龙卷风科学研究风险很高，而且技术含量越来越高

本文最初刊登于《Knowable Magazine》。

1986 年 7 月的一个闷热的日子，一架新闻直升机正在拍摄明尼阿波利斯的一个节日，飞行员和摄影师瞥见了附近布鲁克林公园上空的龙卷风。他们向龙卷风飞去，拍摄了 25 分钟的强大龙卷风，让电视直播的观众如痴如醉。

当时在明尼阿波利斯长大的罗宾·塔纳马奇 (Robin Tanamachi) 看着直升机在距离龙卷风约半英里的地方盘旋。“我们看到了这些非常美丽的内部涡旋结构，”她说。“我完全被它迷住了，我知道我不是唯一一个。”如今，塔纳马奇是印第安纳州西拉斐特普渡大学的一名研究气象学家，也是众多深入研究龙卷风之谜的研究人员之一，他们正在寻找有关龙卷风形成的细节，以支持未来的预测。

龙卷风可能是难以捉摸的研究对象。通过追踪风暴和使用计算机模拟，科学家们已经找出了形成龙卷风的基本要素，但两个关键问题仍然困扰着他们：为什么有些雷暴会形成龙卷风，而其他的却不会？龙卷风究竟是如何形成旋转的？

尽管这项工作在后勤和科学上都极具挑战性，但科学家们仍积极尝试：龙卷风每年在美国可造成数十至数百人死亡，并造成数十亿美元的损失。现在，研究人员正在利用尖端技术追踪引发龙卷风的致命风暴，将无人机飞入风暴中，并利用比以往更强大的计算能力来模拟风暴以寻找答案。

“今天，我们以前所未有的空间分辨率模拟大气。我们以前所未有的时间和空间分辨率观察风暴，”诺曼俄克拉荷马大学的大气科学家 Howie Bluestein 说道。“但仍有许多问题和许多事情需要解决。”

通过研究周围大气和地面上发生的事情，以及将实地发现的情况与产生龙卷风的新型高分辨率雷暴模型进行比较，科学家可能会找到龙卷风形成的新线索。研究人员在追寻这些新线索的同时，也在试图了解气候变化如何影响龙卷风形成的时间和地点。

追寻答案

自从科学家在 20 世纪中叶开始认真研究龙卷风以来，他们已经总结出形成龙卷风所需的步骤。大多数破坏性龙卷风都是由超级单体雷暴引发的——这种巨型雷暴通常具有非常高的云层，顶部呈铁砧状。超级单体雷暴的特点是存在一个长达数公里的旋转上升气流，称为中尺度气旋，可以持续数小时。这种旋转来自风切变，风切变使靠近地面的风像螺旋形足球一样水平旋转。然后这些风在上升气流中垂直定向，就像一个旋转的陀螺。

超级单体要变成龙卷风，需要满足以下两个条件：首先，风暴中心的巨型中尺度气旋需要让空气旋转得更靠近地面。然后，这个涡旋需要向上伸展。伸展会收紧龙卷风的足迹，加快其旋转速度，类似于花样滑冰运动员在旋转时收紧手臂的情况。

科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的大气科学家理查德·罗通诺 (Richard Rotunno) 表示，有关龙卷风物理学的第一个线索来自二手信息和损失报告，当时科学家们试图弄清楚什么样的风能够吹倒谷仓或吹掉鸡的毛。罗通诺是 2013 年《流体力学年度评论》中龙卷风流体动力学概述的作者。

20 世纪 50 年代修建的州际公路系统在平坦的大平原上形成了一个网格，让有进取心的科学家能够走在风暴前，有时还能直接观察龙卷风。气象学多普勒雷达的发展带来了一大进步。通过发射能量脉冲并检测反射信号，该技术可以获取有关风和降水的信息。雷达可以探测中尺度气旋，这成为龙卷风预报的基础，也是追逐者的福音，他们会定期在付费电话亭前停下来，给实验室打电话，获取最新的雷达情报。

但雷达无法捕捉到科学家们所寻找的所有线索，例如风暴中那些让风移动的无形力量，因此他们转向模拟风暴物理的模型，宾夕法尼亚州立大学帕克分校大气科学家保罗·马尔科夫斯基说。“在计算机模拟中，我们拥有所有这些力量。”

第一个超级单体三维模拟是在 20 世纪 70 年代创建的，它帮助科学家研究上升气流和下降气流的结构以及降水如何演变。随着模型的不断改进，它们揭示了上升气流可以将旋转的空气区域变成超级单体中巨大的中尺度气旋。这些模型还显示了北半球的雷暴如何分裂成左单体和右单体，而右单体更有可能导致恶劣天气。这些模型最终重现了在实际超级单体中观察到的行为，并提供了有关较冷空气区域（称为冷池）如何通过缩短龙卷风形成所需的时间来影响龙卷风形成的线索。

这些模型的分辨率相对较低，但随着计算能力的提高，模拟开始捕捉超级单体的更多细节，研究人员也努力真实地捕捉雨、雪和冰雹的影响。尽管如此，分辨率仍然只有几百米，对于捕捉龙卷风来说太大了，龙卷风的宽度往往接近 20 米。

雷达也变得越来越好，越来越快，研究人员开始用卡车将其带到现场。1994 年，许多希望了解龙卷风旋转来源的科学家开始了一项名为“龙卷风旋转起源验证实验”（VORTEX）的多年活动。他们使用各种设备追踪风暴，包括装有传感器的气象气球和装有仪表的汽车，这些汽车可以在超级单体内测量温度、压力和风速。但科学家们认为他们需要进一步观察，因此在 2009 年推出了 VORTEX-2。“我们从 VORTEX-2 得到的最大启示是，你不能仅根据雷达上的样子或附近的气象气球显示的情况来判断风暴是龙卷风还是非龙卷风，”Tanamachi 说。

随后，科学家们开展了其他实地活动，但仍然没有明确回答为什么有些超级单体雷暴会形成龙卷风，而其他雷暴却不会发展成为中尺度气旋。现在，他们正在寻找新的策略和工具来填补故事的其余部分。

派遣无人机

尽管龙卷风的翻腾十分戏剧化，但龙卷风的中心可能并不是答案所在。“把一些东西带入龙卷风中——这可以成为很好的电视节目，但实际上它并没有告诉我们很多信息，”马尔科斯基说。“它告诉我们那里风很大，气压很低。”

相反，科学家们正在使用新工具从环境中收集线索，这些线索可以帮助他们从非龙卷风中筛选出龙卷风超级单体。“关于云层下方大气结构（温度、压力、风）的详细数据基本上不存在，”罗通诺说。研究人员开始将无人机飞入风暴中以捕捉这些观测结果。

无人机可以在比汽车更高的高度进行详细测量。与气象气球不同的是，它们可以跨越不同气压或空气密度的风暴区域之间的边界。“我们认为它们很重要的原因是龙卷风往往在这些边界上形成，”内布拉斯加大学林肯分校的大气科学家亚当·休斯顿说。自 2019 年以来，休斯顿和他的同事一直在将无人机观测与雷达和其他技术结合起来，作为 TORUS 项目的一部分。现在，休斯顿的团队正在深入研究数据，寻找风暴中的趋势，以了解这些相对较小的特征是否会影响龙卷风的形成。

科学家们还在收集龙卷风形成地附近情况的信息。建模和观测都表明，龙卷风速度最高的地方就是那里。空气与地表的相互作用（如丘陵和森林等特征）可能在龙卷风的形成和加剧中发挥着作用，但由于光束的几何形状，雷达往往会错过地面上方至少一百米的距离。哥伦布俄亥俄州立大学的大气科学家 Jana Houser 希望更多地了解这一差距中发生的事情。

Houser 的团队追踪风暴，记录龙卷风随时间变化的雷达测量数据。然后，他们寻找这些数据与风暴席卷的地形和表面粗糙度之间的联系。他们发现，在大多数情况下，地形的变化会影响吸入龙卷风的空气，从而改变龙卷风的强度。这可能是一个重要的线索，但很难解开。“问题是，”Houser 说，“有时同一种类型的事件在一种情况下会导致龙卷风加剧，而在另一种情况下，它会导致龙卷风减弱。”

马尔科夫斯基表示，研究人员对这些风暴的理解和预测可能存在局限性。“说到龙卷风，我认为我们面临的是混乱。”大气中到处都有微小到无法测量的扰动，它们可能会影响龙卷风的形成。马尔科夫斯基和其他科学家开始使用机器学习来帮助更好地预测这些风暴的行为。

寻找转折点

几十年来，围绕龙卷风的另一个大问题一直是：“我们真的不明白龙卷风的旋转最终来自哪里，”豪瑟说。超级单体中尺度气旋的旋转空气在开始垂直旋转时太高了；风暴需要更靠近地面的额外旋转才能变成龙卷风。她说，关于这种近地面旋转的来源至少有三种假设，而且在任何特定的龙卷风中，可能有多种机制在起作用。

一种假设是基于摩擦力如何减缓地面附近的空气流动。高海拔地区的空气流动速度更快，在速度较慢的空气上翻滚，开始像桶一样滚动。这个想法是，当这种旋转的空气被吸入上升气流时，它可能会直立起来。其他假设指向与降水和冷却空气有关的下沉气流。冷空气和邻近较暖空气之间的密度差异会产生促使旋转的气流。观测和模型都支持这一想法，并指出了可能发生这种情况的风暴的不同区域。

在这两种情景中，可能还会有许多较小的旋转空气囊合并，形成一个足以产生龙卷风的区域。高分辨率风暴模拟为这一理论提供了新的支持。

大多数以较粗分辨率工作的模型实际上无法看到模拟的龙卷风，而是根据旋转较多的空气区域来推断。威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家 Leigh Orf 利用超级计算的进步，建立了 10 米分辨率的模型，可以直接模拟龙卷风。Orf 说，在这个尺度上，湍流变得生动起来。他的模型揭示了小的旋转区域如何结合在一起引发龙卷风。“它完全解决了非龙卷风涡旋的合并方式，这种合并方式非常引人注目，我从未见过，”他说。

模型还可以提供在现场寻找的行为的线索。Orf 的模型帮助他和他的同事探索了一种他们称之为流向涡度流（SVC）的特征——一种位于风暴一侧的旋转空气尾，可能会放大地面附近的空气旋转。其他科学家现在已经在实际的龙卷风超级单体中观察到了这一特征。

目前，现实世界中还没有对自转合并进行观测，但这种现象可能即将出现。美国雷达系统改造计划将采用新一代速度更快的雷达，这种雷达可以捕捉到瞬间形成的特征。“我非常有信心，我在模拟中看到的东西最终会在大气中被探测到，就像 SVC 一样，”Orf 说。

高风险

龙卷风研究的范围已从大平原扩展到美国东南部，原因是那里致命的风暴和日益频繁的龙卷风活动。2011 年 4 月中旬，一连串龙卷风袭击该地区，造成 300 多人死亡。“这是自 1974 年超级龙卷风以来有记录以来规模最大的一次龙卷风爆发，”Tanamachi 说。这促使 2015 年发起了另一项活动，即 VORTEX-SE，以研究那里的龙卷风，但事实证明这项工作很困难。

Tanamachi 的团队发现，东南部的大气条件不仅与大平原不同，而且观测龙卷风也更加困难。丘陵地带阻挡了风暴的视线，使风暴追踪工作陷入困境。相反，研究人员必须预测龙卷风可能形成的位置并蹲守在那里。有一次这种方法在 VORTEX-SE 期间发现了龙卷风，但雷达被一片树林挡住了。

科学家们对其他地方的龙卷风的了解，大部分都不适用于东南部，因为那里发生的许多龙卷风不是由超级单体引发的。相反，它们是由一条被称为风暴线的风暴线发展而来的。“我们不知道这些是如何形成的，”拉伯克德克萨斯理工大学大气科学家约翰内斯·达尔说。虽然这些龙卷风通常比超级单体龙卷风弱，但它们仍然会造成破坏和死亡。

尽管面临挑战，了解东南部的龙卷风仍然是当务之急，尤其是在过去四十年左右，该地区的龙卷风活动不断增加。达尔说，目前尚不清楚这是由于气候变化还是其他原因，例如众所周知的厄尔尼诺现象。不过，研究人员已经开始发现一些与气候有关的趋势。回顾美国 60 年的龙卷风数据，我们发现，虽然龙卷风的数量没有变化，但发生多起龙卷风的天数有所增加。气候变化似乎在以牺牲其他因素为代价的情况下助长了龙卷风的一些形成因素。但豪瑟说，似乎在龙卷风的好日子里，条件非常有利。

随着模型越来越强大、美国雷达系统可能升级以及机器学习的帮助，研究人员将继续探索龙卷风的内部运作方式。“尽管该领域的研究已经进行了几十年，”达尔说，“但似乎总是有惊喜。”

即便在研究龙卷风 20 年后，豪瑟仍然对能够亲眼目睹龙卷风的景象感到“兴奋不已”，最好是在不会摧毁人们家园的田野上。“龙卷风的美丽与它造成的动荡、强度和暴力之间存在着一种奇怪的矛盾，”豪瑟说。“它们太神秘了。”

本文最初发表于《Knowable Magazine》，这是《Annual Reviews》旗下的独立新闻机构。请订阅新闻通讯。