鸟儿预测龙卷风

李忠东

事先感知次声

2014年4月27日，席卷塔斯卡卢萨市的龙卷风可能是亚拉巴马州历史上最具有破坏力的一次，至少有15人丧生。另据报道，密西西比州和阿肯色州各有11人遇难，佐治亚、田纳西和路易斯安那等州也接到伤亡报告。

碰巧的是，加利福尼大学人口生态学家亨利·施特赖拜领导的团队当时正在田纳西州，对一种名叫金翅虫森莺的鸟儿进行研究。这种鸟不大，只有大约两枚硬币重。它们在中南美洲过冬，然后迁徙到五大湖区和阿帕拉契山地区繁殖，并在那里抚育幼鸟。为了更好了解金翅虫森莺的迁徙行为，研究团队前往五大湖区，给一些鸟儿安装质量0.5克的定位器，这种小巧轻便的仪器每隔几分钟就会记录下它们的精确位置。

在20只装有定位器的金翅虫森莺中，研究人员只收到5只发回来的数据。于是他们跟着鸟儿的飞行路径前往田纳西州东部的昆布兰山脉，抵达时发现他们追踪的目标不见踪影，整个山区一片寂静。当科学家通过定位器检查金翅虫森莺的位置时，才知道这些鸟儿逃离田纳西，飞到了佛罗里达州，其中一只甚至跑到了古巴。然而风暴过后，它们又重新飞了回来。明尼苏达大学的人口生态学家冈纳·克雷默是研究团队的成员之一，他惊讶地说：“我们原以为金翅虫森莺只是躲起来了，从来没想过它们会撤离。为了躲避风暴，它们在短短5天之内飞了1500多千米。”

科研人员对当时的气象资料进行了分析，以便弄清楚是什么神秘的原因使金翅虫森莺打破迁徙模式的时间而展翅离开。原来当时正好有一个又大又猛的雷暴系统正穿越美国大平原区，距离田纳西州40～900千米远。他们认为这些鸟儿之所以在雷暴抵达前几天进行疏散迁移，是因为它们听到了风暴造成的次声，能够察觉出异状。虽然飞行1500千米很耗体力，但这是金翅虫森莺躲开破坏性风暴保全性命的唯一方法。巨大的龙卷风发出的次声人耳听不到，但鸟类却可以。因此，科学家将鸟类的这种能力与早早逃走的行为联系了起来，是敏锐的听觉预警了大自然即将到来的灾难。

次声也是一种声音，传播速度、传播过程中的透射、反射以及吸收衰减规律等在本质上与可听声或超声没有什么区别。然而由于次声的频率很低，波长很长，因此就具有一些不同于可听声或超声的特性。与可听声相比，次声主要有两点：一是人耳感受不到，次声的频率很低，超出了人耳的听觉阈值，所以不能引起人的听觉；二是不易衰减，在相同的传播路径上，介质吸收声波能量，进而使其衰减的多少与声波的频率正相关，即频率低则衰减小，所以次声比一般声波的衰减要小得多。

美国地质调查局（USGS）虽然没有参加这项在田纳西对金翅虫森莺的研究，但最先将次声和鸟类联系起来。2013年初，USGS乔纳森·哈格斯特朗姆博士的研究表明，鸽子创建了它们周围环境的“声觉地图”，利用次声导航。“鸽子使用一个罗盘和一张‘地图进行导航。罗盘通常是太阳的位置或者是地球的磁场，但是‘地图数十年来都是一个谜。”他解释道，“现在我们发现它们使用声音作为‘地图，声音会告诉它们家园位于哪个方向。”

当鸽子在不熟悉的地点放飞时，它们用听到的来自家园的次声波信号来确定方位，哈格斯特朗姆博士举的一个例子充分地说明这一点。从泽西山上放飞的鸽子，无论何时都会迷路而且毫无目标地乱飞，这种情况一次又一次地发生。究其原因，原来是大气的温度和风结构导致声音向上弯曲并且越过了这座山，因此使得鸽子无法听到声音而迷失了方向。但是在1969年8月13日，由于大气中发生乱流或者温度逆增导致声音传播发生了向下弯曲回到泽西山，因此鸽子就可以凭借听到的次声信号确定方位，飞回了自己的“鸽房”。就这样，信鸽迷失方向的疑团从次声的破坏得到了解释。

“这些研究结果呈现出鸟儿运用低频音的另一种方式，它们不仅用它导航，还能用它侦测并躲开剧烈天气。一切都说得通。”哈格斯特朗姆博士指出，“生物学家从未用这种方式看待过次声的使用方法，但它对我们而言很有作用。”

提供灾难预警

全世界75%的龙卷风发生在美国，每年多达1000～2000多个，有时一天之内便可发生几个甚至几十或上百个龙卷风。一般把一天发生6个以上龙卷风的情况称为龙卷风“暴发”或“大暴发”。历史上曾经多次出现一天发生上百个龙卷风的情况，如1974年4月3日一天产生了148个龙卷风。这种情况称为“龙卷风超级暴发”。 2011年4月25日至28日4天内也出现类似上述规模的龙卷风暴发，经确认的龙卷风多达330个。1925年3月18日，横扫密苏里州东南部、伊利诺伊州南部和印地安那州北部的“三州大龙卷风”导致695人死亡。

美国之所以容易出现龙卷风，与它的特殊地理、地形和气流等特点有关。美国大陆的西部有落基山脉，东部有阿巴拉契亚山脉，由于受大山脉的阻挡，来自南方墨西哥湾的暖湿气流就积聚在两个大山脉之间的中部大平原地区，低层非常潮湿，而其高层则有来自西部沙漠或半沙漠地区上空的干燥气流，这种上干下湿的大气很不稳定，只要有一定的抬升力就会暴发猛烈的对流运动，形成强大的对流云。龙卷风就是由这种强对流云产生的。抬升力可以有多种，常见的抬升力之一就是冷锋，也就是冷空气的前锋。由于落基山呈南北走向，北边的冷空气很容易侵入，所以受到冷锋的抬升，就容易产生强对流。

龙卷风是强对流的产物，发展强对流需要有强大的不稳定能量，这种不稳定能量是在一定的天气形势下积累起来的。当不稳定大气受到抬升后，不稳定能量就释放出来，形成强烈的对流运动，从而产生一系列的剧烈天气现象，具有极大破坏力。据美国国家强风暴实验室的专家们估计，它释放的能量大约为广岛原子弹能量的600倍。不过这只是就释放能量大小而言的，而两者的破坏方式并不完全相同，所以不能对它们的破坏力做简单比较。一般来说龙卷风的破坏力主要是机械性的，而原子弹的破坏力或危害性可能来自更多方面。

龙卷风从无到有，生成极快，往往只有十几分钟。要把这样范围很小、发展迅速、生命短暂的系统确切的发生地点和时间预报出来，看起来就像是“大海捞针”。以2014年5月20日发生在美国南部俄克拉何马城摩尔镇附近的强龙卷风为例，它是EF5级（最强级）的龙卷风，但它所经路径的宽度只有2千米，长度只有27千米，持续时间只有40分钟。像这样小尺度的天气系统只有依靠短期预报和临近预报方法才能将它们准确地预报出来。具体说，就是小的天气系统总是在较大的天气系统的背景下发生的，可以首先分析大系统的特征，然后逐级细致分析较小的和更小的系统特征，最后做出某个确定时间和确定地点的天气预报，这种预报思路叫做“预报漏斗”。龙卷风产生于更小的天气系统，预测时不仅需要整合这些小天气系统的精确数据，还要结合当地特殊的自然和地理等因素，在多变而庞杂的数据中寻求答案，难度之大可想而知。

科学家发现，对于鸟类来说，听觉是它们检测周围环境极为重要的手段。就像在了解周围环境时，人类靠的是视觉，而犬类则离不开嗅觉。“在此之前，从来没有鸟类能通过次声察觉到剧烈天气即将来袭而赶紧逃避的记录。”冈纳·克雷默感叹道，“我们真的被震撼了，对金翅虫森莺佩服得五体投地，原来鸟类的能力远比我们想象的强大。”虽然目前科学家还不知道如何利用鸟类的行为来帮助人类预测可怕的龙卷风，但是随着研究的不断深入，相信不久的将来会有所突破。