚風的干熱特性以及大氣電特性的變化對人體影響引起的。
益處
“焚風”有時也能給人們帶來益處:
1、北美的落基山,冬季積雪深厚,春天焚風一吹,不需多久,積雪會全部融化,大地長滿了茂盛的青草,為家畜的飼養提供豐富的草場資源,因而當地人把它稱為“吃雪者”。
2、程度較輕的焚風, 能增加當地熱量,可以提早玉米和水果的成熟期,所以原蘇聯高加索和塔什干綠洲的居民,干脆把它叫做“玉蜀黍風”。

1、在山地迎風坡,濕氣團隨地形升高而降溫冷卻,形成降水。為此,在迎風坡植樹種草可防止水土流失,而森林的存在因其增濕降溫作用更能夠增加降水機會;
2、在適當的位置修建水庫和大壩,把儲存的水通過輸水管道送到需水地區,以調節降水的時空分布不均。
3、在干熱河谷地帶造林,花高價搞個點做做樣子是可以的,但不具推廣意義,更不可能持久,因為背風坡森林的存在是很困難的,這一點在中國西南地區的干熱河谷地帶已有實證。
3、對于沿山地背風坡下滑所產生的熱干風而言,人們應小心謹慎,嚴防火災發生。
4、建筑施工單位要注意作好防塵工作,居民應該多喝水、多吃蔬菜和水果,以免引起上呼吸道感染等疾病。
熱力學理論
1、基本理論
按照熱力學理論,焚風與其它風一樣是由于氣壓不同而形成的,山背風面的氣壓低。在迎風面空氣上升,溫度干絕熱下降(隨氣壓的下降溫度下降,熱量不散發),這個下降速度約為每上升1000米氣溫下降6攝氏度。當氣溫下降到露點時空氣的相對濕度達到100%,在這種情況下空氣繼續上升就開始進入濕絕熱降溫的過程了。在這個過程中水不斷凝結出來,而空氣的相對濕度保持在100%。這個過程中氣溫下降的速度為略小于0.6度/100米,接近0.5度/100米,使得溫度相比沒有焚風的時候下降緩慢。以至于焚風會使在足夠高的山頂上出現相對高溫的情況。凝結出來的水在山的迎風面形成云,假如空氣繼續不斷上升會產生雨和雪。從山的背風面看上去可以看到山脊上形成一堵云墻,而它的后面則是藍天。假如焚風非常強的話,也有可能將降雨區帶到背風面。
在山脊背后空氣開始下降,按照這個理論空氣下降的原因是山兩邊的氣壓差。在下降過程中空氣隔熱升溫(隨氣壓上升而溫度上升,不吸收熱),但由于空氣的相對濕度隨溫度上升而下降,這個升溫過程完全是干的,沒有水蒸發的過程,因此升溫的速度大約是1度/100米,比空氣在迎風面上升時要高。同時空氣的相對濕度不斷降低,造成了干燥的熱風。
2、存在不足
熱力學理論非常形象地解釋了焚風形成的原因,因此它也常常被列入教科書中。但是這個理論有許多不足之處,比如:
(1)、有時焚風在迎風面沒有形成云或降水的情況下也會形成;
(2)、有時迎風面上升的空氣并不是在背風面下降的空氣,有時迎風面上升的空氣甚至會流回;
(3)、此外熱空氣下降也是一個不容易理解的事。
動力學理論
雖然空氣是氣體,但是有時空氣也顯示出液體的特性。在許多情況下空氣中會形成大氣波。大氣波是許多不同的力,比如大氣壓力差、科里奧利力、引力和阻力相互影響造成的。在許多大氣不穩定狀態下會有大氣波產生。21世紀初,對焚風的解釋主要是一個流體力學的動態學理論。
福祿數
最好的焚風的解釋是一個三維的流體力學模型,在這個模型里山谷起一個重要的作用。山谷造成的橫向的壓縮對于焚風的形成是非常關鍵的。在這個模型中福祿數F是一個關鍵的數據。這個數體現出一個流體系統中慣性力與重力之間的關系。
F=1的流體稱為臨界流,在這種情況下產生地形波的可能性非常高
F<1的流體稱為亞臨界流,氣流無法越過障礙物
F>1的流體稱為超臨界流,氣流沒有大的震蕩就可以越過障礙物
1、亞臨界流里的慣性力占支配地位,在障礙物前流體升高,流速降低,流體的動力能轉化為勢能。流體越過障礙物后勢能又回轉為動能,流體的流速沿障礙物向下加快。
2、超臨界流里流體在障礙物上方被壓縮,流體的流速因此加快,它的勢能轉化為動能,在越過障礙物后它的動能回轉為勢能。
假如氣流獲得足夠的加速度,以及阻擋氣流的障礙物足夠大,所以氣流被足夠強地壓縮的話,那么本來的亞臨界流可以變成超臨界流,在障礙物的背風面這個超臨界流就會以極高的速度沖下山坡。沖下山坡后它會遇到山坡下本來處于亞臨界流的氣流,從而又轉變為亞臨界流,這個轉變是一個斷續過程,在超臨界流和亞臨界流之間會造成激波。
這個激波現象實際上每個人都觀察到過:水龍頭里的水高速沖擊到面盆里后會以超臨界流的方式向四方沖流,這個沖流是相當平的,其中幾乎沒有漩渦。但是沖到了一定的距離后它會遇到周圍的亞臨界流流體,造成一個幾乎圓形的激波,這個激波里有非常激烈的漩渦。大氣里的氣流也是這樣的。不同的是,水流在從超臨界流過渡到亞臨界流時會將其動能施放為熱能,而氣流則保存這個動能,將它轉化為內能。刮焚風的時候可以測量到與上述水龍頭的例子相似的漩渦,說明在刮焚風時地確有超臨界流存在。
駐波
山等地面障礙物可以在大氣中導致地形波。地形波是一種重力波。假如在高空有比較密集的氣流(比如因為山的影響),它們會受重力影響下沉,由于慣性的作用會下沉到周圍空氣比它密集的地方,這樣它會受浮力上升,又由于慣性的作用上浮到周圍空氣比它疏散的地方,再次下沉。這樣的地形波的三維形狀不變,但波內的氣流是在不斷流動的,因此它是一種駐波。
缺口動態
缺口動態是焚風中的一個關鍵元素。假如一座山脈的山脊到處一樣高的話,那么這個問題是一個二維的問題,但是幾乎所有有強的焚風的山脈比如卡斯卡達山脈、喜馬拉雅山、阿爾卑斯山脈等都有通風的山谷。假如氣流的福祿數不足以使得氣流越過山脊的話,那么氣流會通過這些山谷流過。
根據以上原理,焚風是這樣的:一開始的時候在山脈的兩側和周圍的氣象條件是一個幾乎平行的逆溫氣象。一個低壓靠近山脈的一側(背風側),開始吸引山脈這一側的地面冷空氣,并通過山谷吸引迎風側的地面冷空氣和山上的熱空氣。山谷里的氣流速度不斷提高。假如低壓的吸引力足夠強的話,那么在山谷周圍遲早會形成超臨界流,山谷對氣流的壓縮更加加強這個效應。很快山谷里的氣流就達到了其最高速度。上方的熱空氣也被吸引下沉,在背風的山坡上會形成超臨界流。這個效應不斷向山脊擴展,最后整個山脊上都會形成超臨界流。焚風從山谷開始,擴展到整個山脊。
降雨
降水不是焚風的必要條件,1984年發表的一個統計表明,在阿爾卑斯山脈10%的焚風沒有降雨伴隨。