一座小岛，如何在天空中留下绵延数百公里的涡街？——从卫星照片出发，认识大气中的卡门涡街

从卫星上俯瞰海洋，有时能看到一幅奇特的景象：孤立岛屿的下风方向，云层呈现出一串左右交错的涡旋状图案，仿佛天空中排起了一列“逗号”。这样的云涡列有时可向下游延伸数百公里。一座静止的岛屿，为什么会在流动的大气中留下如此有规律的图案？这背后，是流体力学中的经典现象——卡门涡街。

图1 2000年6月11日，墨西哥瓜达卢佩岛下风方向的涡旋状云带（NASA Terra/MISR 卫星观测；图片来源：[1]）

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先看现象：卫星为何能拍到“天空中的漩涡”？

请留意图1中墨西哥瓜达卢佩岛下风方向的云带：这些涡旋交错分布在尾流两侧，旋转方向也交替变化。海洋层积云的卷曲与聚散，让原本难以直接观察的大气尾流结构显现出来。

为什么空气中的涡旋能够在云层中留下图案？云滴会随气流输运，云本身也会形成和消散。涡旋伴随的上升、下沉及混合过程，会影响水汽的凝结与云滴的蒸发，从而改变云层的厚度和分布。例如，图中部分涡旋中心的少云区，就与局地下沉气流有关：空气下沉时压缩增温，相对湿度降低，云滴便可能蒸发，云层中由此出现“空隙”。

因此，卫星云图显示的是涡旋在云层分布中留下的可见特征，并不是对空气速度或涡量的直接测量。云会形成和消散，其形态不能简单等同于空气质点的运动轨迹。我们可以借助影像辨认涡旋的位置和大致间距；若要进一步判断空气旋转的强弱及其三维结构，还需要结合风场观测或数值模拟。

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从小实验到大气：卡门涡街是怎样产生的？

理解岛屿尾流，可以先从实验室中的圆柱绕流说起。当流体以近似恒定的平均速度流过静止圆柱，在适当的雷诺数范围内，圆柱后方会交替脱落旋转方向相反的涡旋。雷诺数是衡量流动中惯性作用与黏性作用相对强弱的无量纲参数。这些涡旋向下游移动，形成两列交错排列的尾流结构，即经典的卡门涡街。在更高雷诺数的湍流尾流中，也可能存在有组织的交替脱落，但其周期性和形态会受到湍流的影响。

图2 圆柱绕流实验的油蒸气流动可视化照片：尾流中出现交替排列的卡门涡旋（摄影：Jürgen Wagner，2014；CC BY-SA 4.0；图片来源：[2]）

来流绕过圆柱时，黏性作用使圆柱表面附近形成一层速度变化明显的薄层，称为边界层。边界层在圆柱后部发生分离后，在尾流两侧形成携带涡量的剪切层。当尾流发生失稳时，微小扰动可以逐渐放大，使两侧流动出现交替摆动，剪切层随之卷起，形成向下游运动的涡旋。因此，即使圆柱静止、来流近似恒定，尾流仍可能产生有节律的非定常运动；维持这种运动的能量，来自持续流过圆柱的来流。

为了描述涡旋脱落的节律，流体力学常用斯特劳哈尔数（Strouhal number），定义为 St = fD/U。其中，f 是涡旋脱落频率，D 是障碍物的特征长度，U 是代表性来流速度。圆柱绕流中通常取 D 为圆柱直径；对于岛屿尾流，特征长度还需结合山体形状和大气层结选取，例如逆温层高度附近山体的横风向宽度。这一参数将脱落周期与气流通过一个障碍物尺度所需的时间联系起来。在其他条件相近、斯特劳哈尔数近似不变时，障碍物越宽，涡旋脱落的周期通常越长。

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为什么一座小岛也能像“圆柱”那样激发尾流？

岛屿虽不像圆柱那样形状规则，却也能迫使来流绕行。海洋边界层上方若存在较强的稳定层结或逆温层，空气的垂直运动就会受到抑制。逆温层是气温随高度升高而升高的一层空气，可以粗略理解为限制低层气流向上翻越的一道“软盖子”。当逆温层高度、山体高度和来流速度等条件适宜时，部分低层气流会更多地从岛屿两侧绕行，在下风方向形成风速低于周围来流的区域，其两侧存在明显的风速差异。这样的地形尾流在一定条件下可以出现交替脱落的涡旋。

图3 2015年5月20日，加那利群岛及马德拉岛附近的多列岛屿尾流云涡旋（NASA Terra/MODIS 卫星观测；图片来源：[3]）

图3展示了多个岛屿后方的涡旋云带。它们与圆柱尾流呈现相似的交错形态，但两者的形成机制不能简单画等号。真实大气中的稳定层结、复杂地形和背景风场，会共同影响气流是绕过还是翻越山体，也会影响涡旋的产生、演化与衰减。岛屿尾流因而既有经典涡街的形态，又具有更加复杂的三维流动特征。

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为什么涡街能延伸数百公里？

涡街的长度，取决于涡旋持续脱落、向下游输运，以及它们能够存续多久。当风场和大气层结条件适宜时，岛屿后方可以不断产生新的涡旋；较早形成的涡旋若能维持足够长的时间，就会随气流移动到更远的下游，与后续涡旋组成一条长长的涡列。这里的“数百公里”，指的是整条涡街的延伸长度。

图4 2017年6月25日，南大西洋特里斯坦-达库尼亚岛（Tristan da Cunha）下风方向的涡旋云带。该图为 Landsat 8/OLI 假彩色合成影像，并非自然彩色照片（图片来源：[4]）

一个简单的估算就能帮助我们理解这一尺度：假设一个涡旋能够维持约10小时，并以平均每秒10米的速度向下游移动，它就能移动约360公里。研究指出，大气中岛屿尾流涡街的总长度可达400公里甚至更远。这并不意味着所有涡旋都能维持这么久。随着向下游移动，涡旋会在混合、耗散及周围流动的作用下逐渐演变和减弱；云层分布的变化，也会影响卫星图像中涡街的可见范围。

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这种现象告诉了我们什么？

小岛尾流提醒我们：障碍物静止，并不意味着它后方的流动也会保持不变。在适宜条件下，尾流中的微小扰动能够逐渐放大，最终形成有节律的涡旋脱落。这正是流动失稳所带来的一个直观而生动的结果。

下次在卫星图像中看到一串如“逗号”般排列的云涡时，不妨把它们看作大气留下的“流动笔迹”。岛屿改变了来流，尾流中的涡旋又通过空气运动和云的形成与消散，改变了云层的分布。原本难以看见的空气运动，就这样在天空中留下了绵延数百公里的痕迹。

参考文献与图片出处：

[1]https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/atmospheric-vortices-near-guadalupe-island-987/

[2]https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

[3]https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/canary-islands-kick-up-von-karman-vortices-85989/

[4]https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/two-views-of-von-karman-vortices-90734/

来源：中国科学院力学研究所

编辑：Karlwater

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