淺談龍卷風的觀測

冉國祿

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.245

摘 要：龍卷風簡稱龍卷，是一種破壞力很強的小尺度風暴。它的襲擊突然而猛烈，產生的風是地面最強的。它是從積雨云中伸展出來的漏斗狀的猛烈旋轉的云柱。出現時，從積雨云云底伸出一個如同“象鼻子”一樣的云柱，有時懸于空中，有時伸達地面或水面，強的龍卷風有極強的破壞力。它的出現和分散是十分突然的，要準確的對它預測是比較困難的。

關鍵詞：龍卷 天氣條件 觀測 預報

中圖分類號：P445 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0245-02

龍卷風的探測和預警在我國尚處于起步階段，設備技術復雜，投資成本高，探測龍卷風的主要手段有：常規氣象觀測、風廓線雷達、多普勒天氣雷達、數值預報模式等，每種設備都有自己的優點，也存在很大的局限性，目前都處于起步和探索階段，我們還不能對它做出準確預警。

1 龍卷風的一般特征

龍卷風是出現在強大積雨云下部的小范圍的很強的旋風。龍卷風中的空氣快速旋轉，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渦旋的底部。形成繞軸心向上的渦流，這樣龍卷中的風總是具有旋轉性的，而且具有很強吸允力，通常把出現在陸地上的稱為陸龍卷，出現在水面的稱為水龍卷，陸龍卷能夠把地面輕質物體吸到空中，水龍卷能夠吸起高大的水柱。

龍卷風的水平尺度很小，在地面上，根據龍卷的經過的路徑觀察，它的直徑通常<1 000 m，一般在幾米到幾百米之間。根據雷達資料判斷，在高度2～3 km處，多數龍卷直徑1 km，再往上，直徑可達3～4 km，最大可達10 km，龍卷的垂直伸展范圍差別很大，有的超過10 km，可達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。

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

龍卷的持續時間一般為幾分鐘到幾十分鐘。龍卷的移動路徑多為直線，移動速度多數為15 m/s。極強時也可達到70 m/s以上。從龍卷出現到消散一般要經過5～10 000 m的路徑，有時也能達到幾十千米以上。

龍卷內部的云、雨、風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，并有類似臺風眼的結構。龍卷中的水平氣流有強烈的旋轉性，其旋轉的方向一般是氣旋式的，也有反氣旋式的。龍卷成對出現時，往往一個是氣旋式的，另一個是反氣旋式的。

2 龍卷風的形成

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

據雷達探測，產生龍卷的積雨云一般強度較大，高度較高（回波頂高在10 km以上），中心密實。但龍卷不是出現在強對流云的正下方，而是出現在它的邊緣，比較多的是出現在母云前進的方向的右前側和右后側，其他部位則少見。從回波結構看，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流場。這種氣旋式的旋轉流場稱為龍卷氣旋。龍卷氣旋氣流的強烈幅合使環流集中在一個細空氣柱中，形成強烈旋轉的上升氣流，并進一步發展成龍卷。

龍卷風的形成目前仍沒有權威的定論，多數偏向于以下三種說法：

（1）當積雨云伸進對流層的強風區時，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，渦旋便在上升氣流柱背風的一側形成。而在風隨高度順轉的環境里，上升氣流下風方右側的氣旋式渦旋最有利于龍卷的發展。

（2）有a1和b1兩條颮線向前傳播，交點分別是L、M、N，連線是颮線交點的軌跡線。軌跡線兩側，風向風速都有很大的差異，于是形成繞垂直軸旋轉的渦旋。渦旋得到發展，就會形成龍卷。

（3）當積雨云中升降氣流之間的切變十分強時，就會發生水平軸的渦旋。當流體內形成渦旋時，它的軸不能在流體內部自由地中斷，而只能終止于流體的邊界或在流體內部形成閉合的渦環。因此，積雨云中形成水平軸渦旋時，這個軸應當向兩端伸展并發生彎曲。當軸的一端或兩端伸出云底甚至達到地面的時候，就形成了龍卷。

3 龍卷風的探測

龍卷風的探測目前仍是一個難題，主要原因是龍卷風影響的面積小，發生至消散的時間也很短，這就要求探測龍卷風的儀器要有足夠的靈敏度，現有的儀器也只能對它進行部分的探測，實際探測中常常要通過目測結合儀器的方法進行探測，目前龍卷風的探測主要通過以下幾種手段。

3.1 多普勒雷達

我們在地面觀測只能固定在一個地點，在這一個地點要觀測到龍卷風概率太小了，而多普勒雷達可以覆蓋周圍幾百公里的范圍，在覆蓋范圍內一旦有龍卷風出現，由于龍卷風極強的破壞力和特殊性，雷達的信號就會受到影響，通過分析雷達的頻移數據，就可以估算出龍卷風移動的方向和速度。多普勒雷達可以測量遠離或靠近雷達的風向風速，龍卷風都是旋轉的，所以它的風也是環形的，遠離和靠近的風貼在一起時就可能是龍卷風出現了。龍卷風多出現在雷達圖鉤狀回波所在的部位。目前看多普勒雷達是探測龍卷風最有效的方法。但由于龍卷風是一種低空現象，雷達的有效探測范圍也就幾十公里，目前雷達的密度遠遠達不到探測的要求。

3.2 常規氣象觀測

龍卷風多出現在積雨云出現時，它是積雨云下部伸出的象鼻狀云，象鼻狀云一般是垂直的，由于空中風比地面大，它的上部會順氣流方向傾斜，我們可根據傾斜方向，判斷龍卷移動方向，從而做出一定的預判，龍卷生成時一些常規的氣象觀測要素也會發生很大的變化，這些變化常常體現在：氣壓降低明顯，大氣層結很不穩定，對流云發展旺盛，云的底部有明顯的擾動等等，龍卷風經過測站時，本站氣壓有很清晰的漏斗狀軌跡，風向變換明顯，有時還有冰雹、雷雨的天氣現象出現。

3.3 氣象衛星

氣象衛星是探測龍卷風的方法之一，利用同步衛星對云層進行拍攝，根據拍攝的云層圖片監測龍卷風發生發展，它的特點是能看到很小的目標，一天24小時都能觀測，能連續系統的觀察，如果再結合其他方法就有可能在龍卷風發生前進行測報。

3.4 風廓線雷達

風廓線雷達主要測量的是以風場為主的各種數據，通過向高空發射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束，因大氣垂直結構不均勻而返回的信息不同對風場進行探測，它能夠探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況。它的優點是：自動化程度高、分辨率高等。通過分析測風資料中風的演變發現近地面龍卷風的蹤跡。

3.5 數值天氣預報

數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過復雜的計算，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。在實際預報工作中，中小尺度的數值預報可對龍卷風過程進行數值模擬測報。

4 結語

各種媒體對龍卷風造成災害的描述，使人們對龍卷風的關注度逐年提高，它強大威力和破壞力使我們震驚，隨著科技的進步，我們的觀測手段和方法也在逐步加強，龍卷風的測報也取得了一些進展。我們還應更加努力，勤觀察，多測量，做到盡量提前預警，減少龍卷風給我們帶來的自然災害。

參考文獻

[1] 周建華.民用航空氣象地面觀測技術手冊[Z].2007.

[2] 陳廷良.現代運輸機航空氣象學[M].北京：氣象出版社，1992.

[3] 譚壁光.航空氣象學[D].中國民航飛行學院，1993.endprint