龙卷风
天气现象
龙卷风是发生于直展云系(cumuliform clouds)底部和下垫面之间的直立空管状或漏斗状旋转气流,是一类局地尺度的剧烈天气现象。龙卷风可见于热带温带地区,包括美洲内陆、澳洲西部、印度半岛东北部等。龙卷风春季、夏季、秋季均可发生,但最常发生在春夏过渡季节或夏秋之交(4~10月)。
特征
结构
龙卷风是一种少见的局地性、小尺度、突发性的强对流天气,是在强烈的不稳定的天气状况下由空气对流运动造成的、强烈的、小范围的空气涡旋。
龙卷风的结构包括作为主体部分的漏斗云和维持其存在的对流系统,通常为雷暴所带来的积雨云。
气象参数
龙卷风的风速可达100-175米每秒,数倍于强台风。龙卷风的持续时间短暂,通常在1小时内,最多数个小时。龙卷风的近地面直径很小,通常为25-100米,在极少数情况下可达到1公里;龙卷风的空中直径可达数千米。大多数龙卷风在北半球是逆时针旋转,在南半球是顺时针,也有例外情况。
成因
龙卷风是极强对流的产物,一般与对流复合体或超级单体相伴随,在强对流积雨云下形成的旋转极快的气旋。龙卷风的产生条件包括近地面的风切变和显著的垂直运动、不稳定能量,雷暴是能够满足以上条件的理想环境,也是引发龙卷风的主要原因,其中由超级单体引发的龙卷被称为超级单体龙卷,其他情形被称为非超级单体龙卷。超级单体龙卷强度的强度和规模通常大于非超级单体龙卷。
龙卷风是近地面不稳定能量中在很小的区域内集中释放的一种形式。一般发生在春夏过渡季节或夏秋之交(4~10月),以前者居多。龙卷风生成(tornadogenesis)在大气微物理学方面没有明确结论。但在动力学方面被认为与上升气流和垂直风切变有关,且可大致分为四个阶段:
分类
多漩涡龙卷风
多漩涡龙卷风(multiple vortex tornado)是包含次级涡旋(subvortices)的龙卷风。次级涡旋通常在主涡旋接触下垫面后生成,数量在2到5个不等,围绕主涡旋旋转且不易通过观察辨别。多漩涡结构的发展与龙卷风强度有关,EF4级以上的龙卷风容易发展为多涡旋龙卷。次级涡旋的生成和消失是动态的,通常仅维持数分钟。多漩涡龙卷风可能具有很大的破坏力。
水龙卷
水龙卷(waterspout)或海龙卷是水上的龙卷风,通常为非超级单体龙卷。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。水龙卷的破坏性比超级单体龙卷要小,但仍然是危险的。水龙卷能吹翻和毁坏船只,当移动至陆地时会有更大的破坏。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发出海上警告;当水龙卷向陆地移动时发出龙卷风警告。
陆龙卷
陆龙卷(landspout; dust-tube tornado)是产生于陆地的非超级单体龙卷。陆龙卷和水龙卷有一些相同的特点,例如强度较弱、持续时间短、冷凝形成的漏斗云较小且经常不接触地面等。陆龙卷和雷暴等剧烈天气没有关联,但依然会带来气象灾害例如强风,并造成破坏。
其它类似的天气现象
火龙卷具有类似于龙卷风形态,是旋风(whirlwind)与火焰的结合。2010年,位于南半球的巴西遭遇罕见的干旱少雨天气,全国多地燃起了山火。8月24日,巴西圣保罗市一处火点刮起了龙卷风,形成了罕见的火焰龙卷风景观。龙卷风夹起火焰高达数米,像一条巨大的火龙旋转前进。这条“火龙风”于24日被拍摄到。“火龙”在燃烧的田野上飞舞高约数米高,阻断了一条公路。为了熄灭这条“火龙”,当地出动了直升机。出现“火龙风”的地区已经有3个月没有下雨。异常干旱的天气和强劲的风势助长了此处的火势。巴西全球电视台报道称,圣保罗地区的空气干燥程度已赶上了撒哈拉沙漠。
尘卷风是指在沙漠地区由于局地增热不均匀而形成的旋转式尘柱。2019年3月31日下午15时许,虞城县田庙乡万亩梨园突遇尘卷风袭击,导致一游乐蹦蹦床被刮飞。截至4月1日,已造成2名儿童死亡,1名儿童重伤,17名儿童和2名成年人受轻伤。
观测
EF分级
龙卷风按它的破坏程度不同,分为0-5增强藤田级数,简单来说就称为EF级,由1971年芝加哥大学的藤田哲也博士所提出:
根据物理和气象学推算,龙卷风没有EF6级。一些观测记录中的强龙卷风,例如1999年5月3日俄克拉荷马城的龙卷风不是EF6级,而是EF5级。
按观测经验,龙卷风的形态可能与其EF分级有关:
观测仪器
多普勒天气雷达探测
龙卷风发生至消散的时间短,作用面积很小,以至于现有的探测仪器没有足够的灵敏度来对龙卷风进行准确的观测。相对来说,多普勒雷达是比较有效和常用的一种观测仪器。多普勒雷达对准龙卷风发出的微波束,微波信号被龙卷风中的碎屑和雨点反射后重被雷达接收。如果龙卷风远离雷达而去,反射回的微波信号频率将向低频方向移动;反之,如果龙卷风越来越接近雷达,则反射回的信号将向高频方向移动。这种现象被称为多普勒频移。接收到信号后,雷达操作人员就可以通过分析频移数据,计算出龙卷风的速度和移动方向。
双极化天气雷达探测
双极化技术的出现对多普勒天气雷达探测中气旋和龙卷进行了有力的补充,全面提升了对龙卷微物理特征分析与预警预报水平。①由于多普勒天气雷达对较小尺度的龙卷涡旋探测需要具有良好的空间分辨率,然而对双极化探测而言并不需要太高的精度。②双极化特征信号不同于多普勒特征信号,由于其是“各向同性”的,所以并不依赖于观测角度的变化。③当龙卷在夜间发生或被大量降水包裹着难以通过多普勒雷达观测发现时,双极化信息更能有效地将其识别。
快速扫描雷达探测
Wurman设计开发了第一部X波段移动式快速扫描雷达Rapid DOW,该雷达每7秒可以完成一次360°的体扫,在14秒的时间里可以探测到12个波束范围的数据,并且其距离分辨率达到11米,更易于对龙卷三维结构进行研究。从当前对龙卷的探测技术来看,快速扫描雷达在时空尺度上对龙卷观测独特优势。而美国计划的下一代天气雷达网络也定位为多功能相控阵雷达。所以可见该技术未来必将成为研究该类天气的主要手段。
统计特征
全球除南极洲以外的大洲都有龙卷风记录,龙卷风主要发生在中纬度地区,其中美国发生最为频繁,其发生的龙卷风约占全球龙卷风总数的75%,其次为加拿大。欧洲西部和中部、中国、孟加拉国、日本、澳大利亚、新西兰、南非和阿根廷等国家或地区龙卷风发生也较为频繁。
年尺度特征美国龙卷风平均每年有1000多个,例如在1991至2010年的平均值为1253个/年。在加拿大,龙卷风的年频率约70个/年。考虑检测系统的局限,真实的龙卷风频率可能为150个/年。
欧洲平均观测到的龙卷风大约有330个/年,其中陆龙卷170个,水龙卷160个,而实际发生的龙卷风可能有700个/年,陆龙卷300个,水龙卷390个。欧洲龙卷风多发生于英国、德国、法国和西班牙。英国在1981至2010年间平均每年大约有47.2±10.5个龙卷风,其中陆龙卷36.5±10.1个,水龙卷12.7±2.8个。法国平均每年有15至20个龙卷风。
亚洲的龙卷风发生于中国、日本、印度和孟加拉国,中国平均每年发生的龙卷风有73个;日本平均每年发生20.5个陆龙卷和4.5个水龙卷;孟加拉国平均每年发生的龙卷风有2个。大洋洲的龙卷风主要发生在澳大利亚和新西兰:澳大利亚平均每年发生的龙卷风有29个,新西兰平均每年发生的龙卷风有17个。南美洲的龙卷风多发于阿根廷中部的潘帕斯草原:阿根廷平均每年记录到的龙卷风大概有10个;巴西、智利和乌拉圭也有龙卷风的记录,巴西平均每年记录到的龙卷风有3个。
美国的龙卷风多发于春季,其次为夏季,冬季最少发生。欧洲的龙卷风主要发生在夏季,其次为秋季:英国龙卷风主要发生在秋季(9至11月),11月为龙卷风发生最多月,其次为夏季(6至8月)。德国2/3的龙卷风发生在6—8月,其中7月龙卷风发生频率达27%;法国的龙卷风多发于春季和夏季,8月发生最多;西班牙的龙卷风多发于暖季,明显的趋向于秋季。澳大利亚的龙卷风多发于初春和夏季,其次为初冬。中国龙卷风发生的季节变化特征明显,主要集中在春夏两季,尤以7月和8月最多,两月约占全年总数的50%以上。日本56%的陆龙卷发生在7—10月,其中9月最为频繁,3月最少;水龙卷主要发生在9至10月,10月最多。
美国的佛罗里达州和中南部平原是龙卷风的高发区,中南部平原称为“龙卷走廊”,其范围一般指从德克萨斯州中部向北到爱荷华州北部,以及从堪萨斯州中部和内布拉斯加东部到俄亥俄西部的区域。英国的龙卷主要发生于英格兰的东部和南部以及海峡群岛周边。德国的龙卷风多发于沿海和丘陵地区。法国的龙卷风多发于西北部、南部和东部。西班牙的龙卷风多发于地中海区域和加的斯湾附近省份。中国龙卷风一般多发生在中东部地形相对平坦的平原地区,平原多于山区;从区域尺度来看,长江三角洲、苏北、鲁西南、豫东等平原、湖沼区以及雷州半岛等地都是龙卷风的易发区;从省级行政单元尺度来看,江苏省、安徽省、广东省、河南省、湖北省是龙卷风多发的省份,黑龙江省、河北省、浙江省、江西省和湖南省等省份龙卷风的发生频次较高。1961至1993年间日本的陆龙卷和水龙卷主要发生在沿海地区,而关东地区大量龙卷风远离沿海区域。大洋洲的龙卷风主要发生在澳大利亚和新西兰。澳大利亚的龙卷风主要发生于东南部和西南部。南美洲的龙卷风多发于阿根廷中部的潘帕斯草原。巴西龙卷多发于南部和东南部。
观测实例
2020年6月17日,泰国春武里府海面出现“龙吸水”奇观。“龙吸水”是发生在海面的龙卷风。当时该地区突下大雨,并在海面形成龙卷风。巨大的龙卷风引起人们恐慌,但并未造成人员伤亡。“龙吸水”上端与雷雨云相接,下端直接延伸到水面。它一边旋转、一边移动,能把海上船只和海水吸入空中。
中国
中国大部分省(区、市)都有龙卷风的踪迹,主要发生在我国东部平原地区,1991年-2014年,我国平均每年有43个龙卷风,其中江苏和广东最多,年均龙卷风分别为5.5个和4.8个。春季、夏季是龙卷风的多发季节,4-8月龙卷风占全年的92%。
2020年6月24日下午两点半左右,内蒙古锡林浩特出现大型气旋景象。巨大的风柱连接天地,狂暴旋风形成的气流、云团不断扭曲变换形状,在黑压压的雷雨云下仿若魔幻大片。
2020年6月12日14时左右,一场龙卷风袭击江苏省高邮市。在龙卷风波及的勤王村管伙村浩芝村3个村庄,部分房屋、车辆受损,4名村民受轻伤。在该龙卷风袭击到来之前,江苏气象领先了46分钟,发布气象预报。
2020年7月29日下午,黑龙江省绥化市庆安县出现“龙吸水”奇观,巨大的云柱不停旋转。
2020年8月5日上午,云南大理洱海惊现“龙吸水”现象,一条巨大的水柱连通云层与洱海,场面震撼。
2020年8月9日下午15点30分左右,内蒙古达茂旗希拉穆仁镇呼和点素嘎查遭受龙卷风袭击。据初步统计,内蒙古龙卷风造成5户牧民受灾,天鹅湖旅游接待点受灾较为严重。33人不同程度受伤,100余顶蒙古包倾倒或受损。
2022年7月10日,黑龙江牡丹江现龙吸水奇景。
2023年6月1日13时左右,辽宁省阜新市发生龙卷风。
2024年10月,青海湖南部湖面惊现“龙吸水”景象。
美国
当地时间2021年12月10日,美国多州遭遇龙卷风袭击。受灾严重的肯塔基州已有至少70人遇难,死亡人数恐将升至100。美国总统拜登表示,这或是美国史上最大的龙卷风之一。
中国国家国际发展合作署新闻发言人徐伟12月13日向记者表示,我们注意到近日美国多个州遭遇严重龙卷风袭击造成重大人员伤亡和财产损失,对此表示深切慰问,并愿根据美方需要向受灾民众提供紧急人道主义帮助。
预报
龙卷风的检测和预报存在3类难点:
避险与自救措施
世界纪录
24小时内发生最多的龙卷风:在2011年美国南部持续4天的风暴大爆发期间,世界气象组织在4月27—28 日的24小时内记录了207个不同的龙卷风。这场龙卷风造成300多人死亡,总损失为110亿美元。(吉尼斯世界纪录)
由飓风引发最多龙卷风:纪录是119次,这一纪录是2004年9月15日至17日由飓风“伊万”在加勒比海创下的。(吉尼斯世界纪录)
最大的龙卷风:直径为4.18千米,这是在2013年5月31日由美国国家气象局在俄克拉荷马州的埃尔里诺使用多普勒雷达测量到的。(吉尼斯世界纪录)
第一个得到确认的火焰龙卷风:据雷达数据和视频资料证实,2003年1月18日,布林达贝拉国家公园的麦金特斯小屋附近发生了一场火焰龙卷风。它的移动速度约为30千米/小时,火烧最旺时,火焰龙卷风底部宽约0.5千米。这次火焰龙卷风的威力足以移动汽车,掀翻屋顶。(吉尼斯世界纪录)
伤亡情况
2022年7月20日11时40分左右,连云港市灌云县小伊等镇村受局部突发龙卷风影响,房屋受损村民569户。据初步统计,受伤人员21人,已全部送医院救治,其中,1人经抢救无效死亡,1人重伤正在抢救。
2023年6月15日,美国得克萨斯州北部佩里顿镇遭遇强龙卷风,目前已造成三人死亡,估计上百人受伤。
2024年7月5日14时30分左右,据山东菏泽东明县应急管理局通报,受强对流天气影响,东明县城关街道、菜园集镇、沙窝镇出现龙卷风极端天气。灾情发生后,东明县委、县政府迅速启动应急响应,第一时间成立由公安、应急、卫健、消防、民政等部门组成的应急指挥部,全力开展救援。目前,抢险救援、善后处置、现场清理等工作正在进行中。此次灾害造成1人死亡,79人不同程度受伤,受伤群众已及时送医救治。
发现历史
2024年10月9日,青海共和县。青海湖黑马河景区暴雨前现“龙吸水”景象。
参考资料
Glossary of meteorology - tornado.American Meteorological Society, AMS.2013-10-08
Whirlwind - Encyclopaedia Britannica.Encyclopaedia Britannica.2011-12-16
最新修订时间:2024-10-15 16:30
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