浅谈龙卷风的观测

冉国禄

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.245

摘 要：龙卷风简称龙卷，是一种破坏力很强的小尺度风暴。它的袭击突然而猛烈，产生的风是地面最强的。它是从积雨云中伸展出来的漏斗状的猛烈旋转的云柱。出现时，从积雨云云底伸出一个如同“象鼻子”一样的云柱，有时悬于空中，有时伸达地面或水面，强的龙卷风有极强的破坏力。它的出现和分散是十分突然的，要准确的对它预测是比较困难的。

关键词：龙卷 天气条件 观测 预报

中图分类号：P445 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（a）-0245-02

龙卷风的探测和预警在我国尚处于起步阶段，设备技术复杂，投资成本高，探测龙卷风的主要手段有：常规气象观测、风廓线雷达、多普勒天气雷达、数值预报模式等，每种设备都有自己的优点，也存在很大的局限性，目前都处于起步和探索阶段，我们还不能对它做出准确预警。

1 龙卷风的一般特征

龙卷风是出现在强大积雨云下部的小范围的很强的旋风。龙卷风中的空气快速旋转，空气因受惯性离心力的作用而大量外流，造成中心的气压极低。从远处看好像积雨云下部伸出的象鼻状云，由于龙卷中心气压极低，气流被从四面八方吸入龙卷风涡旋的底部。形成绕轴心向上的涡流，这样龙卷中的风总是具有旋转性的，而且具有很强吸允力，通常把出现在陆地上的称为陆龙卷，出现在水面的称为水龙卷，陆龙卷能够把地面轻质物体吸到空中，水龙卷能够吸起高大的水柱。

龙卷风的水平尺度很小，在地面上，根据龙卷的经过的路径观察，它的直径通常<1 000 m，一般在几米到几百米之间。根据雷达资料判断，在高度2～3 km处，多数龙卷直径1 km，再往上，直径可达3～4 km，最大可达10 km，龙卷的垂直伸展范围差别很大，有的超过10 km，可达15 km，有的仅3～5 km；有的只存在于积雨云中部，从云顶和云下都看不到它。

龙卷风的内部是下降气流，并向外流出，外部是上升气流，并向内流入，下降气流和上升气流都很强。上升气流最大值（可达60 m/s）大致出现在距地面50 m高度上。由于中心附近空气外流，上空又有强烈的辐射，因此龙卷中心气压值非常低，可低至400百帕以下，甚至达到200 。因为中心气压低，再加上龙卷的水平尺度又很小，所以其内部水平气压梯度特别大。因此，龙卷中的风速极大，一般可达几十米/秒，最大可达100 m/s以上，往往在地面上造成摧毁性的破坏。

龙卷的持续时间一般为几分钟到几十分钟。龙卷的移动路径多为直线，移动速度多数为15 m/s。极强时也可达到70 m/s以上。从龙卷出现到消散一般要经过5～10 000 m的路径，有时也能达到几十千米以上。

龙卷内部的云、雨、风等分布情况与热带气旋很相似。恰似缩小了许多倍的热带气旋，并有类似台风眼的结构。龙卷中的水平气流有强烈的旋转性，其旋转的方向一般是气旋式的，也有反气旋式的。龙卷成对出现时，往往一个是气旋式的，另一个是反气旋式的。

2 龙卷风的形成

龙卷风是在雷暴云中产生的。雷暴中蕴含着巨大的能量，其中的一种释放形式就是一小部分在很小的区域内集中释放形成的龙卷风。但多数积雨云中没有龙卷产生。只有那些发展特别强烈的雷暴云，才有可能形成龙卷。龙卷形成条件与雷暴类似，但是所要求的层结不稳定度更强。形成龙卷时，大气低层（700百帕以下）要具有很大的对流不稳定；从温度条件看，龙卷总是出现在较强的干、湿气流交汇地区。龙卷风多发生在中纬度地区。出现最多的国家是美国；澳大利亚次之。在我国，多发生在华南、华东一带，水龙卷多出现在南海和台湾海峡一带，出现时间一般在春季和初夏，时间大多在14点至20点。

据雷达探测，产生龙卷的积雨云一般强度较大，高度较高（回波顶高在10 km以上），中心密实。但龙卷不是出现在强对流云的正下方，而是出现在它的边缘，比较多的是出现在母云前进的方向的右前侧和右后侧，其他部位则少见。从回波结构看，较多见的龙卷回波主要有钩状、“V”状和弧状。从流场来看，处于雷暴云边缘上的流场多为气旋式的旋转流场。这种气旋式的旋转流场称为龙卷气旋。龙卷气旋气流的强烈幅合使环流集中在一个细空气柱中，形成强烈旋转的上升气流，并进一步发展成龙卷。

龙卷风的形成目前仍没有权威的定论，多数偏向于以下三种说法：

（1）当积雨云伸进对流层的强风区时，上升气流柱便成为水平气流的障碍，水平气流扰流上升气流柱时，涡旋便在上升气流柱背风的一侧形成。而在风随高度顺转的环境里，上升气流下风方右侧的气旋式涡旋最有利于龙卷的发展。

（2）有a1和b1两条飑线向前传播，交点分别是L、M、N，连线是飑线交點的轨迹线。轨迹线两侧，风向风速都有很大的差异，于是形成绕垂直轴旋转的涡旋。涡旋得到发展，就会形成龙卷。

（3）当积雨云中升降气流之间的切变十分强时，就会发生水平轴的涡旋。当流体内形成涡旋时，它的轴不能在流体内部自由地中断，而只能终止于流体的边界或在流体内部形成闭合的涡环。因此，积雨云中形成水平轴涡旋时，这个轴应当向两端伸展并发生弯曲。当轴的一端或两端伸出云底甚至达到地面的时候，就形成了龙卷。

3 龙卷风的探测

龙卷风的探测目前仍是一个难题，主要原因是龙卷风影响的面积小，发生至消散的时间也很短，这就要求探测龙卷风的仪器要有足够的灵敏度，现有的仪器也只能对它进行部分的探测，实际探测中常常要通过目测结合仪器的方法进行探测，目前龙卷风的探测主要通过以下几种手段。

3.1 多普勒雷达

我们在地面观测只能固定在一个地点，在这一个地点要观测到龙卷风概率太小了，而多普勒雷达可以覆盖周围几百公里的范围，在覆盖范围内一旦有龙卷风出现，由于龙卷风极强的破坏力和特殊性，雷达的信号就会受到影响，通过分析雷达的频移数据，就可以估算出龙卷风移动的方向和速度。多普勒雷达可以测量远离或靠近雷达的风向风速，龙卷风都是旋转的，所以它的风也是环形的，远离和靠近的风贴在一起时就可能是龙卷风出现了。龙卷风多出现在雷达图钩状回波所在的部位。目前看多普勒雷达是探测龙卷风最有效的方法。但由于龙卷风是一种低空现象，雷达的有效探测范围也就几十公里，目前雷达的密度远远达不到探测的要求。

3.2 常规气象观测

龙卷风多出现在积雨云出现时，它是积雨云下部伸出的象鼻状云，象鼻状云一般是垂直的，由于空中风比地面大，它的上部会顺气流方向倾斜，我们可根据倾斜方向，判断龙卷移动方向，从而做出一定的预判，龙卷生成时一些常规的气象观测要素也会发生很大的变化，这些变化常常体现在：气压降低明显，大气层结很不稳定，对流云发展旺盛，云的底部有明显的扰动等等，龙卷风经过测站时，本站气压有很清晰的漏斗状轨迹，风向变换明显，有时还有冰雹、雷雨的天气现象出现。

3.3 气象卫星

气象卫星是探测龙卷风的方法之一，利用同步卫星对云层进行拍摄，根据拍摄的云层图片监测龙卷风发生发展，它的特点是能看到很小的目标，一天24小时都能观测，能连续系统的观察，如果再结合其他方法就有可能在龙卷风发生前进行测报。

3.4 风廓线雷达

风廓线雷达主要测量的是以风场为主的各种数据，通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束，因大气垂直结构不均匀而返回的信息不同对风场进行探测，它能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况。它的优点是：自动化程度高、分辨率高等。通过分析测风资料中风的演变发现近地面龙卷风的踪迹。

3.5 数值天气预报

数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过复杂的计算，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。在实际预报工作中，中小尺度的数值预报可对龙卷风过程进行数值模拟测报。

4 结语

各种媒体对龙卷风造成灾害的描述，使人们对龙卷风的关注度逐年提高，它强大威力和破坏力使我们震惊，随着科技的进步，我们的观测手段和方法也在逐步加强，龙卷风的测报也取得了一些进展。我们还应更加努力，勤观察，多测量，做到尽量提前预警，减少龙卷风给我们带来的自然灾害。

参考文献

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