龙卷风-北京科技大学
龙卷风
1983年5月墨西哥湾出现的海龙卷群，在海上肆虐一番后，夹带着狂风暴雨，直袭美国南部的得克萨斯州和路易斯安那州，登陆后威力不减，吹毁宅、厂房、汽车和树木，造成两州伤亡100多人，接着又袭击邻近几个州，从美国南部到东北部，持续4天多，狂风大作的同时，还下起滂沱大雨，洪水泛滥，其造成的灾害不亚于飓风，
什么是龙卷风
龙卷风是雷雨云底部的高速旋转的空气涡旋：空气绕龙卷的轴快速旋转，受龙卷中心气压极度减小的吸引，近地面几十米厚的一薄层空气内，气流被从四面八方吸入涡旋的底部，并随即变为绕轴心向上的涡流。龙卷中的风总是气旋性的，其中心的气压可以比周围气压低百分之十。
龙卷风发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷”；出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷”。海龙卷的直径一般比陆龙卷略小，其强度较大，维持时间较长，在海上往往是集群出现。
龙卷风的形成
龙卷风是强烈的旋风，常出现在暴雷雨期间。世界上很多地方可以见到，北美洲的自然条件特别有利于龙卷风的形成。其地理分布是与春夏天的暴雷雨渐次向北移动紧密相连系的。亚热带地区的雷暴雨常常发生在热湿的下午。其中一些最为猛烈的雷暴、冰雹和豪雨，来势简直惊天动地，因此也就形成了龙卷风。通常龙卷风的预兆是先见旋风从地上卷起，泥沙向上升，同时云层下面降下的漏斗状的云。这漏斗状云越旋越快，越旋越大，并向下接触到地面，卷起大量的灰尘、泥沙、瓦砾碎石等。具体的说，龙卷风就是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。
它的上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。在雷雨云里，空气扰动十分厉害，上下温差悬殊。在地面，气温是摄氏二十几度，越往高空，温度越低。在积雨云顶部八千多米的高空，温度低到摄氏零下三十几度。大气的不稳定性产生强烈的上升气流，这样，上面冷的气流急速下降，下面热的空气猛烈上升。上升气流到达高空时，如果遇到很大的水平方向的风，就会迫使上升气流“倒挂”(向下旋转运动)。由于上层空气交替扰动，产生旋转作用，形成许多小涡旋。这些小涡旋逐渐扩大，当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。
龙卷风的原理
1形成原理
在空气的对流剧烈的情况下，地面附近的热空气上升，高空
冷空气下降，形成绕水平轴旋转的空气旋转柱。
运动气旋在绕轴旋转的地球上运动，是在一非惯性系 中运动，在对它进行分析时，引入一惯性力――科里奥 利力：Ｆ＝２m v ×w ，该力的方向由右手螺旋定理加以
判断，如右图示。
W ――为参考系地球自转的角速度矢量，在北半球其
方向为竖直向上；Ｖ――质点相对于转动参考系的速度。 （1） 纵向剖析图。当整个水平气旋绕如图a 所示的方
向旋转时，对气旋上的Ａ点进行分析，该点的w ，v 方向入 图a 示，则由右手螺旋定理可以判断出Ｆ的方向为垂直纸面
向里。同理可知Ｂ点受力方向为垂直纸面向外。由于力矩的作用，整个水平气旋
的左端将伸出云体，向下旋转运动，形成绕竖直轴旋转的“左龙卷”。从上向下
俯视，“左龙卷”的旋转方向为逆时针方向。
（2）取纵向剖析图。当整个气旋绕如图b 所示的方向旋转时，同理可得该
情况下，整个水平空气柱的左端将伸出云体，形成“右龙卷”。从上向下俯视，
“右龙卷”的旋转方向为逆时针方向。
2形态分析
如图所示，对n 点，风速的初始方向V 向正南方向， 磁场方向垂直纸面向外，由右手螺旋定理可以判断，n
点所受的科里奥里力的方向为正东方向。同理可判断
气旋上各点的受力方向，从而可知气旋周围的方向如图中所示，俯视为逆时针方向。 因此，由水平空气柱形成绕垂直轴旋转的龙卷风
以后，在龙卷的中心形成一个低气压区，在那里，气
压非常小，甚至可以达到真空。于是，在龙卷内外形
成很大的气压差。对整个柱状龙卷，龙卷风的上方挂
在雷云内，由于，在靠近雷云端的高空，空气稀薄，
压强很小，而在靠近地面的地方，空气密度大，压强
大。随着高度的增大，龙卷风外压强逐渐减小，龙卷
风的内外压强差也逐渐减小。于是，在越靠近地面的
地方，龙卷风所受的内外气压差产生的压力越大，它的半径就越小，反之，在越
接近雷云端处，所受的压力越小，它的半径就越大。由此，我们在自然界里所见
的龙卷通常成下小上大的锥形旋涡。
3移动原理
龙卷风的上端通常都挂在雷云中，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地
面或水面，随着积雨云的运动，以及受风速，大气压力的影响，龙卷风一边旋转，
一边向前移动。
海龙卷
从其产生的原因谈起，产生海龙卷的条件是：首先是空气必须具有高温、高
湿。我们知道，温度高低反映其热能的大小，空气湿度大，一旦发生凝结现象，
大量的潜热就释放出来，变成动能、位能；第二要有旺盛的积雨云。积雨云是强
V W V V F F a b Ａ Ｂ F 北
东
西
低压中心 V ⊙ w n
对流的产物，在强对流运动中易形成涡环；第三是上升气流和下沉气流间的切变要大，也就是说两者气流方向相反，各自的速度要大，才能形成强切变。我国南海很具备产生海龙卷的条件，特别是西沙群岛，在夏秋季海龙卷经常出现。据不完全统计，全球每年发生的海龙卷近千个。
从海龙卷群发生成长的过程，可以把其分成多个成长阶段。在海龙卷群中最成熟的要推“母龙卷气旋”，依次是龙卷气旋族、龙卷气旋、龙卷涡旋、龙卷漏斗、吸管涡旋，构成一个完整的家族。其相互关系是：母龙卷气旋是由多个龙卷气旋组成的，它的作用范围在10-20公里，其威力属海龙卷之首；龙卷气旋是由各个龙卷涡旋组成，作用尺度在3-10公里；龙卷涡旋也称小龙卷气旋，是由多个龙卷漏斗组成，作用在1-3公里范围内；龙卷漏斗也是通常所见的漏斗云，它的尺度约为300米，一根漏斗云里，有两个甚至三个以上吸管涡旋，所以也称母涡旋；吸管涡旋是海龙卷群中最年轻的，它的尺度一般不超过30米，但其破坏力却是最大的，有时比台风威力还大，主要是它那涡旋轴范围小气压梯度特别大，压力差可达20百帕以上，为台风内部平均气压差的几百倍甚至上千倍，因此其内部风速极大，多在每秒100米以上，要比台风大几倍，所经之处常能造成极严重的灾害，海龙卷能把海上船只和海水吸入空中。更有趣的是1949年南半球的夏天，新西兰下了一场“鱼雨”，鱼从天而降，这就是海龙卷的作用。
海龙卷的移动路径一般为直线，移动速度平均每小时50公里左右；海龙卷一般是垂直向下的，但有时因上空风比地面风大，它的上部会顺气流方向倾斜，一般就可以根据其倾斜方向判断出移动路径，采取措施避开，可免遭其害。值得注意的是当出现厄尔尼诺现象时，海龙卷发生的次数就会增多。据此有人推论，在海上出现的几个著名危险三角区，有可能是海龙卷作祟的结果。
龙卷风的现象及危害
龙卷风出现时，往往不只一个。有时从同一块积雨云中可以出现两个，甚至两个以上的“象鼻”--漏斗云柱。龙卷风的范围小，直径平均为200-300米；直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米，最快的可达70米；移动路径的长度大多在10公里左右，短的只有几十米，长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度，一般只有l-2公里。
龙卷风所到之处，吼声如雷，强的犹如飞机机群在低空掠过。这可能是由于涡旋的某些部分风速超过声速，因而产生小振幅的冲击波。一般情况下，风速可能在每秒50-150米，极端情况下，甚至达到每秒300米或超过声速。超声速的风能，可产生无穷的威力。1896年，美国圣路易斯的龙卷风夹带的松木棍竟把一厘米厚的钢板击穿。不过，龙卷风中心的风速很小，甚至无风。
尤其可怕的是龙卷内部的低气压。这种低气压可以低到400毫巴，甚至200毫巴，而一个标准大气压是1013毫巴。在龙卷风扫过的地方，犹如一个特殊的吸泵一样，往往把它所触及的水和沙尘、树木等吸卷而起，形成高大的柱体，这就是过去人们所说的“龙倒挂”或“龙吸水”。当龙卷风扫过建筑物顶部或车辆时，造成建筑物或车辆内外强烈的气压差，倾刻间就会使建筑物或交通车辆发生“爆炸”。
据统计，每个陆地国家都出现过龙卷风，其中美国是发生龙卷风最多的国家。加拿大、墨西哥、英国、意大利、澳大利亚、新西兰、日本和印度等国，发生龙
卷风的机会也很多。我国龙卷风主要发生在华南和华东地区，它还经常出现在南海的西沙群岛上。由于龙卷风的发生与强烈雷暴的出现密切相关，所以龙卷风一般在暖季出现。但在没有雷暴的寒冷季节里，只要具备强烈对流的条件，也是可以出现龙卷风的。
龙卷风的探测
龙卷风的袭击突然而猛烈，产生的风是地面最强的。由于它的出现和分散都十分突然，所以很难对它进行有效的观测。没有人真正知道龙卷风的风速究竟有多大，因为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。由于各种龙卷风的范围很小，寿命很短促，这给科学研究和预报带来了很大的困难。但是，龙卷风到来之前，只要留心观察，总会出现一些值得注意的天气现象和特征的。比如，龙卷生成前大气很不稳定，云系对流旺盛，气压明显降低，云的底部骚动特别厉害等等，这对于预报龙卷风有一定的帮助。
另外，气象雷达在发现和追踪龙卷风上起着很重要的作用，它可以测到300公里外的雷雨云，一旦在雷达中发现有龙卷风存在的钩状回波时，即可发出警报。但也有的龙卷风出现时，这种钩状回波不明显。因此，采用雷达和目视相配合的方法常常更可靠一些。当观察者发现龙卷风后，应立即报告气象部门，可用雷达跟踪，随后还有一定的时间对龙卷风路径上的居民和单位发布警报。
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。
气象卫星的出现给龙卷风预报增添了新的探测工具，尤其是用同步卫星拍摄的云层照片，在监视龙卷风的发生上起着更重大的作用。卫星昼夜都能观测，并且可以看到更小的目标。如果把卫星和雷达结合起来，就能连续观察龙卷风的变化，可在龙卷风发生前半小时发布警告。龙卷风生命史短，范围小，预报困难，只能靠天气雷达监测。龙卷风侵袭区最安全之处是混凝土建造的地下室。若途中遇龙卷风，应迅速找一个与龙卷风路径垂直的低洼地方（如水沟）隐身。
龙卷风的应用
虽然没有任何办法能够制服这一可怕的现象，但是旋风的表现方式已经引起启发科学家们考虑，如何人为地引起旋风和控制其力量，以便用来发电。
美国科学研究者已经制造了一个小型的实验性模型，把旋风转化为一种能源。人造旋风在一个无顶的圆柱塔（如下图）内形成。圆柱塔能把各个方向的风引进来。微风通过塔侧的汽门或者叶片进入塔内，然后绕弯弯曲曲的内壁盘旋上升，形成人造旋风。旋风盘旋到足够快时，会向上移动，并由塔顶冲出来。
像天然旋风那样，气柱中心的气压非常低，并且形成部分真空，使塔下面的空气冲进去充满这一真空，并沿着旋风的心线向上动，空气的这种动力，可用来转动塔底的涡轮机，转动发电机。
虽然仍有许多问题需要解决，但是如果成功的话，将来一定会解决世界日益增长的能源需要。
中国科技馆的龙卷风演示即是人造的龙卷风的观测。
参考文献：
《力学》赵凯华等主编
《大学物理学—力学》第一册张三惠等主编
《地球浩劫》刘罗娜主编
《涡动力学引论》吴介之马辉扬周明德等编