最新研究揭示龙卷风形成新机制：从地面到高空的协同作用
最新研究揭示龙卷风形成新机制：从地面到高空的协同作用
龙卷风是一种极具破坏力的天气现象，其形成机制一直备受气象学界关注。近期，Jannick Fischer等人发表了一篇重要论文，对超级单体龙卷风的生成过程进行了系统梳理，提出了四个关键阶段的理论框架。这一研究成果不仅深化了我们对龙卷风形成机制的理解，也为龙卷风的预报和防灾减灾提供了新的思路。
龙卷风形成的四个阶段
龙卷风的形成过程可以分为四个主要阶段：中气旋的生成、地面垂直涡度的建立、涡度的拉伸和组织化、角流区的建立。这一过程通常发生在超级单体雷暴中，其典型特征是云底低、旋转强烈。
龙卷风形成的四个阶段。视图来自超级单体的后侧（通常是西侧）。云面最低几公里处用灰色阴影表示，冷池用蓝色阴影表示，细黑色箭头表示气团运动轨迹，细灰色箭头表示低层中气旋，绿色箭头表示涡度方向和大小，垂直涡度相对较大的区域用红色阴影表示。粗蓝色箭头表示下沉气流，粗灰色箭头表示垂直加速度。
1. 中气旋的生成
中气旋，尤其是低层中气旋，在超级单体龙卷生成过程中扮演了重要角色。它使自由对流高度以下形成中性或负浮力环境，由于气压梯度作用使得这里可以存在持续的螺旋上升气流，这种条件在其他中尺度天气系统中是不具备的。
Streamwise voracity current（流向涡度输入，简称SVC）在低层中气旋形成中扮演重要作用。Leigh博士对2011年El Reno EF5的模拟清楚反应了SVC在龙卷形成过程中的作用。
2. 地面垂直涡度的建立
现有移动雷达探测数据表明，绝大部分超单龙卷首先在地面生成，在雷达上表现为近地面高度首先达到TVS最低标准，形成地面环流。这与传统观念中超级单体"降下龙卷"相背。
在龙卷生成前，通常在视觉上人们会首先观察到漏斗云，并认为其向下延伸接地形成了龙卷，这可能构成了一种超单龙卷的形成方式，但其占比应当不大。一块上升的气团在气压下降过程中会发生绝热膨胀，并在LCL高度处凝结，而中气旋下的上升气团因为离心力导致气压低值的存在进一步导致云底局部凝结高度降低形成漏斗云，当涡度更强时漏斗云可以向下延伸，并在一些情况下可以凝结着陆形成龙卷风。然而绝大部分情况下，地面垂直涡度会引导地面环流更早出现，当地面气压降低时使得近地面气团水汽凝结并逐步和中气旋局部下探的凝结漏斗云相连，这一过程符合目前绝大部分超单龙卷的视频观测资料，并且似乎这种形式生成的龙卷也更容易达到更高强度。
3. 涡度的拉伸和组织化
刚形成的垂直涡度是较弱且不均匀的，随着时间推移，当垂直涡度逐渐聚拢、对称化并具有组织性时，龙卷的生成变得更有可能，其可以表现为涡度图上多个地面垂直涡度的相对大值合并为一个极大值。第一步中低层中气旋的建立提供了上升气流，而这给地面垂直涡度通过拉伸作用进行加强和聚集制造了机会。实践中常常会将低层中气旋速度对紧缩视作重要的龙卷生成信号，其原因有可能是因为一个相对"紧"的中气旋速度对可以让地面垂直涡度更好更快的沿着上升气流柱完成聚拢增强过程，一些在极佳环境中没能降下强大龙卷的中气旋很有可能就是倒在这一步上。
4. 角流区的建立
理想状态中的低气压通常处于地转平衡状态，存在一个向外的离心力和向内的气压梯度力，而在龙卷风近地面高度上还存在一个向内的摩擦力，其存在会减弱离心力作用，使得具有水平涡度的气团向低气压内流入，达到中心区域后向上流动形成"角流"（corner flow）。
2024/7/5山东省东明县龙卷风。红色箭头为龙卷低层向内向上的气流方向，L代表地面低气压，黄色箭头为下沉气流，H代表相对地面的高压区。
超单龙卷生成的最后一步是通过摩擦力在角流区搭建一种"向内-向上"的运动机制，使得所有经过此处的气团中具有的水平涡度大量转化为垂直涡度并为龙卷所用，从而无需此后进入龙卷环流的气团内具有垂直涡度（水平涡度通常在此是大量存在的）。此时我们将得到一个被称为"single cell"结构的龙卷风。
可以推想，当大量气流向上流动后由于高层龙卷环流此时依然出于准地转平衡状态（摩擦力弱），其与地面龙卷风中心会形成垂直层面上的相对高压区和低压区，从而引导龙卷中心形成下沉气流，一直抵达摩擦力作用较大的入流层面，此时龙卷风发展成熟，这种结构被我们称为"two cell"。而这一机理很可能也是龙卷风风速在近地面达到最大的原因。
(a)为one cell模式，(b)为two cell模式，(c)为two cell with secondary vortices即多涡旋模式
当图中下沉气流变强变宽时，two cell结构中两个涡旋距离越来越远，达到一定临界状态下发生breakdown，形成多涡旋龙卷风，此时地面垂直涡度组织程度下降，角流区逐步外移坍塌，龙卷环流趋于不稳定并逐渐消散。注意，并不是所有龙卷风都会完成以上过程，大部分龙卷风在第一阶段就会因为其他环境因素结束生命。
思考与展望
根据文章结论，如果把龙卷风的形成比作建造一座大楼，那它需要两头开工！既需要自上而下（低层中气旋的建立、中气旋速度对的紧缩、超级单体质心的降低），也需要自下而上（地面垂直涡度的生成，角流区的建立，向内-向上机制的完成），并且自下而上过程在其中扮演更重要、更具有决定性的作用。这可能会造成一种困惑，即从形成原理出发我们可能无法在超单龙卷和landspout之间划出非常泾渭分明的界限，因为在形成过程中，漏斗云是可有可无的"半装饰品"，超单龙卷完全可以在没有漏斗云的情况下生成。另外文中提到该形成机制未必适用于QLCS（准线性对流）类型龙卷风。
文中提到的结论不可避免的让up主思考其他问题，如在实践中经常会发现在相同环境下甚至相似强度中气旋下会生成强度迥然不同的龙卷风，根据本文论述的生成机制，我们自然会预想是地面机制的区别，如垂直涡度的组织度的区别，角流区特征的不同导致了这种现象，但是在何种情况下垂直涡度容易具有更高组织度？（或者说何种情况下中气旋速度对倾向于是"紧"的？）地面摩擦力是否存在一个最适合龙卷发展的临界值？并且，该机制可能意味着对于龙卷气候问题的研究中，仅仅对热力风切水汽抬升条件进行变暖环境中的模拟是不够的，这些环境要素和超级单体本身与中气旋有更高相关性，而形成龙卷则需要更多，事实上近些年在美国大平原也经常可以看到高端环境中组织性紊乱难以降下龙卷的超级单体，这些都是后续值得观察研究的问题。