龙卷风 龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋,是在极不稳定天气下由空气强烈对流运动而产生的,由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云(龙卷)产生的强烈的旋风,其风力可达12级以上,最大可达100米每秒以上,一般伴有雷雨,有时也伴有冰雹。

一、定义

      龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋,是在极不稳定天气下由空气强烈对流运动而产生的,由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云(龙卷)产生的强烈的旋风,其风力可达12级以上,最大可达100米每秒以上,一般伴有雷雨,有时也伴有冰雹。

 

二、形成原因

      大自然里的龙卷风诞生在雷雨云里。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。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。上下激荡越发强烈,终于形成大涡旋。大涡旋先是绕水平轴旋转,形成了一个呈水平方向的空气旋转柱。然后,这个空气旋转柱的两端渐渐弯曲,并且从云底慢慢垂了下来。对积雨云前进的方向来说,从左边伸出云体的叫“左龙卷”,从右边伸出云体的叫“右龙卷”;前者顺时针旋转,后者反时针旋转。伸到地面的一般是右龙卷,左龙卷伸下来的机会不多。
      另外,龙卷风也容易在两条飑线的交点上发生。飑线经常出现在炎热季节强冷空气的最“前哨”。

 

三、特点

      龙卷风是大气中最强烈的涡旋现象,影响范围虽小,但破坏力极大。它往往使成片庄稼、成万株果木瞬间被毁,令交通中断,房屋倒塌,人畜生命遭受损失。龙卷风的水平范围很小,直径从几米到几百米,平均为250米左右,最大为1千米左右。在空中直径可有几千米,最大有10千米。极大风速每小时可达150千米至450千米,龙卷风持续时间,一般仅几分钟,最长不过几十分钟,但造成的灾害很严重。

 

龙卷风发生的基本特征
      龙卷风常发生于夏季的雷雨天气时,尤以下午至傍晚最为多见。袭击范围小,龙卷风的直径一般在十几米到数百米之间。龙卷风的生存时间一般只有几分钟,最长也不超过数小时。风力特别大。破坏力极强,龙卷风经过的地方,常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象,有时把人吸走,危害十分严重。龙卷风常在夏季的雷雨天气时发生,尤以下午至傍晚最为多见。龙卷风的袭击范围小,其直径一般在十几米到数百米之间。龙卷风的持续时间短。龙卷风的持续时间往往只有几分钟。龙卷风出现的随机性大,仅仅靠常规的气象监测手段很难预报。
      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。只是有的“象鼻”刚刚开始下伸,有的“象鼻”下端却已经接地或在接地后正在缩回云中,也有的在云底伸伸缩缩、始终不垂到地面。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。龙卷风的脾气极其粗暴。在它所到之处,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。龙卷风里的风速究竞有多大?人们还无法测定,因为任何风速计都经受不住它的摧毁。一般情况,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。1919年发生在美国明尼斯达州的一次龙卷风,使一根细草茎刺穿一块厚木板;而一片三叶草的叶子竟象楔子一样,被深深嵌入了泥墙中。不过,龙卷风中心的风速很小,甚至无风,这和台风眼中的情况很相似。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。所以,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”。当龙卷风把陆地上某种有颜色的物质或其他物质及海里的鱼类卷到高空,移到某地再随暴雨降到地面,就形成“鱼雨”、“血雨”、“谷雨”、“钱雨”了。

 

四、龙卷风形成结构式

       一、龙卷风的结构

      龙卷风是是大气中最强烈的一种涡旋现象,所到之处,卷倒房屋,吹折电杆,甚至把人、畜和杂物吸卷到空中,带往他处;是一种破坏力极大的灾难性自然现象。

      据报道,在1999年5月27日,美国得克萨斯州中部,包括首府奥斯汀在内的 4个县遭受特大龙卷风袭击,造成至少32人死亡,数十人受伤。

      龙卷风是从强流积雨云中伸向地面的一种小范围强烈旋风,龙卷风出现时,往往有一个或数个如同“象鼻子”样的漏斗状云柱从云底向下伸展,把江河湖海的水吸入后,通过漏斗状旋涡,急剧上升,送到寒冷的大气层,水冻结后自然又会释放能量,所以常常伴有狂风、暴雨、雷电或冰雹出现。

      龙卷风漏斗中心由吸起的尘土和凝聚的水气组成,形成可见的“龙嘴”;其经过水面时,吸水上升,形成同云相接的水柱,俗称“龙取水”。

      一般情况下,它出现的时间和大气中能量对流旺盛的时间相一致,多发生在夏季6-9月的下午至傍晚。它的直径一般在十几米到数百米之间;生存时间一般只有几分钟,最长也不超过数小时;风力特别大,在中心附近的风速可达100-200米/秒,影响地面范围从数米到几十米至上百公里。

 

      二、龙卷风形成的机理

      假设存在一个水平方向二维的气流场,有能压差存在,气流就会运动,假设现在存在一股气流开始运动,我们把这股气流分为头部和尾部,在头部向前运动时,它的尾部后就会出现一个“负”压区,就好象一辆行驶的汽车后面有一个尾随的“负”压区一样,如果这股气流不是一直沿直线向前运动,就会回过头来运动,这时,就会出现“头”、“尾”之间存在的能压差!于是,“头”部就会循着“尾”部的“负”压区追去,使“头”和“尾”衔接在一起(就像蛇咬住了自己的尾巴),形成一个闭合的有序流动的“能流圈”。

      根据机械能衡算的柏努利方程知道,当这股气流运动动能增加时,它的“内部”能压就会降低(机械能守恒),于是奇迹发生了:“能流圈”内外侧的气流因为能压高于“能流圈”的能压,所以,不断有气流挤着涌向“能流圈”,使“能流圈”开始逐渐变“粗大”,即,“能流圈”的流通面积变大了!

      流通面积越大,流动越有序,即形成了滞流,阻力就会越小,所以气流的流速也开始逐渐变大!速度越大——负压越大——补充进来的气流量就越多——“能流圈”变得越““粗大”,而且在“能流圈”外部的压力作用下,其密度也增加了。

      当“能流圈”内侧的气流涌向“能流圈”时,能压越来越低,使“能流圈”(直径)不断变小,如果这时候“能流圈”的流动没有新的方向突围,就会被外侧气流的能压挤跨而涣散、消失。

      现在,我们再回到三维空间和气象中的龙卷风去。因为“能流圈”的密度比较大,所以,它会“坠落”到第三维的方向上。由于积雨云上下温差很大,上面的冷气和下面的热气流形成对流,产生旋转的“能流圈”,逐渐扩大,最后形成近似平行于地面的二维“能流圈”,到成长到一定程度时,就会从云中慢慢“坠”到地面,形成了龙卷风。

 

五、龙卷风的形成的几个阶段

      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。

 

六、龙卷风带来的危害

      当龙卷风扫过建筑物顶部或车辆时,由于它的内部气压极低,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”。如果龙卷风的爆炸作用和巨大风力共同施展威力,那么它们所产生的破坏和损失将是极端严重的。
      但是,在通常的情况下,如果龙卷风经过居民点,天空中便飞舞着砖瓦、断木等碎物,因风速很大也能使人、畜伤亡,并将树木和电线杆砸成窟窿。就是一粒粒的小石子,也宛如枪弹似的,能穿过玻璃而不使它粉碎。
      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。
      龙卷风在白天、夜间都能生成,但大部分发生在午后。有时,同时有几个龙卷一起出现。
      从火山爆发和大火灾产生的烟和水蒸汽中,也可能诞生龙卷风。这种龙卷风称为火龙卷或烟龙卷。
      在1999年5月27日,美国得克萨斯州中部,包括首府奥斯汀在内的4个县遭受特大龙卷风袭击,造成至少32人死亡,数十人受伤。据报道,在离奥斯汀市北部40英里的贾雷尔镇,有50多所房屋倒塌,已有30多人在龙卷风丧生。遭到破坏的地区长达1英里,宽200码。这是继5月13日迈阿密市遭龙卷风袭击之后,美国又一遭受龙卷风的地区。
      1995年在美国俄克拉何马州阿得莫尔市发生的一场陆龙卷,诸如屋顶之类的重物被吹出几十英里之远。大多数碎片落在陆龙卷通道的左侧,按重量不等常常有很明确的降落地带。较轻的碎片可能会飞到300多千米外才落地。
      龙卷的袭击突然而猛烈,产生的风是地面上最强的。在美国,龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重,经常是毁灭性的。
      在强烈龙卷风的袭击下,房子屋顶会像滑翔翼般飞起来。一旦屋顶被卷走后,房子的其他部分也会跟着崩解。因此,建筑房屋时,如果能加强房顶的稳固性,将有助于防止龙卷风过境时造成巨大损失。
      龙卷风的力气也是很大的。1956年9有24日上海曾发生过一次龙卷风,它轻而易举地把一个22万斤重的大储油桶“举”到15米高的高空,再甩到120米以外的地方。
      龙卷风在美国又叫旋风,是常见的自然现象。旋风的破坏力往往超过地震。
      1879年5月30日下午4时,在堪萨斯州北方的上空有两块又黑又浓的乌云合并在一起。15分钟后在云层下端产生了旋涡。旋涡迅速增长,变成一根顶天立地的巨大风柱,在三个小时内像一条孽龙似的在整个州内胡作非为,所到之处无一幸免。但是,最奇怪的事是发生在刚开始的时候,龙卷风旋涡横过一条小河,遇上了一座峭壁,显然是无法超过这个障碍物,旋涡便折抽西进,那边恰巧有一座新造的75米长的铁路桥。龙卷风旋涡竟将它从石桥墩上“拔”起,把它扭了几扭然后抛到水中。

 

七、龙卷风的分级

      等级F0 风速<73 mi/h <32 m/s 出现几率29% 。受害状况程度轻微。表现为:烟囱,树枝折断,根系浅的树木倾斜,路标损坏等。

      等级F1 风速73–112 mi/h 33–49 m/s 出现几率40% 。受害状况程度中等。表现为: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。

      等级F2风速113–157 mi/h 50–69 m/s 出现几率24% 。程度较大。表现为: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。

      等级F3风速158–206 mi/h 70–92 m/s 出现几率6% 。受害状况程度严重。表现为: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。

      等级F4风速207–260 mi/h 93–116 m/s 出现几率2% 。受害状况破坏性灾害。表现为: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。

      等级F5 风速261–318 mi/h 117–141 m/s 出现几率<1% 。受害状况毁灭性灾难。表现为: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。电影《龙卷风》(Twister)中将F5级龙卷风称为“上帝之指”,意指上帝用其手指翻弄地球。总之,其横扫之处无所幸免。

 

八、龙卷风的预防措施

      1、多种树,如沿海红树林。

      2、卫生预警,及时撤离人员。

      3、加固房屋,包括建造地下掩体。

 

九、怎样躲避龙卷风的侵袭

      龙卷风是一种威力非常强大的旋风,多发生在春季。龙卷风往往来得十分迅速、突然,还伴有巨大的声响。它的破坏力极强,能够把所经过地区的沙石、树木、庄稼,甚至海中的鱼类、仓库中的货物卷入高空,对人民的生命财产威胁极大。在龙卷风袭来时,怎样有效地保护自己呢?

      1、卷风袭来时,应打开门窗,使室内外的气压得到平衡,以避免风力掀掉屋顶,吹倒墙壁。

      2、在室内,人应该保护好头部,面向墙壁蹲下。

      3、在野外遇到龙卷风,应迅速向龙卷风前进的相反方向或者侧向移动躲避。

      4、龙卷风已经到达眼前时,应寻找低洼地形趴下,闭上口、眼、用双手、双臂保护头部,防止被飞来物砸伤。

      5、乘坐汽车遇到龙卷风,应下车躲避,不要留在车内。

 

案例

     2003年7月8日 当夜11时30分左右,一股强龙卷风袭击了无为县百胜镇和六店乡的6个行政村,造成了人员和财产的严重损失。据初步摸查,这次灾害造成16人死亡,162人受伤,1072间房屋倒塌,2000多亩农田受灾。

      2005年7月30日灵璧,当日中午12时40分,灵璧县突遭龙卷风袭击,造成15人死亡。受到龙卷风影响的乡镇包括韦集、向阳、虞姬、灵城等,其中韦集镇灾情较为严重,该镇工业园区一厂房在龙卷风中发生倒塌,数名工人死亡;韦集中学数名参加暑假补课的初一学生被龙卷风刮倒的房屋砸中死亡。

      2006年6月29日泗县,当天早上6时45分左右,一场中心风力在12级以上的龙卷风袭击了泗县长沟镇,大风吹毁6间教室,朱彭小学提前到校的小学生中两人当场死亡,44名学生和2名老师受伤。受此次强对流天气影响,泗县山头、屏山、瓦坊、大庄等乡镇也造成了严重的经济损失。

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