淺談龍卷風(fēng)的觀測

冉國祿

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.245

摘 要：龍卷風(fēng)簡稱龍卷，是一種破壞力很強(qiáng)的小尺度風(fēng)暴。它的襲擊突然而猛烈，產(chǎn)生的風(fēng)是地面最強(qiáng)的。它是從積雨云中伸展出來的漏斗狀的猛烈旋轉(zhuǎn)的云柱。出現(xiàn)時(shí)，從積雨云云底伸出一個(gè)如同“象鼻子”一樣的云柱，有時(shí)懸于空中，有時(shí)伸達(dá)地面或水面，強(qiáng)的龍卷風(fēng)有極強(qiáng)的破壞力。它的出現(xiàn)和分散是十分突然的，要準(zhǔn)確的對(duì)它預(yù)測是比較困難的。

關(guān)鍵詞：龍卷 天氣條件 觀測 預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（a）-0245-02

龍卷風(fēng)的探測和預(yù)警在我國尚處于起步階段，設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，投資成本高，探測龍卷風(fēng)的主要手段有：常規(guī)氣象觀測、風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)、數(shù)值預(yù)報(bào)模式等，每種設(shè)備都有自己的優(yōu)點(diǎn)，也存在很大的局限性，目前都處于起步和探索階段，我們還不能對(duì)它做出準(zhǔn)確預(yù)警。

1 龍卷風(fēng)的一般特征

龍卷風(fēng)是出現(xiàn)在強(qiáng)大積雨云下部的小范圍的很強(qiáng)的旋風(fēng)。龍卷風(fēng)中的空氣快速旋轉(zhuǎn)，空氣因受慣性離心力的作用而大量外流，造成中心的氣壓極低。從遠(yuǎn)處看好像積雨云下部伸出的象鼻狀云，由于龍卷中心氣壓極低，氣流被從四面八方吸入龍卷風(fēng)渦旋的底部。形成繞軸心向上的渦流，這樣龍卷中的風(fēng)總是具有旋轉(zhuǎn)性的，而且具有很強(qiáng)吸允力，通常把出現(xiàn)在陸地上的稱為陸龍卷，出現(xiàn)在水面的稱為水龍卷，陸龍卷能夠把地面輕質(zhì)物體吸到空中，水龍卷能夠吸起高大的水柱。

龍卷風(fēng)的水平尺度很小，在地面上，根據(jù)龍卷的經(jīng)過的路徑觀察，它的直徑通常<1 000 m，一般在幾米到幾百米之間。根據(jù)雷達(dá)資料判斷，在高度2～3 km處，多數(shù)龍卷直徑1 km，再往上，直徑可達(dá)3～4 km，最大可達(dá)10 km，龍卷的垂直伸展范圍差別很大，有的超過10 km，可達(dá)15 km，有的僅3～5 km；有的只存在于積雨云中部，從云頂和云下都看不到它。

龍卷風(fēng)的內(nèi)部是下降氣流，并向外流出，外部是上升氣流，并向內(nèi)流入，下降氣流和上升氣流都很強(qiáng)。上升氣流最大值（可達(dá)60 m/s）大致出現(xiàn)在距地面50 m高度上。由于中心附近空氣外流，上空又有強(qiáng)烈的輻射，因此龍卷中心氣壓值非常低，可低至400百帕以下，甚至達(dá)到200 。因?yàn)橹行臍鈮旱?，再加上龍卷的水平尺度又很小，所以其?nèi)部水平氣壓梯度特別大。因此，龍卷中的風(fēng)速極大，一般可達(dá)幾十米/秒，最大可達(dá)100 m/s以上，往往在地面上造成摧毀性的破壞。

龍卷的持續(xù)時(shí)間一般為幾分鐘到幾十分鐘。龍卷的移動(dòng)路徑多為直線，移動(dòng)速度多數(shù)為15 m/s。極強(qiáng)時(shí)也可達(dá)到70 m/s以上。從龍卷出現(xiàn)到消散一般要經(jīng)過5～10 000 m的路徑，有時(shí)也能達(dá)到幾十千米以上。

龍卷內(nèi)部的云、雨、風(fēng)等分布情況與熱帶氣旋很相似。恰似縮小了許多倍的熱帶氣旋，并有類似臺(tái)風(fēng)眼的結(jié)構(gòu)。龍卷中的水平氣流有強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)性，其旋轉(zhuǎn)的方向一般是氣旋式的，也有反氣旋式的。龍卷成對(duì)出現(xiàn)時(shí)，往往一個(gè)是氣旋式的，另一個(gè)是反氣旋式的。

2 龍卷風(fēng)的形成

龍卷風(fēng)是在雷暴云中產(chǎn)生的。雷暴中蘊(yùn)含著巨大的能量，其中的一種釋放形式就是一小部分在很小的區(qū)域內(nèi)集中釋放形成的龍卷風(fēng)。但多數(shù)積雨云中沒有龍卷產(chǎn)生。只有那些發(fā)展特別強(qiáng)烈的雷暴云，才有可能形成龍卷。龍卷形成條件與雷暴類似，但是所要求的層結(jié)不穩(wěn)定度更強(qiáng)。形成龍卷時(shí)，大氣低層（700百帕以下）要具有很大的對(duì)流不穩(wěn)定；從溫度條件看，龍卷總是出現(xiàn)在較強(qiáng)的干、濕氣流交匯地區(qū)。龍卷風(fēng)多發(fā)生在中緯度地區(qū)。出現(xiàn)最多的國家是美國；澳大利亞次之。在我國，多發(fā)生在華南、華東一帶，水龍卷多出現(xiàn)在南海和臺(tái)灣海峽一帶，出現(xiàn)時(shí)間一般在春季和初夏，時(shí)間大多在14點(diǎn)至20點(diǎn)。

據(jù)雷達(dá)探測，產(chǎn)生龍卷的積雨云一般強(qiáng)度較大，高度較高（回波頂高在10 km以上），中心密實(shí)。但龍卷不是出現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流云的正下方，而是出現(xiàn)在它的邊緣，比較多的是出現(xiàn)在母云前進(jìn)的方向的右前側(cè)和右后側(cè)，其他部位則少見。從回波結(jié)構(gòu)看，較多見的龍卷回波主要有鉤狀、“V”狀和弧狀。從流場來看，處于雷暴云邊緣上的流場多為氣旋式的旋轉(zhuǎn)流場。這種氣旋式的旋轉(zhuǎn)流場稱為龍卷氣旋。龍卷氣旋氣流的強(qiáng)烈幅合使環(huán)流集中在一個(gè)細(xì)空氣柱中，形成強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的上升氣流，并進(jìn)一步發(fā)展成龍卷。

龍卷風(fēng)的形成目前仍沒有權(quán)威的定論，多數(shù)偏向于以下三種說法：

（1）當(dāng)積雨云伸進(jìn)對(duì)流層的強(qiáng)風(fēng)區(qū)時(shí)，上升氣流柱便成為水平氣流的障礙，水平氣流擾流上升氣流柱時(shí)，渦旋便在上升氣流柱背風(fēng)的一側(cè)形成。而在風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)的環(huán)境里，上升氣流下風(fēng)方右側(cè)的氣旋式渦旋最有利于龍卷的發(fā)展。

（2）有a1和b1兩條颮線向前傳播，交點(diǎn)分別是L、M、N，連線是颮線交點(diǎn)的軌跡線。軌跡線兩側(cè)，風(fēng)向風(fēng)速都有很大的差異，于是形成繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的渦旋。渦旋得到發(fā)展，就會(huì)形成龍卷。

（3）當(dāng)積雨云中升降氣流之間的切變十分強(qiáng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生水平軸的渦旋。當(dāng)流體內(nèi)形成渦旋時(shí)，它的軸不能在流體內(nèi)部自由地中斷，而只能終止于流體的邊界或在流體內(nèi)部形成閉合的渦環(huán)。因此，積雨云中形成水平軸渦旋時(shí)，這個(gè)軸應(yīng)當(dāng)向兩端伸展并發(fā)生彎曲。當(dāng)軸的一端或兩端伸出云底甚至達(dá)到地面的時(shí)候，就形成了龍卷。

3 龍卷風(fēng)的探測

龍卷風(fēng)的探測目前仍是一個(gè)難題，主要原因是龍卷風(fēng)影響的面積小，發(fā)生至消散的時(shí)間也很短，這就要求探測龍卷風(fēng)的儀器要有足夠的靈敏度，現(xiàn)有的儀器也只能對(duì)它進(jìn)行部分的探測，實(shí)際探測中常常要通過目測結(jié)合儀器的方法進(jìn)行探測，目前龍卷風(fēng)的探測主要通過以下幾種手段。

3.1 多普勒雷達(dá)

我們在地面觀測只能固定在一個(gè)地點(diǎn)，在這一個(gè)地點(diǎn)要觀測到龍卷風(fēng)概率太小了，而多普勒雷達(dá)可以覆蓋周圍幾百公里的范圍，在覆蓋范圍內(nèi)一旦有龍卷風(fēng)出現(xiàn)，由于龍卷風(fēng)極強(qiáng)的破壞力和特殊性，雷達(dá)的信號(hào)就會(huì)受到影響，通過分析雷達(dá)的頻移數(shù)據(jù)，就可以估算出龍卷風(fēng)移動(dòng)的方向和速度。多普勒雷達(dá)可以測量遠(yuǎn)離或靠近雷達(dá)的風(fēng)向風(fēng)速，龍卷風(fēng)都是旋轉(zhuǎn)的，所以它的風(fēng)也是環(huán)形的，遠(yuǎn)離和靠近的風(fēng)貼在一起時(shí)就可能是龍卷風(fēng)出現(xiàn)了。龍卷風(fēng)多出現(xiàn)在雷達(dá)圖鉤狀回波所在的部位。目前看多普勒雷達(dá)是探測龍卷風(fēng)最有效的方法。但由于龍卷風(fēng)是一種低空現(xiàn)象，雷達(dá)的有效探測范圍也就幾十公里，目前雷達(dá)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到探測的要求。

3.2 常規(guī)氣象觀測

龍卷風(fēng)多出現(xiàn)在積雨云出現(xiàn)時(shí)，它是積雨云下部伸出的象鼻狀云，象鼻狀云一般是垂直的，由于空中風(fēng)比地面大，它的上部會(huì)順氣流方向傾斜，我們可根據(jù)傾斜方向，判斷龍卷移動(dòng)方向，從而做出一定的預(yù)判，龍卷生成時(shí)一些常規(guī)的氣象觀測要素也會(huì)發(fā)生很大的變化，這些變化常常體現(xiàn)在：氣壓降低明顯，大氣層結(jié)很不穩(wěn)定，對(duì)流云發(fā)展旺盛，云的底部有明顯的擾動(dòng)等等，龍卷風(fēng)經(jīng)過測站時(shí)，本站氣壓有很清晰的漏斗狀軌跡，風(fēng)向變換明顯，有時(shí)還有冰雹、雷雨的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.3 氣象衛(wèi)星

氣象衛(wèi)星是探測龍卷風(fēng)的方法之一，利用同步衛(wèi)星對(duì)云層進(jìn)行拍攝，根據(jù)拍攝的云層圖片監(jiān)測龍卷風(fēng)發(fā)生發(fā)展，它的特點(diǎn)是能看到很小的目標(biāo)，一天24小時(shí)都能觀測，能連續(xù)系統(tǒng)的觀察，如果再結(jié)合其他方法就有可能在龍卷風(fēng)發(fā)生前進(jìn)行測報(bào)。

3.4 風(fēng)廓線雷達(dá)

風(fēng)廓線雷達(dá)主要測量的是以風(fēng)場為主的各種數(shù)據(jù)，通過向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束，因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息不同對(duì)風(fēng)場進(jìn)行探測，它能夠探測其上空風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素隨高度的變化情況。它的優(yōu)點(diǎn)是：自動(dòng)化程度高、分辨率高等。通過分析測風(fēng)資料中風(fēng)的演變發(fā)現(xiàn)近地面龍卷風(fēng)的蹤跡。

3.5 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過復(fù)雜的計(jì)算，預(yù)測未來一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，中小尺度的數(shù)值預(yù)報(bào)可對(duì)龍卷風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬測報(bào)。

4 結(jié)語

各種媒體對(duì)龍卷風(fēng)造成災(zāi)害的描述，使人們對(duì)龍卷風(fēng)的關(guān)注度逐年提高，它強(qiáng)大威力和破壞力使我們震驚，隨著科技的進(jìn)步，我們的觀測手段和方法也在逐步加強(qiáng)，龍卷風(fēng)的測報(bào)也取得了一些進(jìn)展。我們還應(yīng)更加努力，勤觀察，多測量，做到盡量提前預(yù)警，減少龍卷風(fēng)給我們帶來的自然災(zāi)害。

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