《大自然寻真》第24章：对各种重要气象问题的本质解释-4

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《大自然寻真》

第24章  对各种重要气象问题的本质解释-4

（第24章共分为10部分上传）

（第25～29章的哲学内容已在论坛第二区中的哲学版块上传，请前往阅读和评论）

24.7  龙卷风

       彩图24.7.0就是令人畏惧又不解的奇妙大气现象龙卷风。一般的龙卷风不是简单用热极生风就能解释得通的。

   24.7.1  一个龙卷风特例

       我们下面马上要详细分析一个特例，就可以知道该例龙卷风其实也是高空急流产生波动之后，大气释放不稳定能量的一种小型而激烈的冷空气活动过程。2000年7月13日下午3时，特大龙卷风袭击了江苏北部，造成近1000人受伤，20余人死亡，约4000户房屋倒塌，数十万亩农作物受损，通信、交通一度中断等灾害。从彩图24.7.1-1可见，在7月12日20时（北京时，下同）的北半球200百帕的高度形势图上（可理解为占整个大气层质量约4/5的那个高度附近的高空气压形势），东亚区有低压槽南伸到了中国境内上空，而且槽的南北因东移的速度不同步已经相互错开（棕色曲线标示出了槽的位置已经画成了不能相连的两段）。彩图24.7.1-2的700百帕中空高度和温度形势图，更显示出了低压槽的南段已经被完全切断，并摆放成了基本不再东移的横槽形式，配合了中空的一串低压环流，同时还将大量冷空气封锁在蓝色线框区域内，高空急流也被切出一段，遗留在较低纬度的副热带高压边缘（见绿色斜线区）。这种冷性质的低压和急流来到这么低的纬度并不相适应，是大气不稳定的祸根。因为北半球的向南气流与下沉相联系，所以早在7月12日前，跟在低压槽后部向着东南方向流动的高空冷空气，就已经像24.4所述的那样下沉而堆积到地面上。比较一下彩图24.7.1-3和彩图24.7.1-4就知道7月12日20时在陕西、四川一带的地面层已经堆积成了一个小型高压环流，并且红色方框内的三个站点在48小时内分别降温-7、-9、-5℃，这就是高空急流早已在释放不稳定能量的表现。从彩图24.7.1-3还可见到7月10日有台风在黄海活动，这可能就是吸引着东亚大槽迅速东移而遗留下了急流尾巴的主要原因。被遗弃在较低纬度的那一小段高空冷性急流的周围多是暖性气团（见彩图24.7.1-2），很不相适应，所以不断产生着扰动。更具体一点说，彩图24.7.1-2中蓝色线框区域附近的环流形势，可以简单表示为彩图24.7.1-5。扰动就产生在急流主轴的左侧，逆时针方向旋转，正是它们逐渐演变成了龙卷风。在急流主轴的右侧偶尔也会生成顺时针方向旋转的扰动，但因与科里奥利力的方向相反，一般都无法伸到地面。

       看一看彩图24.7.1-6就知道龙卷风过后的7月13日20时，以黄海为中心形成了一大片明显的降温区。为什么会这样呢？其实，大气要保持稳定，就必须上下层温度配合得合理。被断开的冷性高空急流尾巴突然来到纬度太低的地方之后，温度必然比周围偏低而使比重太大，所以必须下沉才能找到稳定的位置。急流本来就隐藏了大量不稳定的流体软弹力势能，时刻都在设法产生扰动将能量还原给地球自转。既然有了温度的因素协助自己下沉，那些被遗弃的冷空气就会更加主动加强了扰动促使自己下沉。然而，已经处在低槽或低压附近的冷空气又再下沉，就使气压更低，必然令周围的暖空气迅速辐合过来补充。但是，科里奥利力并不允许辐合流来补充的暖空气直接流向低压中心，而是只能主要绕着中心打转并上升（冷降暖升），这就使急流边缘已经形成的扰动旋涡迅速加强了起来，并形成了圆筒形的暖空气旋转上升的“围墙”。中间冷和四周暖，就更有利于旋涡的不断加强，使龙尾越摆越低。龙尾越低，又把较低层的周围暖湿空气也吸了过来再上升。潮湿暖空气急速上升的结果，一方面是成云结雨使流场显露出彩图24.7.0的肉眼可视图像，另方面释放出大量凝结潜热，结果就更加促使着周围空气上升。正是这种反复加强的效应，才使高空急流从边缘所伸展下来的旋涡一直伸到地面，成为破坏性的龙卷风。

       发展成熟的龙卷风中心的极低气压猛吸着周围的潮湿暖空气流了过来，却只允许它们在周围急速旋转并上升，这就把地面各种物件都抛上空中，而且这是有目共睹、家喻户晓的，所以人们便以为龙卷风就只是一种上升流场。实际上，整个龙卷风环流中更主要的还是中心的下沉气流，这才是龙卷风的先决和根本的动力来源，但对此不仅无法看见，也不好观测。这其中的道理只有靠动脑筋认真的思考分析才能明白。由于圆筒形的暖空气旋转上升的“围墙”把辐合过来的空气挡在外围，就使中心成为无水平气流阻挡的静态低压区，这正是急流释放不稳定能量、迅速进行地气之间的动能交换传递所非常需要的。应用自然辩证的哲学理念看，这就是系统的自组织功能发挥了作用的生动例子。也就是说，龙卷风上空的过冷不稳定空气可以直接从“漏斗”自上而下垂直往下倾倒，根本不受任何阻力。这就好像有一个水下涵洞正在猛流出水的沟渠的水面上，出现了一个急速旋转向下的垂直“漏斗”那样，水面上是水朝向漏斗水平汇集过去，到了漏斗附近便是立即垂直倒进了水底涵洞。从彩图24.7.1-6便可清楚见到，只维持了几个小时的龙卷风却能造成那么大范围的明显降温，这真是多么超能的天力空调机啊！

       显然，高空急流波动引导冷空气缓慢堆积到地面，并从地面散开形成相对缓慢移动的寒潮或冷空气过程，是急流一种大规模释放不稳定能量的形式；龙卷风则是急流释放不稳定能量的另一种小型而激烈的短平快形式，或者叫做中小尺度天气过程。本小节的分析又可对24.5做了补充论述，从本质上进一步揭示了在7月份的大夏天里，同样有冷空气活动的另一种新认识。

       从本小节的分析还可以完全揭开中国北方沙尘暴的本质。沙尘暴实际上就是发生在沙漠或干旱松土地域的龙卷风，或类似龙卷风结构的强大旋涡所造成的。南方日报2010年4月27日A04版“特大沙尘风雪再袭西北”这样描述说：“24日，一场被称为‘黑风’的沙尘暴突袭西北。从新疆、内蒙古自治区等地‘黑风’直插河西走廊，沿途掩埋水井，扯断电缆，将塑料大棚撕成粉碎，只留下泥泞的城市和破败的农田。沙尘暴袭扰后，沿途气温急剧降低，部分地区普降大雪，积雪深达7～10厘米”，可见这是一次比较强的沙尘暴过程。然而，能撕碎塑料布的上扯性大风、卷起泥土、急剧降温……，这些特征都与本小节所述的龙卷风例子完全一致。观察当时的高空气压形势，就可发现西风急流在新疆附近有波动南摆，并逐渐加深且迅速东移。正是这个移动性的强低压槽，既产生又带动着一个强大的类似龙卷风流场的旋涡，在两三天内横扫过了新疆、内蒙、甘肃、陕西、山西、河北等多个省份。不过，这种沙尘暴旋涡除了环流特征与一般龙卷风相似之外，由于它陪伴在高空低压槽旁边形影不离地一起东移，不断从急流得到了能量补充，从西到东一路经过的地域又相对比较平坦，所以维持时间就比一般的龙卷风长得多了。

   24.7.2  龙卷风的形成条件

    这样说来，龙卷风都是一些冷空气过程吗？ 那倒不一定了。笔者认为形成龙卷风要具备三个基本条件：一是启动因素，二是充足的能量供给，三是能量损耗慢。这就是有了启动因素之后，还要增收、节支，才容易形成龙卷风。具备了这三个条件，没有冷空气也可以形成龙卷风。火山爆发或者大火灾就可能产生龙卷风。因此，热极生风也还是龙卷风的一种形成原因。分析起来，火山爆发或大火灾直接加热了竖直的空气柱而降低了局部区域的气压，促使了周围空气辐合流来补充便形成了旋涡，所以具备了第一个条件。火山和大火灾的能量供给肯定在一定时间内持续不断，因此第二个条件也满足了。如果火山或大灾火的附近比较平坦，自下而上所形成的龙卷风不会因下垫面的过度碰撞而迅速损耗能量，则第三个条件又满足了，这就必然会形成火龙卷风。西沙群岛也经常有龙卷风，那也是热极生风。大海中的局部陆地表面会吸收大量太阳热能，然后又很快反辐射给了空气，所以午后的西沙群岛头顶上的空气柱会比其四周的海洋相对高温得多，这就像火山一样满足了第一和第二个条件。四周的海洋既平坦又水汽充足，这既满足第三个条件又补充了第二个条件。因为水汽上升凝结释放出大量潜热不断加强了上升对流，这就是充足的能量补充。西沙群岛的龙卷风正是热极生风所形成的典型例子。然而，与冷空气联系在一起的高空急流不稳定能量的释放，肯定是龙卷风形成的主要形式，而且最强的龙卷风都会是这种形式。

   24.7.3  龙卷风与台风的差异

       龙卷风为什么那么短命，台风却维持那么长时间呢？有两个原因使得龙卷风和台风的寿命产生了差异，一是下垫面不同，二是冷热性质不同。人们见到的多数龙卷风是陆地龙卷风，陆地比海洋粗糙得多，哪怕在平原地区也是建筑物和树木繁多，它们对于风力的阻挡作用与海洋相比大不相同。台风登陆之后，也一样是很快就减弱掉了。更重要的是两者的冷热性质不同。以冷空气活动为主要形式的龙卷风，当大量冷空气沿着大“漏斗”倾倒下来又向地面层散开了出去之后，从四周吸回来的空气就逐渐参杂进了循环回来的，既冷又缺乏水汽的冷空气，这就很快地失去了四周暖空气的热力来源和上升水汽的凝结潜热供给，从而使旋转失去动力补充而令漏斗容易遭受周围空气的填塞。台风的成因主要是热极生风的性质，又在海上活动，情况就大不一样了。

       从上述也可以看出冷热不同形式的龙卷风在流场上有所差异。冷性龙卷风的中心轴附近是冷空气猛烈往下倾倒的下沉漏斗。成熟以后的暖性龙卷风的中心轴附近，虽然也应该是个低压下沉漏斗，但它下沉的应该是四周上升后廻流过来的暖空气。冷性龙卷风的漏斗顶上是冷低压环流或低压槽区，而暖性龙卷风的漏斗顶上却对应着四周上升后堆积而成的暖高压区，漏斗的四周远处对应着下沉区。台风的流场结构就是这种暖性旋涡结构。

   24.7.4  美国多龙卷风的原因

       回顾24.7.2中的三个条件，美国主要地处北纬三、四十度，正是高空西风急流波动南缘，容易被急流主轴遗弃一些急流尾巴和切断低压留下来在这里。大气的这些不稳定因素进行自我调整，就很容易像24.7.1那样产生了龙卷风。我国的华东、华南也处在这个纬度，龙卷风也比较多。更重要的是，美国的西部是高山峻岭，有力地阻挡着西风急流使其产生了向南波动（气流下了山坡会产生气旋性弯曲），这才真正一下子成就了第一和第二个条件。这就是说，越过高山的西风急流形成扰动是启动因素，急流不稳定能量的释放趋势和向南移动的高空过冷空气沉降力，以及最后促成周围暖空气上升释放了凝结潜热等，都供给下沉旋涡能量。我国的青藏高原也起到了类似的作用，所以才与美国异地同型。美国的东部是广阔的平原，龙卷风形成后比较可以横行无阻，这又充分满足了第三个条件，因此美国的龙卷风是注定要比谁都多和强的啦！连牛都可以飞上天去哩！中国东部也有平原，所以也满足了第三个条件，于是华东、华南才比较多龙卷风。但是，中国平原的范围大小和平坦程度无法与美国相比，这就决定了中国的龙卷风决不可能去与美国的龙卷风争多和争强了。

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