中國氣象報通訊員 楊冰韻 記者 盧健
在一些海島、高山附近，神秘的自然之手會在特定的時刻，「創作」出獨特而賦有藝術性的連串交替分布漩渦狀美麗雲繪。多年來，經由遙感衛星的「鏡頭」及太空人手中的相機，這種大自然的鬼斧神工得以讓世人一睹風採。
1月21日，在韓國濟州島以南海域，這一「藝術雲繪」經由風雲四號衛星鏡頭，再一次呈現，引得一片讚嘆。
到底是一雙什麼樣的「手」，恰到好處地飽蘸雲彩，繪製出這些神秘作品的呢？
天時地利
1月21日，在我國風雲四號氣象衛星的高清「鏡頭」下，韓國濟州島以南海域和日本九州島南部海域一連串鬼斧神工的景觀引起人們的注意：海域附近，流動的冷流雲在經過濟州島後，似是受到了島嶼地形的影響，在冷流雲流動方向的下遊形成了一連串交替分布的美麗漩渦。研究人員立即興奮起來：「卡門渦街」現象又一次被抓拍到了！
在流體（水、空氣）中，如果出現了一個阻流體，擋住了流體前進，那麼在流體的下遊，會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦。108年前，20世紀最偉大的航天工程學家馮·卡門通過實驗研究，最先從理論上對這種現象進行闡明。此後，這種現象得名「卡門渦街」。
大氣層中的空氣，也是流體的一種。當風吹過海島或山峰，其背風面常常會形成尾流（一般把處在相對於氣流運動實體背後的湍流區叫做尾流）。在一定的海洋和大氣條件下，背風坡一側可誘導大氣擾動，在障礙物兩側周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，它們會一個接一個地向下遊傳播。這種在尾流中發生的渦旋列也被稱作「馮·卡門大氣渦街」（簡稱大氣渦街）。
可以說，大氣渦街現象並不罕見，那為什麼衛星拍到大氣渦街還會讓人如此興奮呢？
大氣渦街是氣流與地形（山脈、島嶼等）相互作用的產物，在一般情況下，氣流是無形的，即便大氣渦街發生了，如果沒有特定雲彩這一「顏料」，雲繪美景依然無法在衛星圖片上顯現出來。這種大自然的鬼斧神工，需要特定的條件才可以一見。
1月21日，東北亞的冷源已經被正在奔向北太平洋的北極渦旋吸走，一部分冷空氣則洩到朝鮮半島和日本。1月21日上午，穩定的冷空氣掠過我國東海的時候，在比較暖的海水和水汽的作用下，這些冷空氣轉變為絮狀的冷流雲，為雲繪創作提供了「顏料」。與此同時，層結穩定的大氣中低層，則為隨後低層氣泡狀雲的形成提供了保障。
當然，不只是在濟州島附近，在廣袤的地球上，只要集齊天時地利，就有可能出現卡門渦街。就風雲衛星家族來說，就曾在墨西哥西海岸瓜達盧普島上空、非洲西北部的維德角群島等地多次捕捉到卡門渦街。
有意思的是，雖然雲經常充當卡門渦街的「顏料」，但也並不是唯一的「顏料」。2015年2月18日，夏威夷基拉韋厄火山噴發，在火山下風數百公裡處形成了一系列交替漩渦，被國際空間站上的太空人用數位相機捕捉到了。這一次，霧霾也充當了一把「顏料」。
風洞測試
當卡門渦街美景現身於藍色海洋中的一葉小島附近時，它帶給人們的是驚豔與美好。然而，當現代社會中的橋梁、高層建築遇上卡門渦街時，則有可能是一種災難。
1940年，美國花費640萬美元，在華盛頓州塔科馬海峽上建造了一座主跨度853.4米的懸索橋，建成4個月後，於同年11月7日遇到了一場風速為19米/秒的風。雖然風不算大，但橋卻發生了劇烈的扭曲振動，且振幅越來越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右時，吊杆逐根拉斷導致橋面鋼梁折斷而塌毀。當時正好有一支好萊塢電影隊在以該橋為外景拍攝影片，記錄了橋梁從開始振動到最後毀壞的全過程。
在塔科馬大橋倒塌後的第二天，華盛頓州州長宣布該橋設計牢靠，計劃重建該橋。馮·卡門覺得此事不妥，便找到該橋模型帶回家中，放在書桌上，開動電扇，模型開始振動起來，當振動頻率達到模型的固有頻率時，發生共振，模型振動劇烈。塔科馬海峽大橋倒塌的原因水落石出——卡門渦街引起橋梁共振。
隨後馮·卡門令助手在加州理工學院風洞內，進一步測試塔科馬大橋模型，取得翔實數據，然後給華盛頓州州長發了一份電報：「如果按舊設計重建一座新橋，那座新橋會一樣倒塌。」
此後，州長成立一個塔科馬海峽大橋倒塌事件調查小組，馮·卡門是成員之一。經過一番爭論，馮·卡門終於說服當時不懂空氣動力學知識的橋梁設計師，在建新橋之前，先將橋梁模型進行風洞測試。此後大橋採用了新的設計，避免了卡門渦街可能對橋梁引起的損害。
事實上，除了橋梁以外，煙囪、高層建築等高聳結構物，都有可能因卡門渦街引起共振而倒塌。1965年11月，英國西約克郡費裡布裡奇發電站兩座一百多米高的冷卻塔，就在大風中因卡門渦街引起共振倒塌。
如今，進行高層建築物設計時都要進行計算和風洞模型測試，以保證不會因卡門渦街導致建築物被破壞。北京、天津的電視發射塔，上海的東方明珠電視塔，舟山連島工程、港珠澳大橋、滬通公鐵兩用長江大橋在建造前，都曾在風洞中做過模型測試。
而馮·卡門在卡門渦街理論以及後世建築應用中的貢獻，則被永遠銘記下來。
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卡門渦街是如何被發現的？
馮·卡門（1881—1963）是美籍匈牙利裔力學家，近代力學的奠基人之一，是我國著名科學家錢學森、錢偉長、郭永懷，以及美籍華人科學家林家翹在美國加州理工學院時的導師。
1911年，馮·卡門在德國哥廷根大學空氣動力學家路德維希·普朗特手下任助教。當時普朗特正研究邊界層現象，他命一位攻讀博士學位的研究生卡爾·希門茨設計一個流水槽，以便觀察流水經過一個圓柱體時的邊界層，並測量圓柱體表面上不同點的壓力。希門茨發現圓柱體表面的壓力並非如預期一樣平穩，而是會劇烈振動。他將這個情況向普朗特匯報。普朗特說：「你的圓柱體顯然不圓。」希門茨細心將圓柱體磨了又磨，測了又測，不見改進。
馮·卡門經過實驗室時不在意地問道：「卡爾，怎麼樣了？」卡爾答道：「還是振動。」過幾天又問：「卡爾，怎麼樣了？」「還是振動得厲害。」這引起馮·卡門的注意，他想，也許振動不是偶然的，而是由內在原因決定的，於是便從理論上進行思考。
起初馮·卡門設想圓柱體後的水流形成兩道對稱排列但反方向的漩渦，但發現這種狀態不能維持，很快就不穩定了。於是他假設兩道漩渦交錯排列，計算結果表明這種狀態能夠維持。
馮·卡門將計算結果嚮導師普朗特報告。普朗特命馮·卡門寫出論文發表。這是馮·卡門的第一篇論文，也是他的成名之作。馮·卡門關於卡門渦街的理論被後來的實驗證實。「卡門渦街」的名稱，沿用至今。
（來源：《中國氣象報》2019年1月25日四版 責任編輯：王玫珏）