灾害学论文 龙卷风的形成与危害.doc

灾害学 浅谈龙卷风的形成与危害 院 系： 华北科技学院安全工程学院 专业班级： 安全B122班 姓名学号： 熊昊 38号 指导老师： 王志亮 评阅老师： 评 语： 浅谈龙卷风形成与危害熊昊浅谈龙卷风的形成与危害摘要：龙卷风是一种自然界存在的天气现象，具有很强的破坏力，在世界上很多国家均有发生，古往今来，给人们留下了无数悲伤和恐惧的记忆。当下科学技术的发展还远不能准确的预测龙卷风的所有准确信息，保证所有人免于龙卷风的侵袭。通过加深对龙卷风的了解，可以在一定程度上有效地预防、预测龙卷风，尽量减少其危害并帮助人们安全逃生。因此，对龙卷风的研究具有重要的意义。该文在以科学实用、简单易懂的原则下，对龙卷风这种天气现象以及它对地球上大范围地区的巨大影响所做出解释可谓抽丝剥茧，读者可以从中了解龙卷风形成所需的条件并做好预防。文章涵盖了以下方面的信息：龙卷风的形成条件、形成机制、动力源、龙卷风的发展过程以及龙卷风的危害、龙卷风来临前有哪些预兆、防范龙卷风的措施、减少龙卷风侵袭的方法和如何自救互救等方面的知识。文章内容充实，准确可靠的介绍了龙卷风，并侧重于龙卷风的形成、危害、预测和自救措施。全文有助于读者了解更多有关龙卷风知识和防范、减灾技巧，掌握简单易行的应急避险措施和自救互救方法，提高人们对龙卷风的应对能力，并安全的从龙卷风灾害中逃生。关键字：龙卷风；形成；危害；预测；防范措施Tornados conformation、harm、prediction and selfhelp measure brief analysisAbstract: tornado, a natural weather phenomenon, often makes great damages to peoples life, both economically and physically, with its huge destructiveness, especially in America. At present, the scientific and technological level is far less to exactly forecast all information about a tornado and to protect people from its invasion. By deepening the understand of tornadoes, we can effectively forecast and prevent tornadoes, to some degree, lessen damages and provide assistance to help people survive it. Therefore, the research of tornadoes is of great significance. In principle of scientific, practical, simple and understandable, this thesis introduces the characteristics, forming conditions, forming mechanism, motive power of a tornado, and its development, damage, and signs before it comes, as well as how to prevent it, mish its negative effects, and how to have self-aid or mutual aid when a tornado comes. The paper accurately introduces basic information about tornadoes and focus on how a tornado grows and makes damage, and some self-help measures, to make people known more about tornadoes and learn how to escape from a tornado disaster.Key words: tornado; form; damage; forecast; self-help measure目录1认识龙卷风11.1 什么是龙卷风11.1.1定义11.1.2概述11.2龙卷风的特点21.2.1袭击范围小21.2.2寿命短促21.2.3出现的随机性大21.2.4中心气压极低21.2.5风力巨大，破坏力极强31.2.6蕴含能量巨大31.3 龙卷风的分类31.3.1按发生位置分类31.3.2按强度分类41.3.3按形状分类41.3.4按龙卷风发生时的形态分类41.3.5其他形式分类51.3.6类似龙卷风的现象51.4龙卷的等级划分及强度判断61.4.1龙卷风的分级61.4.2龙卷风强度判断62 龙卷风的形成72.1龙卷风产生的条件72.2龙卷风的动力源72.2.1引言72.2.2旋转气流加强实验82.2.3水蒸气凝结抽空实验92.2.4总结102.3龙卷风的形成机制112.3.1龙卷风的角动量112.3.2最小半径rmin圆柱内低气压的形成132.4龙卷风的形成过程142.4.1龙卷风的形成142.4.2龙卷风的形成过程归纳152.5龙卷风的结构152.5.1龙卷风的漏斗为何向下延伸，又怎么为人眼所见162.5.2尘埃和碎屑162.5.3抽吸性涡旋172.6 龙卷风是怎样前进的182.6.1多单体风暴192.6.2超级单体风暴202.6.3追踪风暴202.7龙卷风的发展过程212.7.1尘旋阶段212.7.2组织化阶段212.7.3成熟阶段212.7.4缩小阶段212.7.5减弱阶段212.8龙卷风的结束213 龙卷风的危害213.1龙卷风的主要危害223.1.1具体表现223.1.2危害分析223.2龙卷风危害的原因223.2.1风力能量223.2.2飞旋的外物碎屑233.2.3极低的中心气压233.3龙卷风危害典型事例233.3.1美国的龙卷风233.3.2欧洲的龙卷风243.3.3龙卷风在中国244 龙卷风的预测和自救措施254.1龙卷风的防范和预测254.1.1龙卷风的防范254.1.2龙卷风的预测254.2龙卷风来的预兆和来临前的应对措施274.2.1龙卷风的预兆274.2.2龙卷风来临前的应对措施284.3龙卷风的安全措施和躲避方法284.3.1龙卷风的安全自救措施284.3.2龙卷风的躲避方法29【参考文献】32致谢33Catalog1Understanding tornado11.1 What is a tornado11.1.1 Definition11.1.2 Summary11.2 The features of the tornado21.2.1 Small attack range21.2.2 Life short21.2.3 The large randomness21.2.4 Center of low atmospheric pressure21.2.5 Wind power giant,highly destructive31.2.6 Embodied energy giant31.3 The tornado classification31.3.1 Classification according to the position31.3.2 Classification according to the strength41.3.3 Classification according to the shape41.3.4 Classification according to the form when occurs41.3.5 Classification of other forms51.3.6 Phenomenon similar to the tornado51.4 Grade class and intensity judgment of the tornado61.4.1 Grade class of the tornado61.4.2 Intensity judgment of the tornado62 Formation of the tornado72.1 Product condition of the tornado72.2 Power source of the tornado72.2.1 Introduction72.2.2 Experiment of the strengthen rotary flow82.2.3 Experiment of the water vapor condenses92.2.4 Summary102.3 Formation mechanism of the tornado112.3.1 Angular momentum of the tornado112.3.2 Formation of low pressure in the cylinder of minimum radius132.4 Forming process of the tornado142.4.1 Form of the tornado142.4.2 Forming process induce of the tornado152.5 Structure of the tornado152.5.1 Why the funnel downwardly extending in the tornado162.5.2 Dust and debris162.5.3 Suction vortex172.6 How to go forward of the tornado182.6.1 Multi monomer storm192.6.2 Supercell storm202.6.3 Tracking the storm202.7 Development process of the tornado212.7.1 Dust whirl stage212.7.2 Organization stage212.7.3 Mature stage212.7.4 Narrowing stage212.7.5 Weakening stage212.8 End of the tornado213 Harm of the tornado213.1 Main harm of the tornado223.1.1 Specific performance223.1.2 Hazard analysis223.2 The main reason of hazard223.2.1 Wind energy223.2.2 Foreign object debris spinner233.2.3 Low center pressure233.3 Typical examples233.3.1 American tornado233.3.2 Europe tornado243.3.3 Tornado in China244 Forecast and selfhelp of the tornado254.1 Against and forecast of the tornado254.1.1 Against of the tornado254.1.2 Forecast of the tornado254.2 Omen and counter measure in the tornado274.2.1 Omen of the tornado274.2.2 Counter measure before the tornado284.3 Safety measure and escape method of the tornado284.3.1 Safety measure in the tornado284.3. Escape method in the tornado29Reference documents32Thanks331 认识龙卷风 2 1.1 什么是龙卷风 1.1.1定义 水蒸气上升到天空遇冷成了云。云团温度低，对周围水蒸气冷却，水蒸气体积缩小，周围空气水蒸气补充空间，云团下面上升的水蒸气直向上升，水蒸气分子在上升过程中受冷体积缩小越来越小，呈漏斗状。上升的水蒸气分子受冷体积不断缩小，云下气体分子不断补充空间便产生了大风，由于水蒸气受冷体积缩小时，周围补充空间的气体来时不均匀便形成一种强烈的、小范围的空气涡旋，这种漩涡造成中心气压很低，而吸起地面的物体，抛向天空。简单来说，龙卷风是在极不稳定天气下由两股空气强烈相向对流运动，相互摩擦形成的空气漩涡。1 图1-1 真实的龙卷风1.1.2概述龙卷风也叫龙卷，得名于我国的古老神话，因为龙卷风的发生状与神话里在风浪中翻滚、腾云驾雾的东海蛟龙很相像。它还有很多形象的别名，如“龙吸水”、“龙摆尾”、“倒挂龙”等。龙卷风是一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋。它是破坏力最强的小尺度天气系统，也就是水平范围较小，生命期较短的天气系统。其靠近地面部分的直径范围最小几米，最高可达几千米以上，一般数百米直径最普遍。龙卷中的风是气旋性的，一般在北半球逆时针旋转，在南半球则顺时针旋转。龙卷风的强烈风速来自于龙卷风自身内部的低气压与周围同一高度气压的很大的气压差，形成一般估计为50-150米/秒的龙卷风速，最大值可达200米/秒。产生龙卷的积雨云也就是母云的移动决定了龙卷的移向、移速。母云的移速通常为40-50千米/小时，最快能达到90-100千米/小时。其移动路径多是直线，一般只有数千米，有时也达到数十千米。龙卷风出现的同时还会有一个或数个“象鼻”状的漏斗形云柱从云底向下伸展。漏斗状云柱形成的重要原因是龙卷风内部空气非常稀薄，导致温度急剧下降，促使水汽迅速凝结。漏斗状云柱的直径平均25米左右。龙卷风出现时还会伴有狂风、暴雨、雷电或冰雹等天气。龙卷风有很大的吸吮作用，经过水面，能把海（湖）水吸离水平面，形成水柱，同云相接，俗称“龙取水”；经过陆地，能把房屋推到，大树连根拔起，甚至把人、畜和杂物吸卷到空中，带往几百几千米以外的地方。当漏斗云伸展至陆地表面时，大量沙尘被吸到空中形成尘柱，称为陆龙卷；如果漏斗云伸到水面时，能吸气高大水柱，称为水龙卷。一般水龙卷持续的时间比陆龙卷长，但威力较小。原因是水面与空气的温差比陆面与空气的温差小，无法形成强烈的上升气流。此外，从火山爆发和大水灾产生的烟和水蒸汽中，也可以产生龙卷风，这种龙卷风则被称为火龙卷或烟龙卷。沙漠地区还可能出现一种尘龙卷，这与陆龙卷或水龙卷从云层中旋转而下的方式不同，它是由热空气柱从地面旋转而上形成的。尘龙卷也会造成灾害，但它的破坏力量比龙卷风小得多。71.2龙卷风的特点龙卷风多发生在夏季雷雨天气时，尤其是下午到傍晚的时间，主要有以下特点：1.2.1袭击范围小直径平均为200-300米，直径最小的只有几十米，最大可达1000米以上，但这极不常见。其影响范围从几米到几十米，甚至也会出现影响上百千米的情况。1.2.2寿命短促龙卷风奔袭而来，有时甚至来不及拿出相机按动快门，就已经过去了。通常情况下，龙卷风从生成到消失，不过几分钟的时间，最长的也超不过几小时。如果出现的龙卷风更小，则其寿命更为短促，一般只有10-15分钟，最长也不超过50-60分钟。1.2.3出现的随机性大龙卷风的发生瞬息及至，转眼消失，很突然，所以目前气象部门还不能对龙卷风做准确的预报，只能利用气象雷达，通过对雷暴积雨云的监视，以判断在某一地区产生龙卷风的可能性。龙卷风通常在北半球是逆时针旋转，在南半球是顺时针，但不乏例外情况的出现。现在还没有研究出龙卷风形成的确切机理，一般认为和大气的剧烈活动有关。1.2.4中心气压极低一个大气压是1013百帕，但龙卷风中心的气压可以低到400百帕，甚至200百帕。内外气压差形成龙卷风的巨大吸力，龙卷风所到之处，其所触及的的水和沙尘、树木、人、畜等都能被吸卷而起，高可入空，形成高大的柱体。我们可以把龙卷风想象成一杯茶水，用一根细棍在茶杯里搅一下，中间就会形成一个漩涡，此时中心气压低于周围，周围的茶叶随着气旋流向茶杯中间水涡中，然后往上升，这就是龙卷风吸入周围物体的原因所在。1.2.5风力巨大，破坏力极强龙卷风是世界上最具破坏力的现象之一。所过之处，能把树木、汽车、铁轨、轮船及建筑物等抛起、掀翻甚至损毁。龙卷风中心附近的风速可达100-200米/秒。1.2.6蕴含能量巨大当龙卷风的漏斗状漩涡直径为200米时，其涡流功率可达三万兆瓦，相当于10座大型水电站的总电量。龙卷风发生突然、过程极短、能量巨大、破坏力极强，正因为如此，增加了监测预警和防御的难度，往往造成灾难性的损失。51.3 龙卷风的分类1.3.1按发生位置分类（1）陆龙卷是一个术语，用以描述一种和中尺度气旋没有关联的龙卷风。一般是漏斗云向下延伸至地面的一种龙卷风。陆龙卷和水龙卷有一些相同的特点，例如强度相对较弱、持续时间短、冷凝形成的漏斗云较小且经常不接触地面等。虽然强度相对较弱，但陆龙卷依然会带来强风和严重破坏。（2）水龙卷（或称海龙卷）可以简单地定义为水上的龙卷风，通常意思是在水上的非超级单体龙卷风。世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美国，水龙卷通常发生在美国东南部海岸，尤其在佛罗里达南部和墨西哥湾。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一种，不过其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小，但是它们仍然是相当危险的。图1-2 水龙卷（3）高空漏斗云指漏斗云向下伸展而悬挂在高空的一种龙卷风形式。1.3.2按强度分类（1）微弱龙卷风风速一般在18-25米/秒之间的被称为微弱龙卷风。典型的微弱龙卷风只有一个长而狭小的漏斗云，在轴中心处垂直风速达到最大，但是也不强而且其倒圆锥状的漏斗云底端并没有接触到地面，这是最常被发现的龙卷风。周围有雨幕产生的时候，则预兆着这种龙卷风拉上就要结束了。（2）强烈龙卷风强烈龙卷风通常有一个很明显的柱状漏斗云，漩涡也很强，触及地面会有剧烈的狂风暴雨天气现象出现。其最大垂直风速环绕在圆柱的边界上向轴心慢慢递减，而不是在轴心上，这是不同于微弱龙卷风的。(3)剧烈龙卷风剧烈龙卷风中心有一个类似于台风眼的明显环形平静区域，核心内部气压很强。当龙卷风的凤眼经过某一地区时，周围空气为了适应压力的突然改变会产生快速的下沉气流。在龙卷风内，地面的气流是向外辐散的，它在地面碰到向内辐合到中心的气流，二者结合而又反向，变成向上的类似微弱龙卷风的上升气流且环绕在龙卷风眼旁。由于气流会向各个方向移动，所以一般会出现好几个漏斗云，它们也都环绕着龙卷风眼旋转。1.3.3按形状分类龙卷风按形状可以分为浓密状龙卷风、松散状龙卷风和派生龙卷风三类。其中浓密状龙卷风的底部轮廓鲜明、稳定、浓密，并有一个垂直向下的细长管子。根据这种浓密龙卷风的长度和宽度，又可分为两大类：一是漏斗、柱状或树干状；二是蛇形状、绳状或鞭子状。松散状龙卷风则是形状松散、轮廓模糊不清的。顾名思义，派生龙卷风就是在龙卷风周围又派生出来的各式小的龙卷风。1.3.4按龙卷风发生时的形态分类（1）下曳龙卷风上层积雨云与中心之间的气压差距递增，造成气流向下曳出，即所谓的下曳龙卷风；亦称为喷出型龙卷风。 （2）上升龙卷风龙卷风中上升之气流，宛如吸尘器强力吸入地面上所接触到的各种物质，即所谓的上升气流型龙卷风；亦称为吸进型龙卷风。1.3.5其他形式分类（1）多漩涡龙卷风指带有两股以上围绕同一个中心旋转的漩涡的龙卷风。多漩涡结构经常出现在剧烈的龙卷风上，并且这些小漩涡在主龙卷风经过的地区上往往会造成更大的破坏。图1-3 火龙卷（2）火龙卷非常罕见的龙卷风形态，由陆龙卷与火焰的结合。 2010年巴西火龙卷，位于南半球的巴西遭遇罕见的干旱少雨天气，全国多地燃起了山火。8月24日，巴西圣保罗市一处火点刮起了龙卷风，形成了罕见的火焰龙卷风景观。1.3.6类似龙卷风的现象（1）阵风卷是一种和阵风锋与下击暴流有关的小型垂直方向旋转的气流。由于它们严格来说和云没有关联，所以就它们是否属于龙卷风还存有争议。当从雷暴中溢出的快速移动干冷气流流经溢出边缘的静止暖湿气流时，会造成一种旋转的效果（可用“滚轴云”解释），若低层的风切变够强，这种旋转就会水平（或倾斜）进行，并影响到地面，最终的结果就是阵风卷。阵风卷的旋转方向不固定，可顺时针亦可逆时针。（2）尘卷也是一种柱状的垂直旋转气流，因此和龙卷风很像。然而，它们生成在晴朗的天气下，并且绝大多数情况下比最弱的龙卷风还要弱。气温较高时，如果地面因高温形成很强的上升气流，并且此时有足够的低层风切变，上升的热气流就可能做小范围的气旋运动，此时尘卷便会形成。尘卷之所以不属于龙卷风是因为它们在晴朗的天气条件下形成而且和云没有什么联系。不过，它们偶尔也能引起大的破坏，尤其在干燥地区。11.4龙卷的等级划分及强度判断1.4.1龙卷风的分级龙卷风的分级是由藤田级数划分，由芝加哥大学的美籍日裔气象学家藤田哲也于1971年所提出。表1 藤田龙卷风分级表等级风速破坏程度表现F032m/s轻度破坏烟囱，树枝折断，根系浅的树木倾斜，路标损坏等。F133-49m/s中度破坏房顶被掀走，可移动式车房被掀翻，行驶中的汽车刮出路面等。F250-69m/s重度破坏木板房的房顶墙壁被吹跑，可移动式车房被破坏，货车脱轨或掀翻，大树拦腰折断或整棵吹倒。轻的物体刮起来后像导弹一般，汽车翻滚。F370-92m/s严重破坏较结实的房屋的房顶墙壁刮跑，列车脱轨或掀翻，森林中大半的树木连根拔起。重型汽车刮离地面或刮跑。F493-116m/s完全破坏结实的房屋如果地基不十分坚固将刮出一定距离，汽车像导弹一般刮飞F5117-141m/s毁灭性破坏坚固的建筑物也能刮起，大型汽车如导弹喷射般掀出超过百米。树木刮飞。是让人难以想象的大灾难。1.4.2龙卷风强度判断目前，主要通过获取风速来判断龙卷风的强度。1.根据气压梯度计算风速这种方法实施过程相当危险且成功率不高。这需要冒生命危险将气压计提前安装在龙卷风即将经过的路径上，并保证在龙卷风过去后，仪器还能被完好无损的取回来。2.从造成的破坏中推断风速藤田先生为此提出了“藤田龙卷风强度等级”，根据龙卷风造成的破坏程度来推断风速的强弱。3.多普勒雷达测量多普勒雷达较为先进，可以从远处对龙卷风的风速进行直接测量，相对气压梯度来说比较安全。52 龙卷风的形成2.1龙卷风产生的条件龙卷风的形成需要三个必要条件：1.空气湿润且非常不稳定；2.在不稳定空气中形成塔状积雨云；3.高空风与低空风方向相反，从而产生风切变将上升的空气移走。这些都是很容易就能形成的条件，而三者齐备也并不困难，尤其是在北美。但是三个条件同时出现并不意味着一定会产生龙卷风，但可以说明龙卷风存在着发生的可能性。龙卷风最经常产生在强烈的积雨云中，这是因为积雨云内有强烈的上升气流和下沉气流。这种上升下沉气流之间会形成涡旋运动。条件发展成熟以后，则形成涡环。涡环足够长，从积雨云内下垂时，就会形成具有强大破坏力的龙卷风了。从云中伸向地面的过程中，多数龙卷风还未着地已经消失，然而一旦触及地面，有了受灾的客体，就会产生极大地破坏。龙卷风是云层中雷暴的产物。也就是说，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。42.2龙卷风的动力源2.2.1引言关于龙卷风的动力源较普遍的说法是“潜热”说：降水过程中水蒸气液化或结晶释放出的热量把空气加热造成温度升高，为空气上升提供动力，从而形成上升气流，上升气流旋转形成了龙卷风。也就是说“潜热”发挥作用的前提是使本身的空气温度升高。降水过程中释放的“潜热”能使空气温度升高吗？释放“潜热”必须有造成水蒸气液化或结晶的条件。促进水蒸气液化的条件有：温度下降，气压升高，湿度增加；反之则促使水蒸发而形成水蒸气，是吸收热量的过程。所有的记录无不显示降雨时气压下降。降雨过程是大气中的水蒸气液化凝结形成水滴降落的过程，是空的中水蒸气减少的过程，也是湿度下降的过程。这样只有“温度下降”一种促进水蒸气液化的条件了。那么任何原因造成温度停止下降或上升都会造成水蒸气液化停止，相应释放“潜热”就会停止。只有当气温再一次下降后，水蒸气才会进一步液化，继续释放“潜热”。显然“潜热”在这一过程仅能起到阻止温度下降的作用，不可能造成气温升高。同理：促进水蒸气结晶的主要因素是温度下降和湿度增加。同样的分析表明这一过程只能减缓气温下降，不能使气温升高。所以在降水过程中虽然会有大量“潜热”被释放，但整体气温仍呈现下降趋势。“潜热”作用只是气温的稳定因素，可能对龙卷风造成影响，但不可能成为龙卷风旋转的动力。有关龙卷风研究资料显示其内部温度极低，与释放“潜热”所能起的作用相反，同样显示龙卷风的旋转不是释放“潜热”造成的。82.2.2旋转气流加强实验下面做一个旋转气流加强实验，实验装置见图：图2-1 旋转气流实验装置示意图实验如下：（1）开启电动机，使转盘旋转，在转盘喇叭口下方形成旋转气流。调整转盘距地面的高度，观察被带动的泡沫塑料颗粒情况。当转盘距地面的高度低于约200 毫米时，大约有直径500 毫米700 毫米范围的泡沫塑料颗粒被吹动，当转盘距离地面高度超过约200 毫米时，地面的泡沫塑料颗粒受到气流的影响很小，几乎不被吹动。以上的观察可得出旋转气流大约高度200 毫米，气流直径500 毫米 700 毫米。泡沫塑料颗粒的运动轨迹是从旋转气流柱中部向四周飘飞，显示气流呈现出扩散趋势。（2）开启电动机，转盘转动，喇叭口下面形成旋转气流。当开启抽气设备，抽走旋转气流中部的空气，在转盘下形成一个倒圆锥形的小旋风。当转盘距地面的高度小于500 毫米时，大量泡沫塑料颗粒被吸进小旋风的风柱内，形成的小旋风轮廓分明。小旋风的大至尺寸为高约500 毫米，顶部直径约500 毫米，底部直径约50 毫米。距地面高约400mm 水平移动转盘，小旋风随着移动，在地面上形成一个宽约50 毫米的“风道”。“风道”的界线分明。“风道”上的泡沫塑料颗粒所剩无几，大部分被小旋风吹起或吸走。“风道”以外的泡沫塑料颗粒几乎没有受到影响。观察泡沫塑料粒颗飘飞的速度，明显快于不开启抽气机的情况。（3）在转盘停止转动情况下，打开抽气机，调整转盘高度，在转盘距地面的泡沫塑料颗粒小于15 毫米时，才能把泡沫塑料颗粒吸起，增加转盘高度，则对地面的泡沫塑料颗粒没有任何影响。多次重复以上实验，结果基本相同。从以上实验可得出：（1）没有其它条件作用，单纯的旋转只会让旋转气流扩散开；（2）抽走旋转气流内部的空气，可以使气流的旋转得到加强，旋转气流的转速增加，径向收缩，轴向长度增加。（3）旋转气流可以使抽气机的抽气作用得到延伸。从实验结论可知，单凭大气对流形成的旋转只会使气流扩散开。根据角动量守恒，扩散会使气流的旋转速度下降，是不可能形成龙卷风的力量集中的风柱。是什么力量形成了龙卷风呢？2.2.3水蒸气凝结抽空实验有关资料显示在龙卷风内部最低气压为200Pa，如果气压差完全用于平衡龙卷风的旋转，则计算出龙卷风最大风速为300m/s，观测到的龙卷风风速只有200m/s，即龙卷风内部的负压远大于气流旋转所需的向心力。也就是说单靠龙卷风的气流旋转是无法形成如此大的负压。是什么原因形成了龙卷风内部的超低气压呢？有关龙卷风的报道及研究论文中都提到强对流形成的强烈降水天气。由于自然界的降水过程要经过水蒸汽液化或结晶的过程。标准情况下，相同质量的水蒸汽的体积是水和冰的体积的近千倍。随高度增加，大气压力下降，空气的密度随之降低，假设某处高空中水蒸汽的密度约为0.5 千克/ 立方米，水或冰的密度约为1000 千克/ 立方米，当这些水蒸汽凝结成水滴或冰晶，那么它们的体积就缩小了近2000 倍，相应的空间被空出，如同占有这部分空间的空气被抽走一样。那么当此地区降下10 毫米的雨水时，就相当于在降雨区域的高空中有大约20 米厚的一层水蒸汽被“抽”到走了，这种大自然形成的抽走空气的作用超过人类所能制造的一切抽气设备，为了便于描述，抽走空气的作用简称为“抽空作用”。水蒸汽液化或结晶形成抽走空气的作用简称为“水蒸气凝结抽空作用”。2.2.4总结如果引入“水蒸气凝结抽空作用”，就可这样解释龙卷风的形成：当含有丰富水蒸汽的暖湿气流与低温气流相遇气时，对流使两种气流混合，并形成旋转；暖湿气流温度下降，水蒸汽开始液化或结晶，形成“水蒸气凝结抽空作用”。“抽空作用”加强了混合气流的旋转：使混合气流转速增加，径向收缩，轴向长度增加，形成旋转风柱。当旋转风柱伸出云层时即是人们所能看到的漏斗云。当旋转风柱进一步伸展接触地面，漏斗云就转变成了龙卷风。由于最初形成的旋转轴是多种方向的，相应风柱会以多种角度从云层中伸出，当风柱向上伸出时，因云的阻挡，及缺少水汽和杂物，难以被观察到；风柱竖直向下最容易接触到地面形成龙卷风。“抽空作用”使龙卷风内部气压下降，根据摩尔定律，气压下降造成气温下降，进一步促进水蒸气液化或结晶；旋转加速了寒流与暖湿气流混合的速度，也促进了暖湿气流的降温速度，同样促进了水蒸气液化或结晶。龙卷风的发展过程是水蒸气凝结与龙卷风的旋转相互促进的过程，因此造成了龙卷风内部超低温度，超低压力和风柱高速旋转。当暖湿气流由较多不同带电云块组成时，气流快速混合形成大量放电现象。一道道闪电伴随着风柱旋转，让龙卷风又多了几分神秘。实验中旋气流把抽气机的抽气作用延伸到地面，而龙卷风的旋转风柱则把高空的“水蒸气凝结抽空作用” 延伸到地面，形成了龙卷风那惊人的抽吸性。虽然降水在世界各地时有发生，但大部分情况下，水蒸气凝结是在降水前，云的形成过程中发生的，这样形成的“水蒸气凝结抽空作用”在时间和空间上都不够集中，不足以加强旋转气流形成漏斗云及进一步形成龙卷风。在强对流天气条件下，含丰富水蒸汽的暖湿气流与寒流相遇，在短时间内暖湿气流温度骤降，形成的“水蒸气凝结抽空作用”非常集中，才有可能把遇到旋转气流加强成龙卷风，这种天气多为“雷暴”天气，并容易形成冰雹，所以龙卷风出现时常伴有“雷暴”和冰雹；“潜热”作用所释放出的热量，会减缓暖湿气流降温速度。由于单位质量的水蒸汽液化或结晶释放出的热量是固定值，当暖湿气流所遇到寒流的温度足够低，范围足够大，就可以抵消释放“潜热”的影响。22.3龙卷风的形成机制2.3.1龙卷风的角动量龙卷风是怎样转起来的?那样高速的旋转，角动量是从那里来的?龙卷风中心的气压非常低，最低可达200hPa。按牛顿定律，在没有外界冲量矩推动的情况下，系统的角动量是不会产生的。龙卷风不断有质量向上输送，即有角动量向上输出，则其下部必有角动量输入(见图2) 图2-2 下部必有角动量输入 图2-3 龙卷风左右两侧的切向风为简明起见，我们设想这样一种理想的情况:龙卷风逆时针方向旋转(也可顺时针方向旋转，原理是相同的)在龙卷风左右两侧分别是如图3所示的切向风。AB为切变线，AB两侧风向相反，风速大小相同，均为v0边缘的空气以线速度v流入龙卷当中，其角动量为vr，根据角动量守恒定律有:Vr= C1 （1）(1)式中，C1为角动量，单位m2/s。由(1)式有: V=C1/r （2）说明在龙卷风内部，风速与半径成反比。越靠近中心，风速越大，这与观测到的结果是一致的。龙卷风是小尺度天气系统，地转偏向力可忽略不计。在稳定状态下，形成旋衡风，气压梯度力和惯性离心力平衡。V2/r=1/dp/dr （3）由(2)、 (3)式有:dp/dr=C12/r3 （4）r为距龙卷风中心的水平距离，p为龙卷风内部空气压强，为空气密度，在标准大气压下，=1.29kg/m2，随气压的降低而降低。 P=C12/2r2+C2 （5）当r，P= P0，P0为大气压强，固有C2=P0，（5）式可以写成： P=P0C12/2r2 （6）由(1)和(6)式，可求出龙卷风的最大风速VmaxVmax=2（P0Pmin）/2P0/ （7）(7)式中，Pmin表示龙卷风中心的最低气压，可低至200hPa，由此可计算出龙卷风的最大风速可达300m/s，不过观测到的龙卷风最大风速只有200m/s 。 由(1)和(7)式，可求出龙卷风的最小半径rminrmin=C1/ Vmax （8）所谓最小半径rmin，其含义是：最小半径rmin以外的空气不能流入到rmin的圆柱内部。 最小半径rmin以外的空气不能流入到、.。的圆柱内部这一事实是易于理解的:由于角动量守恒，当龙卷风向中心幅聚时，半径r变小，风速V增大。从而，惯性离心力V2/r变大，当气压梯度力(由于中心气压低，形成向中心抽吸的力)不足以提供惯性离心力的需要时，空气流体便“离心”而去，不再向中心辐聚。6 图2-4 最下半径rmin以外的空气 图2-5 龙卷风左右两侧的切向不能流入到rmin的圆柱内部 风风速不等的情形最小半径rmin的存在，是保持龙卷风中心形成低压的必要条件。在近地面则不同，由于地面摩擦的作用，角动量并不守恒，随着半径的减小而减小。在最小半径rmin处，由于风速较小，惯性离心力较小(小于气压梯度力)，因此，空气可以流入到半径为rmin的圆柱内，然后上升（见图2）。上面讨论的是一种理想的情况：在龙卷风左右两侧的风速大小相等，方向相反(见图3)。在龙卷风左右两侧的风速大小不相等时(方向相反，见图5)，则龙卷风的中心速度以(V2一V1)/2运动，以龙卷风的中心为参照物，龙卷风左右两侧的风速大小仍相等，为(V2+V1)/2。 同样，在龙卷风左右两侧的风速大小不相等，方向相同时(图略)，则龙卷风的中心速度以(V2+V1)/2运动，以龙卷风的中心为参照物，龙卷风左右两侧的风速大小仍相等，为(V2一V1)/2。 所以，无论何种情形，只要以龙卷风的中心为参照物，都可以化为如(见图3)所示理想情况处理。 上述情形的讨论，可以用水平涡度概念描述=v/xu/y （9）速度切变很大，说明水平涡度很大。龙卷风总是发生在水平涡度很大的地方。102.3.2最小半径rmin圆柱内低气压的形成 由于没有外界空气的流入(近地面以上见图4)，无卷挟作用，空气是按绝热过程上升的。其加速度可由下面公式描述： dvz/dt=（rr1）gz/T=K2Z （10） (10)式对时间微分，有：d2vz/dt2=K2vz （11）(10)式中，vz为空气块向上运动的速度，r为大气层结温度垂直递减率，r1为空气块绝热上升温度垂直递减率，T空气的热力学温度，Z为距地面的高度，K=（rr1）/T1/501/100（s-1）。由初始上升温度vz（0）=v0，初始上升加速度dvz/dt=0可求得（11）式的解为： vz=v0（ekt+e-kt）/2 （12） z= v0（ekte-kt）/2 k （13）可见，在最小半径为rmin圆柱内，空气块迅速上升，圆柱被迅速拉长，低气压形成。 在最小半径rmin以外，风速与半径成反比，随着半径的减小，风速迅速增大;有卷挟作用，空气块也以较快速度上升，但较最小半径rmin圆柱内要慢。 因此，发生龙卷风时，很多地面上的东西，被迅速上升的空气带到了高空，送到远方。32.4龙卷风的形成过程2.4.1龙卷风的形成通过对龙卷风形成时的气候条件研究，对龙卷风的运动特点和破坏力的分析，显示龙卷风的成因与云团带电有直接关系。从物理角度分析，形成龙卷风需要以下几个阶段和过程：一是在炎热的夏季，强烈的太阳光照射，气温急剧升高，大量的水分蒸发到天空。水蒸汽到达高空后遇冷变成区域性的积雨云。二是云团在受到强烈的阳光照射后，云团中的水分子或空气中的其它分子因受到强烈的阳光照射二使电子具了有较高的逸出能量，这些高能量的电子在地球静电场的作用下，摆脱分子的束缚成为了自由电子，逐渐移动到云团的顶部和底部，使云团成为被极化的带电云团。三是在强烈阳光的照射下，大气压强发生区域性变化产生大气对流形成风，风推动云团定向流动。由于大型的云团体积巨大，云团在顶部和底部的流动速度存在差别，当风力超过上下正负电荷间的引力时，风力就能将顶部云层与底部云层分开。上部带正电荷的云层成为独立的正电云团，下端带负电荷的云层成为独立的负电云团。这样云团就成为带电云团，产生了静电荷( 如图1)。图2-6 带电云团分离的示意图四是当这些相对孤立的带电云团在天空中运动时，在大风力的作用，云团在水平方向产生一个风力F 水，生一个水平运动速度V 水，在竖直方向产生一个静电引力F 静电和一个重力F 重力，二者形成一个竖直向下的力F 竖，产生一个竖直向下的运动速度V 竖。云团的静电场力、重力和风力形成了一个倾斜向下的合力F 合，并产生一个斜向下的运动速度V 合( 如图2)。 图2-7 带电云团的受力图分析示意图由于地球是一个巨大的磁体，地球南北极之间有一个5.010-5 特斯拉左右的地磁场。电荷在磁场中运动时要产生洛伦兹力，洛伦兹力能使运动的电荷做圆周运动。当带电云团在空中倾斜向下运动时，由于运动方向与地磁场斜交，因此形成了螺旋型的运动轨迹。这样，这些高速运动的带电云团在洛伦兹力的作用下发生旋转，因此形成了龙卷风。由公式R=mvBq 可以看出，当云团从高空斜向下俯冲时，竖直速度增大，流动阻力作用使水平速度减小，地磁场强度增大。越靠近地面云团的运动半径越小，因此形成长长的漏斗云。62.4.2龙卷风的形成过程归纳（1）大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。（2）由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。（3）随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生气旋的同样过程，形成龙卷核心。（4）龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。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。2.5龙卷风的结构想一想你会觉得很奇怪，为什么液体会向上流？可是你用吸管吸饮料时就是这样，饮料从吸管流上来。在玻璃杯或饮料罐中，空气对饮料表面各个部分施加的压力也随之减小。这样一来，这里将饮料向下压的力量就要比其他地方的弱，饮料便升上去了。换句话说，饮料从压力相对较高的吸管下端流向压力较低的地方也就是你的嘴里。超级单体很像吸管，顶部空气的幅散把空气向上吸。被吸入的空气