狹管效應(Venturi effect),又稱峽谷效應或頸束效應,指的是峽谷地形對氣流的影響。當氣流由開闊地帶流入峽谷時,由于空氣質量不能大量堆積,于是加速流過峽谷,風速增大;而當流出峽谷時,空氣流速又會減緩。
狹管效應由狹管風造成,會對交通、建筑、環境、城市生活等方面造成一定危害。城市中高樓林立是“狹管效應”的根本原因。城市“峽谷風”是各大城市面臨的新問題,有關國際組織早已將其列入大都市面臨的20種新的城市災害中。高樓林立造成的狹管效應會加重風災的影響。
相關研究表明,狹管效應并非百害而無一利。在低碳經濟的背景下,清潔能源開發和應用備受重視,其中風力發電作為可再生、無污染的能源,前景廣闊。狹管效應的研究為風力發電場選址提供了科學依據,實現最優選址,可以達到最佳經濟和社會效益。
在城市高層建筑密集區域,由于建筑物間距較小,在大風天氣下,容易產生狹管效應,人們應該遠離狹管效應區域以減少潛在風險。船舶在穿越山地海峽或河口時,需密切關注天氣狀況,做好萬全準備,特別是當風向與狹道方向基本一致且風速極大時,以防不測情況。
形成原因
作用原理
當有氣流進入喇叭口形狀的山口、峽谷和河谷等地區時,由于地形的特殊形狀,氣流會發生輻合并上升,這種現象被稱為狹管效應。
形成條件
狹管效應是指當氣流從開闊地流向狹窄地區時,風速顯著增加的現象。在峽谷等地形中,氣流的流動類似于水在河道中流動,而窄通道會阻礙風的通行,從而形成狹管效應。
有關氣象部門測試顯示,在城市中,當刮起6、7級大風時,狹管效應可以導致通過高樓之間的瞬間風力達到12級,廣告牌和一些院墻很難抵御。研究表明,狹管風的大小與城市高層建筑的數量、間距和位置密切相關。如果城市中有更多高層建筑物、它們的體積更大、間距更近,那么發生狹管效應的機會就更大。相反,如果高層建筑物較少、體積較小、間距較遠,狹管效應的出現可能性就較小。
影響因素
風向與溝谷方向斜交時,地形對氣流的狹管效應減弱,山的屏障作用增強,溝內風速明顯降低,故交角愈大,風速愈小。高層建筑物越多、體積越大、間距越近,出現狹管效應的機會越大,反之則較小。高樓林立造成的狹管效應會加重風災的影響。
以北部灣海面的地理環境舉例,當形成一條較寬的自然通道,就可以存在條件性狹管效應;粵西和北部灣海面被低厚云層或大片雨區所覆蓋時,會加劇狹管效應。這是因為云層在垂直方向上的密集覆蓋導致空氣流線收束,從而引發顯著的狹管效應。所以在冬半年預報北部灣海面的偏北大風時,應該要重視天空蟲現象。在相同的氣壓梯度下,有云(雨)區的情況下,與沒有云(雨)區相比,風速會增加3至5米每秒。
對于溝口進口的情況,風速相較于開闊地會增加17%。這是因為溝谷內的氣流受到兩側山坡的影響,摩擦力增加,導致主要氣流抬升,從而使得溝谷內的風速逐漸減小。當氣流到達溝口出口時,風速降低了34%。一旦氣流走出溝口,它會擴散,溝谷的狹管效應消失,并受到周圍山地的遮擋,導致風速進一步減小。在溝口外距離約105米的地方,風速降低了43%。然后隨著遠離溝口的距離增加,風速會逐漸增加,并在一定距離后恢復到開闊地的風速水平。
主要影響
益處
狹管效應可以應用于風力發電,第一,只要所在地區的盛行風向與狹管的方向較為一致,并且盛行風向較為集中,這意味著風能在狹窄通道中會受到較強的加速,從而增加了風力發電機組的輸出能力。第二,地形相對較簡單,以確保形成狹窄通道的氣流通道表面盡可能平滑,這是因為若通道表面不光滑,將會導致氣流產生較大的湍流,這樣對風力發電機組產生不利影響,影響發電效率。最后特別是對于峽谷風電場而言,由于不同的地形條件會對其產生影響,因此對勘測設計工作會帶來一定的難度。但是只要了解并詳細分析峽谷風電場的風能資源特性,并合理利用其特點,狹管效應就可以成為風力發電場開發和建設的助推劑。
危害
在城市高層建筑密集區域,由于建筑物間距較小,當大風迎面吹來時,無法順暢地通過,導致風力在有限的空間內集聚,會產生“峽谷效應”,瞬間成倍提高風速,出現亂流渦旋風和升降氣流,甚至會形成街道風暴。這種情況會引發高空強風被高層建筑引導至地面的現象,形成局部強風現象,形成狹管效應。當強風來襲時,這種狹管效應會使高樓附近出現強風區域,可能引發飛墜事故,對行人的安全構成威脅。行人在高樓附近可能會面臨行走困難的情況,甚至被強風吹倒,造成不便和風險。對此,只有保證一定的街道寬度,增加足夠的綠化帶作為防風隔斷,才能減少街道亂流渦旋風和升降氣流對人的侵害。
相關研究
隨著城市快速發展導致城市中高大建筑物和建筑群不斷增多,當大風吹來時,會導致局部強風現象。這種局部強風對城市帶來的影響十分嚴重,為了應對這一問題,國內相關領域的專家們進行了廣泛的研究。一些專家,如劉輝志、桑建國等,通過風洞實驗和數值模擬相結合的研究,使得風環境評價更加科學準確,為改善高大建筑物周圍的風環境提供了科學依據。另外曹曉芳從建筑學角度出發,關注建筑風環境對行人安全、居民健康、綠色建筑和節能等方面的影響,提出了改善城市風環境的措施和辦法,為改善城市微氣候提供了合理建議。還有軒春怡等專家從氣候角度對城市化進程中的局地狹管效應進行了初步研究,為城市規劃提供了科學依據。
防范措施
商業區域通常是由高樓大廈密集而成的區域,形成了一種人造的風口現象。在這樣的地區,廣告牌、標識牌和其他輕便結構物很容易受到強風的吹襲,增加了被吹落的風險。在大風天氣條件下,人們應盡量避免逗留在這種狹管效應區域,以避免潛在的安全風險。
船舶在穿越兩岸有山地的海峽或河口時,必須仔細分析當時的天氣狀況,特別是當風向與狹道方向基本一致且風速極大時,必須做好萬全準備,以防不測情況的發生。強風可能會形成類似狹管效應的現象,將高風速引導至狹小的通道中,給船只航行帶來挑戰。
參考資料 >
揭秘地理中的“狹管效應”.中國數字科技館.2023-06-28
淺析“狹管效應”及其在風電場中的利用.中國電力網.2023-07-29
中國氣象局城市氣象重點開放實驗室揭牌.中國政府網.2023-06-28
【關注】臺風即將登陸,狂風暴雨來襲!.今日頭條.2025-05-09
【安全提示】春季防火防災安全指南 .澎湃新聞·澎湃號·政務.2023-06-28
建筑個性了 風影響大了.鳳凰網.2025-05-09
狹管效應與氣象災害.知網空間.2023-07-29