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  • 龙卷风灾害

    龙卷风是不稳定的天气情况下,产生的高速旋转的漏斗状的强风漩涡。中心附近风速极大,可达100-200米/秒。龙卷风的破坏性极强,会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象,甚至把人吸走。龙卷风主要发生在夏季6-9月的中午至傍晚。龙卷风可以在任何地区形成,并可分为陆龙卷、水龙卷等。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 龙卷风灾害 英文名: tornado
    释义: 是一种相当猛烈的天气现象 构成: 不稳定的天气情况下,产生的高速旋转的漏斗状的强风漩涡
    特征: 破坏性极强 多发季节: 夏季6-9月的中午至傍晚
    发生地点: 平原 类型: 自然灾害

    目录

    灾害概述/龙卷风灾害 编辑

    龙卷风是从高空向下伸展出的强烈转动的漏斗状的云柱。所到之处,会把地面的水、尘土、泥沙卷起,甚至可拔树倒屋,人、畜也会一并升起。龙卷风影响范围虽小,但造成的灾情却很大。

    本文介绍的是天气现象意义上的龙卷风。关于与“龙卷风”同名的其他主题,详见“龙卷风(消歧义)”。

    龙卷风(英语:tornado),又称卷风,是一种相当猛烈的天气现象,由快速旋转并造成直立中空管状的气流形成。龙卷风大小不一,但形状一般都呈上大下小的漏斗状,“漏斗”上接积雨云(极少数情况下为积云云底),下部一般与地面接触并且时常被一团尘土或碎片残骸等包围。

    大多数龙卷风直径约75米,风速在64千米每小时至177千米每小时之间,可横扫数千米。还有一些龙卷风风速可超过480千米每小时,直径达1.6千米以上,移动路经超过100千米。

    虽然除南极洲外的每块大陆都发现有龙卷风,但美国遭受的龙卷风比其他任何国家或地区都多。除此之外,龙卷风在加拿大南部、亚洲中南部和东部、南美洲中东部、非洲南部、欧洲西北部和东南部、澳大利亚西部和东南部以及新西兰等地区皆常有出现。

    台湾虽然龙卷风不多见,但是根据气象学者研究,嘉南平原因为平原地形,平均每两年会出现一次龙卷风。在

    2011年5月12日新北市新店区也发生过小型龙卷风。

    目录/龙卷风灾害 编辑

    1 形成  2 分类 2.2.1 阵风卷 2.2.2 尘卷 2.1.1 多漩涡龙卷 2.1.2 水龙卷 2.1.3 陆龙卷 2.1 真正的龙卷 2.2类似龙卷的现象  3 特点3.1 形态3.2 大小3.3 外观3.4 旋转方式  4 分级与侦测  5 龙卷风造成的破坏  6 安全防护  7 参考文献  8 外部链接  9 参见

    形成/龙卷风灾害 编辑

    龙卷风往往来自于雷暴、超级单体、飑和飓风。通常认为龙卷风在冷空气穿过热空气层迫使暖空气急速上升时产生。雷暴伴随着龙卷风,闪电,有时还有冰雹。许多龙卷风在中气旋的末端出现。在雷达屏幕上,一个“钩状回波”往往就代表了一个可能存在龙卷风的区域。

    疾风刮起的碎片导致建筑物受损。龙卷风的气流已被准确地测得超过480千米每小时。在北美洲,尽管龙卷风季节通常从3月到10月,但一年中随时都可能出现龙卷风。它们在午后和晚上容易出现:所有龙卷风中超过80%的在正午和午夜之间发生。

    龙卷风旋体可分为云内气旋和下部“象鼻”两部分。龙卷风都是从云团中生成并逐步下传的,因此龙卷风的主动力部位在云团内。这个推论的进一步含义是,龙卷风生成的基本条件存在于云团内部。由于云团的遮蔽,人们无法直接观察到云内气旋究竟是如何生成的。于是多普勒雷达以及其他观测手段被用来观测龙卷风生成初期云内气旋的生成过程。但是,龙卷风的生命期很短,一般只有几分钟,且生成地域的随机性很强,所以在龙卷风生成地适时展开探测设备的工作也困难重重。实际上,当人们在地面观察到龙卷风旋体时,其生命期已经越过了系统生成的初期。那么,云内气旋究竟是如何生成的,其旋体的高速旋转以及近地面小范围内巨大的抽吸力是如何形成的,对这两个问题的理解是解释龙卷风生成的重要前提。

    龙卷风旋体是高速旋转的,其周边的空气运动速度是相对低速的。以牛顿经典力学知道,相对低速的运动不能对相对高速运动提供动能(排除其他场力的情况下)。这个基本分析否定了外部已有的水平风对龙卷风旋体提供增速的可能性。接下来的问题是,是什么过程导致了龙卷风的生成和生成后系统运动的维持?由于大气在大多情况下是看不见的,因此人们想要找到一个可见实物实验就很困难;由于云团的遮蔽,人们又不能看到云内气旋的生成过程。由于这两个方面的原因,人们一直不能很清晰地解释龙卷风的生成问题。实际上,龙卷风也是以气旋方式运行的基本特征为人们探究其生成机制的工作提供了另外的可能。本质上看,龙卷风生成问题也是气旋生成问题。那么,气旋是如何生成的呢?

    首先给出气旋的定义:气旋是旋体内具有大量较高温度水汽,且在外部存在较低温度空气的湿性涡旋,是在旋体外缘上具有冷凝增速动力的湿性涡旋。

    第一,先解释什么是冷凝增速:由于旋体外部是低温空气(一般在0℃以下),旋体内高温水汽将在外缘上发生冷凝,局部的水汽冷凝引发局部的相变收缩。一定量水汽完全相变(100℃,同温,标压)为液体水后体积将收缩为原体积1/1800(盖.吕萨克测定值)。相变收缩的局部低压将由冷凝区域周边的大气填充。大家知道,气旋内部的气压较低,而外部的气压较高。因此,填充相变低压的主要贡献者是外部大气。在北半球,科氏力是右偏的。外填充气流(由于旋体的外缘是圆柱面,这个形状将促使外填充气流律化为水平气流。可以认为,外填充气流几乎都是水平气流)在逐步向心流动过程中将向右偏。当这些右偏且增速的外填充气流加入到旋体外缘上时,外缘上该部分的与右偏气流同方向的运动速度将增大。由于旋体外缘上水汽冷凝的热力学条件大致相同,在旋体外缘的整个圆周上都在发生着强度相近的局部冷凝,因此,外部大气对旋体的增速作用是分布在整个圆周上的。返回到上一层逻辑关系,由于气旋外缘的运动增速是由水汽冷凝引发的,所以旋体内水汽的量和温度将决定该气旋运行时外缘旋转的速度和运行的时间量,科氏力参量决定向心气流右偏的幅度,同高度大气压与相变低压之间的差值决定向心气流的强度。简单地说,旋转初期旋体内水汽的量决定气旋生命期的大小。

    第二,在积雨云团所在的高度,大气的温度在0℃以下,一般不会存在大块自由态水汽。那么,这些较大量水汽是怎样生成的呢?闪电。积雨云团内部的闪电将促成局部区域10000-20000℃高温,进而促使,1.局部区域内空气膨胀约33倍(以10000℃估算);2.云团中的微水滴和微冰晶汽化,体积膨胀约60000(1800X33)倍。两类膨胀的幅度与局部闪电的体量正相关,两类膨胀的强度与局部闪电的强度正相关。两类膨胀的直接外显现象是冲击波。这是造成雷暴云团在大多时间段内存在混乱且剧烈局部运动的直接原因。在这个过程中,单个冲击波具有自身的定向运动的特征。这个冲击波也会存在“侧向风促成涡旋”的作用过程。由于冲击波作用的方位差异,所促成的涡旋既有左旋的,也有右旋的。由于旋体内不存在较大量水汽的缘故,所以这类涡旋不会以气旋方式运行。两类膨胀形成大块水汽团,由于大气压的作用,水汽团将向上运动。在上升过程中,水汽团的外缘上发生持续的水汽冷凝。受到冷凝增速的持续作用,水汽团将逐步地旋转起来。

    第三,外缘上水汽冷凝形成的相变低压同样被内侧空气填充。由于气旋内外压强的差异,内填充强度较外填充的小。内填充的水平气流同样受科氏力作用而右偏,相对于外缘已有运动速度的方向是相反的,对外缘已有运动起减速作用。但由于强度较小,对冷凝局部的减速作用相对较小。同样地,由于大气压作用,相变低压在被填充过程中将向上运动,内填充气流也有向上运动的分量。这个运动过程是每个单次的局部冷凝都有的过程;并且,局部冷凝将释放潜热,由潜热增温的空气也将向上运动。这些内填充气流+局部冷凝过程所释放潜热促成的局部上升气流的集合是气旋强大抽吸力的来源。

    第四,气旋运行的主要特性。在旋体内水汽充足的条件下,外缘上的冷凝增速将持续进行,外缘旋转速度也持续增大(当然有一个极限值)。在旋转速度持续增大的同时,外缘冷凝筒的直径也将随之增大。

    第五,云内气旋产生的强大抽吸气流将从气旋的下口向下传递,促成下部的强劲上升气流。在气旋已有旋转运动的组织和强劲上升气流的协同作用下,气旋下口处会形成与气旋旋向相同、旋速相近的跟随涡旋。尽管外部温度仍接近0℃,但该处空气中水汽含量不足,所以这些跟随涡旋不会得到冷凝增速所提供的动力。因此在逐步下传的过程中,跟随涡旋将逐步收口(对于相同运动参数涡旋,外部大气压增大则涡旋的旋径收小)。跟随涡旋的逐步下传的过程即下部的“象鼻”逐步形成的过程。跟随涡旋“成型+下传”的动力是由云内气旋提供的。云内气旋的强度及维持运行的时间量与跟随涡旋的强度及下传的尺度是正相关的。气旋强度不大时,不会产生跟随涡旋;气旋强度较大时,下部“象鼻”并不能下传到地面,即人们经常看到的"象鼻悬于半空中“;只有气旋强度很大时,“象鼻”才能下传到地面。

    第六,云内气旋产生的抽吸气流几乎全部通过“象鼻”中的通道传递,而通道却是逐步收口的。因此,最下部通道的气流强度是非常大的。伯努利方程:在一段封闭的管道内,随管道的截面积变小,流体的速度将增大。

    实际上,在水汽团开始旋转的初期,1.水汽团的整体上升运动是非常关键的条件,这个上升运动将起到类似涡旋制衡特性(涡旋运动的固有特性)的作用。这种制衡特性是涡旋之所以能够以多种方式生成的关键特性;2.并不需要外部气流(在长期缺少实物实验的情况下,外部的水平风切曾经一直被人们认为是垂直涡旋生成的必要条件)的辅助。因为,外部的非旋转气流会干扰水汽团逐步旋转的过程。气旋是在局部存在较大量水汽、外部存在较低温空气和存在科氏力的条件下,由水汽冷凝引发大气压做功,进而形成的自组织的旋转运动系统。也就是说,气旋是在满足前述三个条件(大气压是一直满足的条件,从略)下,由水汽冷凝这种热力学过程引发的上升气流和收缩低压引发的冷凝增速两种动力学过程的协同作用下自组织形成的旋转运动系统,这个系统获得外部动能的根本原因的水汽冷凝,而提供动能的是外部的大气压势能。这个运动系统所表现出的后续的运动特性也都源于水汽冷凝和水汽冷凝作用下的自组织过程。

    龙卷风物理过程的解释

    对龙卷风生成的研究可以追溯到400多年以前。在这400多年中,人们始终迷惑于,1.龙卷风旋体是在什么物理过程的推动下高速旋转的,2.近地面风速为什么会如此之大。龙卷风过程主要是物理过程,物理学相关分支的研究进展是认识和理解龙卷风生成和维持机制的重要前提。比如,在认识到相变潜热之前,龙卷风是不可能得到合理解释的。人类在焦耳、迈尔及亥姆霍兹等的工作中于1850年代确立了能量守恒原理。而能量守恒与转化原理是人们解释一些较复杂运动所必须的物理学理论前提。在1850年代之前,尽管人们认识到了动能和势能可以相互转换的知识,以及由布莱克对水的三相相变的研究而认识到相变潜热等,但是仍不能对龙卷风作出解释。

    自然科学是以实验为基础的。人类对宏观运动的认识,以及认识的更新和更精准化(人类认识物理过程的三个阶段)都离不开实物实验。在大多情况下,大气是不可见的,因此人们很难找到一个实物气旋实验。这是大气涡旋生成问题研究中的主要困难,是横亘在气象学家与龙卷风、热带气旋和雷暴之谜之间的一个重大困难。

    发现澡堂小气旋

    在无风的澡堂中,将浴池中水温控制在40±1℃,当室温高于22℃时,水汽从水面上蒸发后逐步上升,没有小气旋生成;1.当室温在22℃---20℃时,在上升过程中,部分水汽会逐步聚拢成水汽团。在上升过程中,水汽团的外缘会逐步地开始旋转,并最终生成小气旋;2.当室温在18±1℃时,小气旋将在水面上直接生成。在实验环境中辅以适当的侧向光照,以增强微水滴的散射效果,将观察背景设置为较暗色,则观察效果更好。第2种生成方式与尘卷风生成方式是相似的,但第1种方式却是独特的。本人是一个铸造工艺设计高级工程师,当时对气象专业根本不懂,不知道科氏力等气象学知识。在2012.04.01(星期天)去澡堂洗澡。当时,澡堂刚好停供暖气,室温很低。当进入洗澡间时,看到水面上的水汽在旋转(第2种方式)。在随后的长期观察中又发现了第1种小气旋生成方式。想要弄清楚,水汽为什么会旋转?开始了这个问题的研究。

    对之前理论的学习和辨析

    之后,在网查中知道,气象界对热带气旋的生成机制还不清楚,关键的困难是缺少实物气旋实验。于是将澡堂小气旋的生成与热带气旋相联系展开研究。做出该联系方向的推断需要一系列中间阶段的小逻辑推断的支撑。其中,对之前研究和理论的学习和辨析是关键性的支撑。

    小气旋是一个运动系统,它应当是由其他运动促成的。在澡堂中没有风时,小气旋也可以生成,可以确定小气旋不是由外部风促成;温差较小时也没有小气旋生成,只有在温差较大时才会有小气旋生成。该温差下,洗澡的人们会感觉较冷,因此一般情况下澡堂不会有如此低的温度,这也是人们不容易发现澡堂小气旋的原因。小气旋生成过程是局部空气+水汽运动形式的变化,而造成局部运动变化的因素只来自水汽冷凝。可以推断,1.促成澡堂小气旋的因素只来自水汽冷凝所产生的运动过程。这是一个非常关键的推论,是支撑本人后续研究的最直接依据。实际上,当温差相当且有微风时,小气旋生成的数量会大幅减少或不能生成。可以推断,2.外部风对小气旋生成起干扰作用。推论1与Charney的斜压不稳定理论有相似之处,但斜压不稳定理论强调垂直温度梯度,且将促成涡旋旋转的扭矩归结为地转偏差(问题较复杂,简单地这样说。),本文明确提出,旋体周边的水平温度梯度才是气旋获得外部动能的根本所在。因此较之明显更进一步(有兴趣的朋友可查看热带气旋生成研究的相关文献);推论2与之前研究的观点相去甚远,因为在热带气旋生成研究的相关文献中,关于外部扰动源的讨论占了较大篇幅,甚至在触发机制的讨论中也与外部动力相关联。其实,只要具备一般的物理学知识,推论2中“气旋旋体运动与外部运动是竞争关系”的逻辑观点是容易理解的;只是在缺少实验的情况下,将外部风与气旋生成以负相关相联系却有些困难。在随后的近7年中,逐步学习气象学知识和相关理论中,逐步地形成一些观点,又逐步地调整和改进一些观点,最后形成了本文所述之观点。在整个过程中,澡堂小气旋实验所得出的推论1和推论2不仅限定了促成气旋的条件,同时也排除了困扰着之前研究的许多干扰项。因此,澡堂小气旋实验始终是本文研究的引路灯塔。由此可见,实验对于科学研究的重要性。

    水汽团逐步旋转的物理模型

    环境条件:室温22℃---20℃,无风。在上升过程中,水汽逐步聚拢形成水汽团。水汽团的形状是多种多样的,在上升过程中也会发生形状的变化。当水汽团上升到离水面约600--700mm高度时,水汽团的外缘上有明显的水平运动增大的现象。由于水汽团形状的原因,其内外有温度梯度,且在外缘上温差较大。此处的冷凝强度达到了冷凝增速的要求,能够引发较大平均速度的填充气流;并且,此处的后续冷凝条件仍然满足,能够继续引发填充气流。依据水汽团的形状,外缘上的冷凝增速以统计规律作用于水汽团的外缘,在持续冷凝的累积下,外缘将持续地增速,并将外缘的各种复杂形状逐步地修剪成最终的圆形。实际上,在逐步旋转的过程中,并不是水汽团的最外缘的速度最大,而是在水汽团最外缘的稍内侧区域。从科氏力对向心气流右偏的幅度来看,右偏气流的切向与旋转气流的切向之间的夹角是较大的。较大速度的(与局部冷凝强度正相关)增速填充的气流将越过冷凝中心,向水汽团的稍内侧运动。这是造成前述现象的较合理解释。冷凝增速是局部相变低压引发的过程,并不因为冷凝局部是否处于运动状态而变化。即不论冷凝局部的已有运动速度如何(一定范围内),局部冷凝引发的增速作用都将存在(当然,这里有一个数学关系式,有一个相对的增速比率的问题)。

    气旋的物理过程

    下面将龙卷风生成和运行中的现象与前述解释相结合来说明:

    第一,龙卷风(气旋)生成的4个条件。1.大块自由态水汽;2.外围较低温度大气(一般在0℃以下);3.大气压;4.科氏力。其中,2、3、4条件在大多积雨云团中(除赤道以外)是普遍满足的;而大块水汽和外围低温大气两个条件一般是不会同时满足的。当云团内发生闪电时,该两个条件可以同时满足。

    第二,垂直涡旋生成的三种方式。1.当有风时段,在一些建筑物拐角处常生成的涡旋。这类涡旋是人们经常看到的,因此人们误认为垂直涡旋只有这一种生成方式。这种错误认识曾经长期占据涡旋研究领域;2.上升气流(如炎热夏季的局部受热而促成的上升气流)将引发局部向心流动,进而促成的尘卷风。在一些情况下,龙卷风的“象鼻”部分与尘卷风的运行状态有较大的相似度。因此,尘卷风曾经被一些非专业人士误认为是龙卷风,实际上两者有本质不同。作为干扰项,也阻碍了相关学者对龙卷风的理解;3.最特殊的一种,即大块水汽在温差较大的环境中以冷凝增速方式生成的气旋。

    第三,关于气旋的定义。有兴趣的朋友可以查看相关词条。之前学界对气旋的定义并不是很确切,原因是对气旋生成和维持的机制并不是很清楚,或者说对几种相类似的以“气旋”方式运行的垂直涡旋不能做到严格的区分。大致的意思可以理解为将“能够较长时间运行,却明显不是(不仅仅是)由水平风切持续驱动的垂直涡旋”定义为气旋。比如,尘卷风和中亚气旋等。实际上,尘卷风较长时间运行所需要的动能是在旋根部由外围的向心气流提供的。只要外围上升气流仍然存在(在一定强度以上),那么尘卷风就能够持续地获得动能以维持运行。上升气流转变为向心气流一般在固-气界面或液-气界面,所以,尘卷风获得动能的基本条件仍有赖于地形。这也是尘卷风经常在开阔地带生成的主要原因。气旋是旋体内具有大量较高温度水汽,且在外部存在较低温度空气的湿性涡旋,是在旋体外缘上具有冷凝增速动力的湿性涡旋。气旋的生成和运行并不需要地形条件的辅助,因为在自然条件下气旋只能在半空中生成。这也是人们很难找到相关实物实验的主要原因,因而也是人们很难理解龙卷风的主要原因;但是,气旋须在大块云团中生成。而大块云团的形成却需要较平坦地域条件的辅助。在清楚认识气旋生成机制之前,人们是不可能设计一个实验来进行深入研究的。由澡堂小气旋能够在无风条件下自发生成的实验事实开始,作者对气旋生成的研究始终以水汽冷凝为主线,自然地排除了外部风在气旋生成过程中的可能的辅助作用。从这个气旋定义可以看到,真正的气旋是在外缘上能够持续获得动能的垂直涡旋。在地球物理环境相对应的温度范围内,该定义只适用于由水汽相变生成的气旋。如果在其他星球上,当该星球的大气温度范围内存在某种物质也可发生类似的相变,则该星球大气中可能生成类似于地球气旋的垂直涡旋。如木星大红斑和海王星大蓝斑。

    第四,热带气旋(Tropical cyclone,简称TC)胚胎(TC生成研究中的通常称呼)在最初生成时就是气旋,而不是由所谓扰动逐步发展而成。按照运动局部有序的程度来看,扰动的有序程度较气旋的要小,扰动可以看作是不成功的涡旋(作者在论文中反复强调的观点)。与龙卷风相比,TC的生命期要长得多。一般少则5--7天,多则10几天,最长的可达28天。其长时间运行的根本原因是,TC在中层运行的主动力部位能够持续地从热带洋面获得水汽供给。

    第五,蒸汽机和气旋。以其他热源加热液态水获得蒸气,进而推动机械运动获得动能的方式是人类第一次工业革命的标志。水蒸气的膨胀可以做功,做功的方向向外;水汽的冷凝可以引发周边具有大气压势能的大气对冷凝局部做功,做功的方向向内。做功的方向决定动能输送的方向。后者是气旋工作的基本物理过程。在热带气旋生成机制的研究中,曾经有些学者将热带气旋比作“卡诺热机”来展开相应的研究。这个类比实际上与气旋工作机制是较接近的,但是只注意到了潜热的作用,却忽视了冷凝低压被动做功的作用。而后者恰恰是气旋工作机制的最根本之处。

    第六,龙卷风的生命期。龙卷风的生命期可以分为两部分(特指云内气旋),即前期的气旋方式生成和运行部分和后期的以干性涡旋运行部分。由于没有冷凝增速作用,干性涡旋以自身具有的惯性来维持运行,此时云内旋体的抽吸力已减至很弱,云团下部的“象鼻”已不复存在;由于受到大气粘滞阻力作用,干性涡旋的旋转速度很快减小直至消散。对于大多云内气旋而言,以气旋方式运行的时间量要远远大于干性涡旋时间量,并且只有在气旋方式时才会有下部的“象鼻”,所以在人们看来,这段时间才是龙卷风的生命期。实际上,以涡旋运动的基本特性,任何涡旋在失去外部动能供给时都会以自身惯性维持一段时间。

    第七,水汽团逐步旋转过程。根据牛顿经典力学知道,在没有外部冲量矩作用时物体(包括物质三态)是不会转动的。而气旋旋体的旋转速率较外部大气的运动速率大出很多,因此气旋旋体不能从外部运动直接获得动能。以大量的可观察到的涡旋实例,以及传统的认知和逻辑关系来看,在气体旋转中能够产生冲量矩的只可能是外部的水平风切。对前述的两种垂直涡旋生成,这个逻辑推理是合适的,却不适用于对第三种垂直涡旋的生成和维持阶段的解释。实际上,冷凝增速在物理学上完全符合牛顿经典力学,只是形式上更加特殊而已。可以看到,Charney的解释热带气旋生成的第二类条件不稳定(CISK)机制和Emanuel的海气相互作用(WISHE)机制均是不正确的。

    第八,涡旋运动的传递。当一个涡旋生成后,在其周边的三维空间都会受到粘滞阻力,而并不仅仅在旋体的外侧。其中,旋体外侧阻力是涡旋减弱的主要因素,而垂直轴向阻力的作用则视涡旋运动的强度而定。当涡旋本身强度较大,或者仍能够持续获得外部动能时,该涡旋将通过轴向粘滞阻力将自身运动传递出去,生成跟随涡旋。同样地,跟随涡旋具有惯性运动的特性,可以依靠自身的惯性维持,并且与母体涡旋形成相互依存的运动关系;当母体涡旋强度仍足够大时,跟随涡旋也可从其获得维持运动所需之动能,甚至继续向外传递。这种传递现象从尘卷风生成的初期经常可以看到,但龙卷风下传的过程却不太容易理解。

    第九,涡旋运动的制衡特性。人类对惯性的认识是逐步达成的(请参阅惯性相关词条)。伽利略·伽利莱主张,外力改变的是物体运动的速度;维持物体速度不变,不需要任何外力。由于惯性,一个已经成型的涡旋具有保持自身运动状态的基本特性。涡旋的外缘旋转运动与中心低压是一对具有制衡特性的物理量。彼此好像在说,我们是一个整体,我不能减弱,你也不能减弱。这种制衡特性其实是惯性在涡旋运动中的特殊表现形式,它是涡旋之所以能够获得外部动能的基本保证。理解了这种制衡特性,就能够理解冷凝增速发挥作用的内在原因,也就能够理解其他非垂直涡旋能够以多种方式生成(比如吐烟圈)的内在原因。

    第十,对涡旋运动中涡度增大原因的讨论。已有的理论认为,TC旋速增大是由于角动量守恒的作用。可以参照的实例是花样滑冰运动员在旋转过程中收小旋径时的运动过程。但是与惯性联系思考时就会存在一个问题,当涡旋不受外力作用时,涡旋是依据惯性保持原有的运动状态呢,还是依据角动量守恒收小旋径并增大涡度呢?实际上,外部冲量矩才是改变涡度的根本动力。前述中,维持尘卷风持续运动的动能来自旋根部外围的向心且右偏气流;维持气旋持续运动的动能来自旋体外缘上的冷凝增速所提供的动力。以实验事实为基础,经过抽象思维,抓住主要因素,忽略次要因素,才能找到促成气旋运动的根本动力。

    十一,龙卷风的风速。龙卷风的破坏力体现在近地面的大风速,这个大风速是“象鼻”通道中的抽吸气流促成的。其抽吸口(R=15m)以内是大风速区域,风速在50--180m/s。其原因在前述中已经讨论到。这个风速并不是由地面附近的低压造成的,而是由云内气旋的强大抽吸气流下传造成的。与尘卷风的地面附近风速相比,龙卷风的要大出许多。通过建立相关物理模型,可以计算出尘卷风所能够达到的最大风速。在龙卷风过程在,水汽相变以及相对应过程是解释其超大风速的较合理模型。

    十二,“象鼻”周边的尘卷风。由前述知道,“象鼻”是由云内气旋抽吸气流促成的。在大多情况下,这个抽吸气流的强度较促成尘卷风的上升气流强度大,且随云内气旋的生命期而具有一定的持续性。在这段时间内,无论“象鼻”是否下传到地面,这个抽吸气流都会在地面一定高度内促成一个尘卷风。当“象鼻”悬于半空中时,地面上的尘卷风会与之遥相呼应;当“象鼻”下传到地面时,这个尘卷风依然会存在一段时间。人们有时见到的旋径很大的龙卷风,实际上是一个“二层皮”结构,外部是尘卷风,其破坏力较弱,内部是龙卷风的“象鼻”,破坏力很大。

    十三,龙卷风的突然爆发。根据功能转换原理,龙卷风的突然爆发一定有一个与之相对应的物理过程,而这个物理过程同样具有突然爆发的特性。龙卷风生成时间短,即对应着该过程所释放的功率大;龙卷风在生命期内维持很大强度抽吸气流,即对应该段时间内旋体自身产生的功率维持在相应的水平上。

    分类/龙卷风灾害 编辑

    龙卷风的分类包括但不限于:

    真正的龙卷

    多漩涡龙卷

    多漩涡龙卷风指带有两股以上围绕同一个中心旋转的漩涡的龙卷风。多漩涡结构经常出现在剧烈的龙卷风上,并且这些小漩涡在主龙卷风经过的地区上往往会造成更大的破坏。

    水龙卷

    主条目:海龙卷

    水龙卷(或称海龙卷,英文:waterspout)可以简单地定义为水上的龙卷风,通常意思是在水上的非超级单体龙卷风。世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美国,水龙卷通常发生在美国东南部海岸,尤其在佛罗里达南部和墨西哥湾。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一种,不过其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小,但是它们仍然是相当危险的。水龙卷能吹翻小船,毁坏船只,当吹袭陆地时就有更大的破坏,并夺去生命。当水龙卷很可能产生或在海岸水域上已经看得见的时候,美国国家气象局将会经常发出特殊的海上警告,或者当水龙卷会向陆地移动时发出龙卷风警告。

    陆龙卷

    陆龙卷(英文:landspout,美国国家气象局称dust-tube tornado)用以描述一种和中尺度气旋没有关联的龙卷风。陆龙卷和水龙卷有一些相同的特点,例如强度相对较弱、持续时间短、冷凝形成的漏斗云较小且经常不接触地面等。虽然强度相对较弱,但陆龙卷依然会带来强风和严重破坏。

    类似龙卷的现象

    阵风卷

    阵风卷(英文:gustnado)是一种和阵风锋与下击暴流有关的小型垂直方向旋转的气流。由于它们严格来说和云没有关联,所以就它们是否属于龙卷风还存有争议。当从雷暴中溢出的快速移动干冷气流流经溢出边缘的静止暖湿气流时,会造成一种旋转的效果(可用“滚轴云”解释),若低层的风切变够强,这种旋转就会水平(或倾斜)进行,并影响到地面,最终的结果就是阵风卷。阵风卷的旋转方向不固定,可顺时针亦可逆时针。

    尘卷

    美国南卡罗来纳州尊氏威尔市(Johnsonville)的尘卷

    主条目:尘卷

    尘卷(英文:dust devil)也是一种柱状的垂直旋转气流,因此和龙卷风很像。然而,它们生成在晴朗的天气下,并且绝大多数情况下比最弱的龙卷风还要弱。气温较高时,如果地面因高温形成很强的上升气流,并且此时有足够的低层风切变,上升的热气流就可能做小范围的气旋运动,此时尘卷便会形成。尘卷之所以不属于龙卷风是因为它们在晴朗的天气条件下形成而且和云没有什么联系。不过,它们偶尔也能引起大的破坏,尤其在干燥地区。

    特点/龙卷风灾害 编辑

    形态

    大多数龙卷风呈狭长的漏斗状,几十至几百米宽,能卷起尘土碎片。不过,龙卷风仍然有多种形态。

    接近1英里宽的“楔状龙卷”,它袭击了美国俄克拉何马州宾格镇(Binger)。

    美国德克萨斯州的龙卷风

    相对较小和较弱的陆龙卷看起来只是像一小片地上卷起来的尘土。虽然漏斗云可能不会延伸到地面,但只要地面上相关联的风拥有超过64千米每小时的风速,旋转的气流即可以被认为是一股龙卷风。巨型单漩涡龙卷风看起来像一个巨大的楔子插进地里,因而可称为“楔状龙卷”(wedge tornado、wedge)。这类龙卷风的漏斗云很宽,就像一大块乌云,直径比云层底部到地面的距离还长。即使是有经验的风暴观测者也无法在远处区分低垂的云团和楔状龙卷风。大型龙卷风多为楔状龙卷但也不全是。

    多漩涡龙卷风可以呈现成一组旋风围绕一个同一个中心旋转,也可以完全被凝结水气、尘土和碎片等掩盖,呈单一漏斗状。

    在衰亡阶段,龙卷风就像细长的管子或绳子,且常常弯曲扭转得奇形怪状。

    除了这些形态外,龙卷风还可能完全被雨或尘土掩盖。这样的龙卷风特别危险,因为即使是经验丰富的气象学家也可能无法发现它们。

    大小

    在美国,龙卷风的直径平均有150米。不过,龙卷风大小的变化幅度很大。势力弱或势力虽强但接近尾声的龙卷风可能会非常细长,有时仅几英尺宽。另一方面,楔状的巨型龙卷的移动路经可以有1.6千米宽。

    外观

    龙卷风的颜色多样,取决于它们所处的环境。干燥环境下生成的龙卷风几乎是透明的,只是在旋风底部能看到旋转的尘土和碎片。几乎或完全不卷起碎片的漏斗云是灰白色的。当经过水体变成水龙卷时,它们会变得非常白甚至呈蓝色。移动缓慢的龙卷风由于卷起大量残骸和泥土,颜色通常较深,并带有被卷起物的颜色。例如,位于美国中央大平原上的龙卷风由于红色土壤的缘故会变红。

    1976年5月30日俄克拉何马州沃里卡(Waurika)市龙卷风的两张照片。两张照片由两位摄影师几乎在同一时间拍摄。上面一张里,龙卷风顺光,因而漏斗云几乎呈白色;下面一张里,照相机朝向相反方向,龙卷风逆光,阳光被云层遮挡,漏斗云看起来非常暗。

    光照条件对龙卷风的外观也有大的影响。同一个龙卷风,逆光(即太阳光从龙卷风背后射下来)时会显得非常暗,顺光(即太阳光从观察者背后射下来)时则会显得比较灰或者非常的白。日落时的龙卷风可以有很多种颜色,如黄、橙和粉红。

    雷暴的狂风吹起来的尘埃、暴雨和强冰雹以及夜色都是减少龙卷风可见度的因素。在这种情形下产生的龙卷风尤其危险,因为此时即将被龙卷风袭击的区域的人们只能靠气象雷达观测或者龙卷风前进时发出的声音才能知晓龙卷风的到来。幸运的是,大多数大的龙卷风都发生在风暴的无雨区,而且大多数龙卷风发生在黄昏时间,这样即使云层很厚太阳光也可以穿过。此外,夜间发生的龙卷风也常常会被频繁的闪电照亮。

    包括车载多普勒移动雷达图像和目击者报告在内的越来越多的证据表明,龙卷风中心和台风等热带气旋的中心一样,都比较晴朗、平静且气压极低。这一区域晴朗(也可能充满尘埃),风力相对柔和,由于阳光多被漏斗云阻挡,也十分黑暗。有些目击者称,闪电照亮了龙卷风,才使他们得以看到龙卷风的内部。

    旋转方式

    龙卷风的旋转方向一般同气旋,即北半球逆时针南半球顺时针。规模大的风暴受科里奥利力的影响,总是做气旋式的旋转,而雷暴和龙卷风由于规模较小因而受科里奥利力的直接影响也较少。但即使忽略科里奥利力的影响,在计算机数值模拟中超级单体和龙卷风仍做气旋式的旋转。

    约有1%的龙卷风以反气旋方式旋转。一般而言,只有陆龙卷和阵风卷属于这一类型。

    分级与侦测/龙卷风灾害 编辑

    龙卷风的强度等级由藤田级数(或称“藤田皮尔森龙卷等级”)和改进型藤田级数划分,可由高分辨率多普勒雷达的数据或摄影测量法得到。需要注意的是,龙卷风的强度并不能描述任何大小和宽度的龙卷风。

    龙卷风的破坏力由小到大,可按藤田级数划分为F0至F5级,也可按改进型藤田级数划分为EF0到EF5级6个等级。EF0级的龙卷风可能只会损伤树木,对较为结实的建筑没有影响,但EF5级的龙卷风就可能把建筑物吹得只剩下地基,甚至让高大的摩天大楼扭曲起来。

    天气预报雷达上的钩状回波图像

    此外,相类似的TORRO分级法将龙卷风分为T0至T11共12个等级,T0级表示极其弱的龙卷风,T11级代表已知的最强的龙卷风。

    在天气预报雷达屏幕上,出现龙卷风的区域会呈现一个“钩状回波”图像。当这些恶劣的天气出现或即将来临的时候,一连串“追风族”常常保持警惕地寻找龙卷风并通知当地的气象机构,他们喜爱追踪雷暴和龙卷风以探究它们的真实情况的和科学解释。“追风族”们做了许多尝试将探针扔到龙卷风中,以便分析其内部构造,但自1990年以来,只有5根针成功地扔了进去。美国国家气象局也有一项名为Skywarn的计划,这项计划负责培训风暴观察员以观察可能带来强冰雹、狂风和龙卷风的风暴。风暴观测员包括郡行政司法长官、州警官、消防队员、救护车司机、追风族以及其他一些个体。风暴来临时,国家气象局会要求这些观察员寻觅这些风暴并立即汇报出现的龙卷风,以便气象局及时发布警报。

    造成的破坏/龙卷风灾害 编辑

    F4级龙卷风造成的破坏

    龙卷风每年能在经济上造成数百万美元的损失,并会导致失业和死伤,危害不容小觑。在孟加拉国,由于人口密度高,房屋质量差以及龙卷风安全知识贫乏,故每年约有179人死于龙卷风。加拿大平均每年出现的龙卷风有80个,致使2人丧生,20人受伤并导致数千万美元的损失。2000年7月4日在加拿大袭击了阿尔伯塔省松叶湖的一起“杀人龙卷风”就曾导致11人死亡。

    英国是欧洲发生龙卷风最频繁的地区。若计入相关土地的面积,英国和荷兰是世界上单位面积发生龙卷风次数最多的国家,其中荷兰平均每平方千米土地每年可遭受0.00048次龙卷风袭击。新西兰和乌拉圭的一部分也有小型强烈龙卷风活动。美国是世界上遭受龙卷风侵袭次数最多的国家,平均每年遭受100000个雷暴、1200个龙卷风的袭击,有50人因此死亡。在美国中西部和南部的广阔区域又以“龙卷风道”最为著名。有记录以来美国最致命的龙卷风是发生于1925年3月18日,越过了密苏里州东南部、伊利诺伊州南部和印地安那州北部的“三洲大龙卷”(Tri-State Tornado),导致695人死亡。

    在一天里若有超过6个龙卷风产生便可称出现了“龙卷风爆发”。1974年4月3日,有史记录以来第二大的龙卷风爆发产生了148个龙卷风,包括7个F5级和23个F4级的龙卷风,绰号“超级爆发”(Super Outbreak)。另一场类似强烈程度的暴风爆发是“棕枝主日龙卷风爆发”(1965 Palm Sunday tornado outbreak),它于1965年4月11日袭击了美国中西部,造成271人死亡。另外2011年4月25日至28日四天内也出现类似上述规模的龙卷风爆发(April 25–28, 2011 tornado outbreak),经确认的龙卷风达330个,并造成344人死亡(光是这四天阿拉巴马州就有238人死亡)。在27日就出现190个龙卷风,包括4个EF5级(其中有两个是在密西西比州至阿拉巴马州之间发生的)和11个EF4级龙卷风,堪称1974年“超级爆发”后最为惨重的龙卷风灾害且有过之而不及。在这个4月就已创下历年单日及单月产生最多龙卷风的记录,因此美国也称此次龙卷风爆发为“2011超级爆发”或“超级爆发Ⅱ”。

    安全防护/龙卷风灾害 编辑

    根据加拿大环境部门的数据,直接被龙卷风吹翻致死的概率为1200万分之1,而实际可能性更低。尽管如此,针对龙卷风的安全防护工作依然不能松懈。

    在有的国家,每年当龙卷风季节开始时,位于龙卷风频发区的学校和媒体会向公众宣传龙卷风的危险性,并教育他们如何提高龙卷风出现时的逃生机率。在龙卷风高发的美国,市民时常被建议购买NOAA天气收音机。它们相当便宜,仅花当前的20美元,可以收到美国国家气象局发出的危险天气警报。警报同时在收音机和电视中播出,大多数社团有民间防御警报,在认为龙卷风即将到达之前会启动。

    在发布龙卷风警报后,所有市民被通知前往避难区。在大多数建筑物中,如果有可能,应该到中央的无窗户的房间或低于地面的走廊躲避。如果龙卷风袭击了建筑物,可导致碎片的大量落下,因此,对藏在室内的人来说,应该蹲在结实门口的梁下,或躲在结实的家具下。不过,龙卷风到来时可使如移动房屋之类的轻建筑遭重创。在这种房屋居住的居民会在龙卷风来临前被通知撤离家园,寻找更坚固的避难所,不管他们前往的是指定的避难所还是附近朋友的家。在某些地区,避风地窖也是人们的避难所。

    当龙卷风来袭时,车辆的处境是极其危险的。如果龙卷风可见且距离遥远,并且当前交通顺畅,则可以将车驾离龙卷风的路径,方法是沿与龙卷风路径直线成直角的方位移动。否则,应尽量快速且安全地将车辆停泊于交通线之外(因为即便是事后从泥土里找出车来,也较将它留在路上引起事故更好),并且寻找坚固的建筑物或壕沟作为掩体。需要切记的是,无论在何种情况下,都不应在龙卷风接近时留在车内。在龙卷风造成的极强风力下,任何车辆都非常容易被卷起并抛掷。

    一些人在风暴中选择在大型陆桥下避难,但那些地方并非是最佳避难场所。位于俄克拉何马州诺曼的美国国家气象局曾经做过一份报告讨论在1999年5月3日发生的俄克拉何马州龙卷风袭击事件中,陆桥作为掩护体的用途。俄克拉何马市当时有三座陆桥处于龙卷风路线上的,而每处桥下至少有一人死于龙卷风。陆桥的建筑形式多种多样,并且其中许多在强大风力与飞舞的碎块面前,并不会提供任何有力的保障。此外,由于人们在桥下或桥旁边随意停放车辆而引起的堵塞,很可能妨碍其他车辆的行进,从而间接剥夺后来者安全逃生的机会。

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