1、新闻背景

根据中新网和中国气象局的信息,本周末影响我国北方的今年最“疯批”冷空气即将发威,其核心特征呈现"降温+强风+沙尘暴+雨雪"组合拳模式。受其影响,北方大部地区将出现12~16℃的剧烈降温,叠加5-7级阵风带来的风寒效应,体感温度降幅可达实际气温的1.5倍以上。

10级大风如何让城市变“风洞”

未来10天气温变化

根据天气预报,北京地区的风力等级从4级提升到6级,提升程度并不大。但是,根据中气爱的说法,结合中央气象台的预测数据,这次冷空气沿途风力等级普遍是5-7级,部分地区阵风可能8-10级。另外由于狭管效应,局部地区可能11-13级大风,相当于台风中心附近的风力强度。

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北京天气预报

2、风力与风压

根据国际通用的蒲福风力等级表,5-7级风已具有显著破坏力:5级风(8.0-10.7m/s)可使小树摇摆、湖面起波,7级风(13.9-17.1m/s)则能逆推行人、折断细枝。而此次冷空气引发的11-13级阵风(28.5-37.0m/s)已进入灾害性天气范畴——11级风相当于台风下限标准(32.7m/s),足以掀翻屋顶、摧毁广告牌;13级风(37.0m/s)则达到强台风级别。

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风力等级表

显然,风等级越高,人感受到的被风吹的力也就更大,这个力可以用风压来衡量。通过风速,可以计算出风压的大小,也就是单位面积的受力。台风的破坏力这么大,能够将树木连根拔起,能够吹倒建筑物,原因就在于此。13级风,其瞬时风压可达140kg/m²以上,超过普通玻璃幕墙的承压极限(GB/T 21086标准下Ⅲ级幕墙设计风压为3.5kPa,约合357kg/m²)。

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风压计算

3、狭管效应

同学们穿行于城市楼宇间时,常会疑惑"天气预报明明说5级风,怎么感觉人都要被吹跑了?"这种体感与预报的偏差,正是城市特有的"狭管效应"在作祟。在纽约曼哈顿、北京国贸CBD等超高层建筑群构成的"人造峡谷"中,气流如同被巨型风洞装置加速——当自然风进入楼间距较小的建筑走廊时,受流体动力学原理支配,其风速会骤增。这种"风力放大器"效应不仅让行人的伞具瞬间解体,更会使建筑表面的风压峰值突破设计荷载,形成隐形的城市微气候危机。

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城市尺度狭管效应

狭管效应绝非城市独有,地球尺度下同样存在。本次强冷空气南下途中,经过燕山、太行山,两侧的山脉逐渐汇聚,通道逐渐收缩,形成“狭管效应”。有趣的是,这种流体力学规律与古代风水学说形成跨时空呼应。《水龙经》中"山环水抱必有气"的论断,暗合现代建筑风环境研究的核心发现:三面围合的"太师椅"地形,通过地形调控可显著降低局地风速。当科技手段揭开传统智慧的面纱,我们得以用现代科学知识重解古人"观风察水"的生存智慧——那些被认为"藏风聚气"的村落选址,恰恰规避了狭管效应带来的风灾风险。

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地理尺度狭管效应

这个看似神秘的"狭管效应"本质正是流体力学皇冠上的明珠——伯努利原理。该原理在1726年由丹尼尔·伯努利发现,其核心揭示了动压(½ρv²)与静压(P)的能量守恒关系,完美诠释了流体加速的奥秘:当气流通过狭窄通道时,截面积缩减导致静压下降,动能补偿使流速骤增,这正是城市风灾的物理本源。

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伯努利原理

现代工程实践中,人类对伯努利原理的应用已达出神入化之境:航空领域:空速管通过测量总压(动压+静压)与静压差值,精确计算飞行速度。建筑抗风:上海中心大厦采用120°扭转造型,通过改变建筑表面曲率调控伯努利效应,从而降低顶部风载。而迪拜哈利法塔则通过保持60米以上楼间距,有效抑制狭管效应的风压倍增。医学创新:雾化吸入器利用文丘里效应(伯努利原理),当药液通过窄管时,气流速度提升,将液体破碎为雾滴直达肺泡。

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上海中心大厦

4、防御指南

现代高层建筑的安全防线始于精密的风荷载设计体系。《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)明确规定:北京CBD核心区50年重现期基本风压为0.45kN/m²(相当于34m/s风速),上海陆家嘴则达0.60kN/m²(39m/s)。设计师通过计算体型系数(1.3-2.0)、高度系数(1.12-2.25)等参数,最终荷载可达基本风压的3倍以上。以北京中国尊为例,其抗风设计标准可抵御12级台风(32.7m/s)的持续冲击。

真正的安全不是绝对防御,而是在可预测风险与不可知变量间找到动态平衡点。风压的设计值通常选用了各种系数,系数的选取有可能覆盖不了某次的极端条件,包括:狭管效应倍增,涡激振动共振,风致碎片冲击等。人为因素更可能成为"压垮骆驼的最后一根稻草",包括外窗隐患、设备松动,空间改造等。

从个人的角度来说,降低极端大风天气的危害,可以从以下几个角度:

1)注重装修质量。主要是阳台、窗户,以及加装的晾衣架等。一般小区的阳台都是自己后期封闭的,封闭阳台的选材质量、安装质量都非常重要。风压并不是一个稳定的载荷,而是变化的动载荷,封闭阳台在动载荷作用下,其连接件(螺丝等)可能会疲劳,或者没有深入墙体。这就有可能导致阳台脱落。

2)注意门窗紧闭。门窗紧闭是为了维持好整栋建筑的气动外形,设计之初就是按照这个外形来计算的。如果窗户打开,风直接灌入房间,在内部又形成了“狭管效应”,风速比外面的还大,就可能把人从房间里吹出去。去年南昌就发生了这样的悲剧。

3)减少户外活动。主要是防止被路牌、广告牌砸到。大风环境下,再加上路牌、广告牌迎风面积较大,受到的力也大,很容易被风吹毁,从而“飘”在空中。一旦被砸到,后果不堪设想。另一方面,大风环境下,人体也很难站稳。11-12级的大风,就足以把一个正常的成年人吹的飞起来。而10级的大风,能把一个正常的成年人吹的在地面上滑。

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10级大风让人滑动

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