书城童书飞沙走石:风灾与风暴的防范自救
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第9章 认识龙卷风(1)

龙卷风也叫龙卷,得名于我国的古老神话,龙卷风的发生形状与神话里在风浪中翻滚、腾云驾雾的东海蛟龙很相像。它还有很多形象的别名,如“龙吸水”、“龙摆尾”、“倒挂龙”等。

龙卷风

具有强大的大气涡流的龙卷风在自然界中仍然是保守着秘密的“自在之物”。在大自然中,研究这些可怕的自然现象,并不是一件容易的事,尽管过去对它们作过许多次的观测和研究。龙卷风形成于大雷雨云之中——在那里不同方向的温度的气流相撞,并在极大程度上促成了大气低层不稳定性的形成。根据气象学家的研究,产生龙卷风最重要的条件在于地球表面和在地球寒冷的干燥层附近上空存在着很厚的一层温润空气,在这种十分不稳定的环境条件下能够产生,而且是显然能够产生大量强大的率气涡流,这是形成龙卷风的原因。龙卷风的形成是这样开始的:

当大气变成像“有层的烤饼”时,里面很快形成暴雨云——大量的已变暖的温润空气朝上急速移动,与此同时,附近区域的气流迅速下降,形成了巨大的漩涡。在漩涡里,温润的气流沿着螺旋线向上飞速移动,这样就产生了旋风。极大的回旋速度产生强大的离心力,内部形成一个稀薄的空间,空气在里面迅速变冷,水蒸汽冷凝。这就是为什么人们观察到龙卷风像雾气沉沉的云柱的原因。

由于龙卷风中心压力急剧下降,所以它在猛袭房屋时,屋中的玻璃全要向外掉落——这就是被屋内空气挤压的结果。正是由于这个原因,所以当房屋处于托那陀暴风中心时,房屋的屋顶常常被里面的压力掀掉。

龙卷柱里的风速到底有多大?

气象学家们还没有直接用仪器测量过。暂时他们还是间接地算出的——根据龙卷风在经过的区域内作的“功”来推算。计算表明,猛烈旋转的龙卷柱风速可能超过100米/秒。

如果人们记得的话,就是使整个区域遭到毁灭的飓风,风速也不过50—60米/秒,所以不难想象龙卷风的破坏程度。

一个英国的气象站主任阿·谢顿认为,很难得到这种旋风的准确的风速数据,因为无论哪一种现代化仪器,处于它经过的中心都不能免遭破坏,因此,根据它造成的破坏程度推算出150米/秒的速度是比较合理的结论。他甚至假定在异常强烈的托那陀暴风中风速可达到250米/秒。

现在我们不再去议论是否有如此骇人听闻的风速,因为这毕竟是假定。但估计风速达到90—100米/秒,则是有充分根据的(龙卷风中的垂直气流就是以这么大的速度移动的)。为了进行比较,我们知道,人在空气中的坠落速度不超过56米/秒,跳伞运动员在降落伞未张开时,就是这样坠落的。托那陀暴风的上升气流,差不多是这个速度的2倍。凶此,它能轻而易举地把人、牲畜、房屋以及连根拔起的大树抬向空中,是毫不奇怪的。

如果龙卷风的速度在某一时刻达到150—200米/秒,那么,它掀翻铁路上的列车,把几百千克重的东西带到很远的地方,就不是不可思议的。

在这种情况下,即使不大的木片,甚至羽毛和纤细的植物茎都会变成极其危险的东西,因为这些东西得到极大的速度,就可能使人受伤致残。而树枝、树干在龙卷风中更会成为有破坏力的器具。

龙卷风还带来了许多奇怪的、骤然看来是不可解释的东西。难怪《美国的托那陀暴风》一书的作者德·弗洛尔在大量地观察这种离奇的自然现象之后指出:“不管这些充足的材料可靠性如何,但这种离奇的自然现象所显示出来的如此玄妙的程度,使你不得不相信这一切。”

龙卷风的分类

1.按发生位置分类

龙卷风一般被分为漏斗云向下伸展触及地面的陆龙卷、漏斗云向下伸展至水面的水龙卷(至海面的又称海龙卷)和漏斗云向下伸展而悬挂在高空的高空漏斗云这三类。

也有人主张应把高空漏斗云除外。

2.按强度分类

一般可分为三类:微弱龙卷风,强烈龙卷风和剧烈龙卷风。

(1)微弱龙卷风

微弱龙卷风的风速一般在18—25米/秒之间。典型的微弱龙卷风只有一个长而狭小的漏斗云,其倒圆锥状的漏斗云底端并没有接触到地面,垂直风速也不强,在轴中心处垂直风速达到最大,这是最常被发现的龙卷风。如果周围有雨幕产生,说明此龙卷风快结束了。

(2)强烈龙卷风

强烈龙卷风通常有一很明显的柱状漏斗云,涡旋也很强,所以地面会有剧烈的天气现象。其最大垂直风速并不是在轴心上,而是环绕在圆柱的边界上,向轴心慢慢递减,这一点和微弱龙卷风是不同的。

(3)剧烈龙卷风

剧烈龙卷风中心有一个清楚的环形平静区域,很类似于台风眼,其内部是一个非常强的低压。当龙卷风眼经过某一地区时,周围空气为了适应压力的突然改变而产生快速的下沉气流。在龙卷风内,地面的气流是向外辐散的,它在地面碰到向内辐合到中心的气流,两者结合而又转向,变成向上类似微弱龙卷风的上升气流且环绕在龙卷风眼旁。由于气流是往各个方向移动,所以一般会有好几个漏斗云出现,而这几个漏斗云也常环绕着龙卷风眼旋转。

3.按形状和形态分类

一般按形状可分为三类:浓密状龙卷风、松散状龙卷风和派生龙卷风。浓密状龙卷风都有一个轮廓鲜明、稳定、浓密的底部,并有一个直径很小但很长的管子,这个管子多数是垂直向下的。根据这种龙卷风的长度和宽度,又可分为两大类:一是蛇形状、绳状或鞭子状;二是漏斗、树干或柱状。松散状龙卷风则是轮廓模糊不清,形状松散。

派生龙卷风是在龙卷风周围又派生出各式小的龙卷风。另外,按龙卷风发生时的形态可将其分为下曳龙卷风和上升龙卷风。下曳龙卷风是积雨云与中心之间的气压差距递增,造成气流向下曳出,也可称为喷出型龙卷风。上升龙卷风是龙卷风中上升的气流,宛如吸尘器吸入地面上的各种物质,也可称为吸进型龙卷风。

龙卷风产生的条件

龙卷风的发生有三个必要条件:

湿润的空气必须非常不稳定,在不稳定空气中必须形成塔状积雨云,高空风必须与低空风方向相反,从而产生风切变将上升的空气移走。

这些条件都很常见,三者齐备并非难事。三个条件同时出现并不意味着龙卷风一定会来临,但至少说明龙卷风有可能发生。

潮湿地面的强烈但不均匀的受热会使空气变得不稳定。空气因与地面的接触而升温,水汽蒸发到空气中。温暖湿润的空气膨胀,上升,绝热冷却。温度的下降造成部分水汽凝结,释放出潜热,使空气保持不稳定的状态。在温带气候中,夏季的雷暴就是这样形成的。在热带和亚热带地区,这样的风暴更为普遍,规模通常也更大。

由于这类风暴是由地表受热所引起的空气不稳定造成的,所以它们最有可能出现的时间是在傍晚前后,因为这时的地面已经受热几个小时,但还没有开始冷却。在美国,龙卷风的数量在5—9月间达到顶峰。2/3的龙卷风发生在下午2—8点之间,大约1/4发生在下午4—6点之间。发生龙卷风可能性最小的时间是在空气最稳定的黎明时分。

这说明很多龙卷风是由单个的雷暴引起的。

在任意时刻,全世界大约有2000场雷暴同时发生。一天内的雷暴数量约为4.5万场。不过,并不是所有的雷暴都是由地面的不均匀受热造成的。任何使湿润空气上升到凝结高度以上的因素都会导致其不稳定。在凝结高度,气温降到很低,水汽开始凝结,如果空气足够湿润,就会释放出大量潜热。越过海洋的气团在到达陆地时会变得很湿润。

如果它因经过山地而被迫抬升的话,就会变得相当不稳定,以至于积雨云在其中形成。前进中密度较大的冷空气从下面切入湿润的暖空气,形成锋面,暴风云也可能出现于此。

这种锋面暴风云可以融入飑线。与飑线有关的强风暴常常会引起龙卷风的爆发。

气团终年运动,可强烈的锋面系统只出现在两个气团性质截然不同时。极地气团和冰洋气团与热带气团相遇而形成的锋面最为常见。

这种情况发生在北美洲东部(冬季可扩大到墨西哥湾)、欧洲西北部和亚洲东部,冬季时也可见于地中海东部与里海之间的狭长地带。

雷暴在一年中的任何时间都可能沿锋面形成,其中有一些强度足以引发龙卷风。这意味着虽然春夏是龙卷风的多发季节,秋季和冬季也会发生龙卷风。世界上的任何角落以及一年中的任何时刻对龙卷风都不是免疫的。

龙卷风是否会形成取决于第三个必要因素。高空中必须要有风切变,才能使上升气流中通过对流上升的空气散去。锋面可以导致风切变,但通常完成这一“光荣任务”

的是急流。急流随季节变化而移动,因而它在特定时间的位置为龙卷风最有可能发生的地点提供了线索。

夏季,极地急流在五大湖所处的纬度横跨北美洲,从欧洲上空经过直到英国南部,接着穿过中亚。

冬季,它更偏向南方,风速也快得多,大致沿加利福尼亚的南端与切萨皮克湾之间的连线跨越北美洲,在大西洋彼岸,它横跨撒哈拉沙漠,然后进入亚洲,直至印度次大陆北部。

春秋两季,它在冬季和夏季的位置之间运动。不过,上述只是它的平均位置。从更短的时段来看,急流的方向和力度变化很大,偶尔还会短时间地彻底消失。

所有这些因素共同构成一种模式。在存在高空风切变的条件下,潮湿的不稳定空气的强对流可以出现在几乎任何时间、任何地点,但在某些特定的时间和地点发生的可能性稍大一点。

龙卷风的危害

人们一直把龙卷风当作是“上帝的愤怒”,有一本关于龙卷风的书,名字就叫《上帝的愤怒:龙卷风》。

有人说龙卷风看上去像煮沸的开水,或像一个恶魔鬼怪,或像一场激烈的战争。可见,龙卷风的危害巨大。

天气预报人员可以对龙卷风的来临发布警报,但对其猛烈程度还无法准确预测,常常只能猜测。藤田龙卷风强度等级是将龙卷风按其速度以及所造成的破坏程度分成的等级。可是,只有在龙卷风过后,专业人员才能对它们造成的破坏进行估计,然后判断出它们的等级。

所以,在龙卷风真正到来之前,没人能知道它们究竟会仅仅折断几根树枝,破坏一些烟囱,还是会将坚固的房屋夷为平地,把汽车像玩具一样抛到远处。

造成危害与破坏的主要是龙卷风的风力、飞旋的碎屑、极低的中心气压。

龙卷风的风速大约在100米/秒,最大可达200米/秒。当龙卷风猛烈地冲击房屋的一侧时,该侧所要承受的力量约为10吨。这样巨大的力量首先将房屋的这一侧击得粉碎。因此形成缺口使风的通路加宽。但是房屋并不仅仅在一个方向被风击中,由于龙卷风是旋转的,所以在它移动过程中,风不断地变换方向。这样,房屋在一瞬间粉身碎骨也就不足为奇了。

龙卷风中飞旋的碎屑对财产造成的破坏不亚于直接的风吹,大多数的受伤者是由它们引起的。龙卷风的漏斗本身很狭窄,但围绕龙卷风核心旋转的风足以使它们所到之处一切都被破坏,从而形成大大小小的各种固体碎片。它们一开始在涡旋周围转动,在不稳定产生后,即碎片的动量超过向心力,碎片就向漏斗外飞散,每一片都沿涡旋的切线做直线运动。龙卷风在前进过程中,就像一支旋转的枪把碎屑向各个方向射出。碎屑通常很小,但运动高速,能量巨大,要比大的物体危险得多。龙卷风过后,我们经常可以看到这样的场景:一根松树棍穿透一块1厘米左右的钢板,一根细草茎刺穿一块厚木板,一张扑克牌竟像楔子一样,被深深地嵌入木头中。

龙卷风内部的空气很稀薄,压力很低,就像一只巨大的吸尘器,能把沿途的一切都吸到它的“漏斗”

里,直到旋风的势力减弱变小或随龙卷风内的下沉气流下沉时,再把吸来的东西抛下来。当它经过紧闭门窗的房屋附近时,能使房屋内外产生极大的气压差(内大外小),从而使房屋的屋顶和四壁受到一个由里向外的巨大作用力。这种突然施加的内力会把屋顶掀掉,四壁倒塌,犹如从内部发生了大爆炸一样。

尽管不断提高的预报技术以及关于龙卷风发生时如何逃生的知识使死亡人数大大减少,但受伤人数和财产损失仍居高不下。在美国,龙卷风造成的财产损失呈逐年上升的趋势,龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。1999年5月27日,美国德克萨斯州中部,包括首府奥斯汀在内的4个县遭受特大龙卷风袭击,造成至少32人死亡,数十人受伤。据报道,在离奥斯汀市北部40英里的贾雷尔镇,有50多所房屋倒塌,30多人在龙卷风中丧生。

遭到破坏的地区长达1.6千米,宽183米。这是继当年5月13日迈阿密市遭龙卷风袭击之后,美国又一遭受龙卷风袭击的地区。2008年2月5日深夜到6日凌晨,近70股龙卷风夹着雷暴袭击了美国南部多个州,造成至少55人死亡,数百人受伤,这是美国近23年内最为严重的龙卷风。遭遇袭击的地区包括肯塔基州、田纳西州、密西西比州和阿肯色州等。暴风雨来势迅猛,掀开购物中心的屋顶,撕裂仓库并且摧跨了校园宿舍楼。

国际学者还普遍将破坏力最强的顶级龙卷风形象地称为“上帝之指”,比喻只有上帝搅动了手指,才能产生如此强悍的力量。2007年7月3日16时57分,上帝的手指似乎就在安徽东部小城天长搅动了一阵,20分钟时间里,一条宽约200米、长20公里的“恐怖之廊”

出现在人们面前。此次龙卷风造成伤亡105人,其中7人死亡,98人受伤。龙卷风还导致700多间房屋倒塌,电力、通讯、水利设施和农田受损严重,直接经济损失3000余万元。同年8月18日夜间,受台风“圣帕”外围影响,浙江省温州市苍南县龙港镇遭到长8000米、宽800米的龙卷风袭击,造成11人死亡,60余人受伤,156间房屋倒塌。

无处不在的龙卷风

只要有产生龙卷风的必要条件,任何地方都有可能产生龙卷风。据统计,龙卷风主要发生在南北半球中纬度为20°—50°的地区。美国最多,一年平均出现1000多次。英国、新西兰、意大利、澳大利亚、日本等国次之。

1.龙卷风在美洲

北美大平原地区是地球上龙卷风生成最为有利的环境。根据报道统计显示,世界上有75%的龙卷风发生在美国,另有5%发生在加拿大。

(1)美国

美国遭遇的龙卷风远多于其他任何国家,被称为世界的“龙卷风之乡”。美国的俄克拉何马城又被称为世界的“龙卷风之都”。这是由于美国东邻大西洋,西靠太平洋,南面还有墨西哥湾,常常有大量的水汽从东、西、南面流向美国大陆。