这幅照片相当于风力机尾流领域的“蒙娜丽莎”，作为全世界范围内最为著名的尾流图片，它时常会出现在与尾流相关的书籍、行业报告、学术论文上。作为一名内行人，也许你已经看腻了这张图，但你是否了解它背后的故事呢？


尾流照片的来历

2008年2月11日早上，飞行员Christian Steiness从海上石油钻井平台驾驶直升机离开，在10点10分，他到达了丹麦Horns Rev (I期) 海上风电场的西北角附近，透过舷窗随手拍下了一张照片(a)，随后，他来到风场的南面并又拍了一张照片(b)，由于第二张照片更富有震撼力，因此广为传播，成为了经典。


2008年之前，海上风电方兴未艾，但欧洲大陆的近海已经安装了大量机组，似乎很多人都有机会拍到类似的照片，但实际上并不是这样。风力机尾流本质上只是受到扰动的气流，在绝大多情况下，我们无法通过肉眼直接看到透明的空气，除非给它染上一点颜色。通过风洞中的烟线实验，我们可以直观地看到风力机尾流中的螺旋状的叶尖涡和叶根涡。


外场照片中的雾气似乎显示的也是风力机尾流，但却和风洞照片存在一些明显的不同。比如，它不显示叶尖涡的结构，整体上近似一个圆锥，顶点位于轮毂中心下游一定距离的位置。想要找出产生这些差异的原因，可能还是要回到那个最重要的问题：为什么尾流中会出现雾气？


尾流形成的雾气

雾形成的物理机制包括三个主要过程：不同温湿度气团的冷却、润湿和垂向混合。平流雾、锋面雾和辐射雾是三种主要类型的雾。


其中，海面上最常出现的雾是平流雾，它可以细分为冷空气流过热水形成的热水平流雾和冷空气流过冷水形成的冷水平流雾。当冷湿空气在温暖的水面上平流时，温暖的饱和空气有可能从地表向上混合到较冷的层中，导致过饱和混合物形成并凝结为海烟（海面上就像在冒烟）。


2010年8月，德国卡尔斯鲁厄理工学院的 S. Emeis 发表了一篇论文，他认为尾流区的雾气不属于三种主要的雾，而是由两个不同温湿度的近饱和气团混合产生的混合雾。


假设+5°C的海面上方弥漫着一层-1°C的近饱和空气(99%相对湿度)，由于温暖的海水和冷空气之间的对流产生了一层薄薄的海烟，厚度只有5-10米，温度在近海平面的底部为+4°C，顶部约为0°C。根据Magnus方程（饱和水汽压与温度之间的关系），等量的+5°C饱和水蒸气和-1°C饱和水蒸气发生充分混合后，温度变为+2°C，压强变为7.14 hPa，但理论上，+2°C饱和水汽压为7.064 hPa，也就是说，两个不同温度的饱和气团混合后，发生了过饱和（101.1 %）现象，从而产生了雾。


由于风力机旋转，其在尾流区产生了混乱的湍流，使两团冷热饱和气团发生垂向掺混，同时改变了后方的温度分布，由此水汽产生冷凝形成雾，不稳定的温度分层（暖空气在冷空气下方）导致尾流雾气在外形上存在些许不平整，更像是小型的碎积云。