龍捲風
龍捲風都是在路地上經過而海龍捲都是在水面上型成及運行的。龍捲風是大氣中最猛烈的大氣風暴,旋轉速度約480公里,有時甚至可達到 800公里,相當的驚人。北半球一般是反時鐘旋轉的,少有順時鐘的。若有兩個龍捲風生成時,一個會是反時鐘旋轉,一個會是順時鐘的。龍捲風最明顯的特徵是有從猛烈的雷暴積雨雲向下生成漏斗雲,而從照片中龍捲風留下的圓形痕跡發現龍捲風的襲擊,並非單憑風力猛擊,它的作用像一個大吸杯,環繞著中心旋轉的還有幾個小吸杯。所以龍捲風經常是成群成串的發生的,有時從同一雲底伸出幾個龍捲風,這我們在影片"龍捲風"也有發現,它運動方向通常是由西南到東北。
海龍捲和龍捲風一樣,也經常成群成串的發生,其進的速度大概為60-80公里,海龍捲是把水面提高幾公尺而不是把海水吸上來,在旋管的下部常有水花繞著旋轉,大部分的海龍捲都是比較小和短命的,能登陸的都是強海龍捲,以前以為可以用砲彈來使海龍捲消失,不過這是沒有科學根據的。海龍捲多發生在熱帶或副熱帶水面的,很少被觀察到,而且觀察也比在路上困難多了,因此我們對海龍捲機制並不是很瞭解。
根據大氣渦旋的動力學,渦旋形成必須要有兩個條件:
1:無論有沒有凝結潛熱的影響,都有一層厚的不穩定層。
2:有渦度存在
前者由於不穩定加強了上生氣流上生氣流,又被水平符合的空氣所代替而產生了會合,後者在空氣符合成較小的半徑時,為發展較強的切向速度而提供了能源,當不穩定層很淺時較產生小而弱的旋風對於穩定狀態的圓的渦旋可以導出兩個解:
1:中閒有下沈運動外部有上生運動的雙環形。
2:單環形。
也有可能有其他解,但是他們都具有以下一些共同的特徵:
1:最大的垂直速度與穩定度因子成比例,在不穩定層中隨高線性的增大。
2:最大切向速度與角動量和穩定度因子的憑方根成正比,與渦度的黏滯係數成平方根成反比,後者一般與高度無關。
3:最大切向的方的半徑與渦度黏滯係數繩被穩定度因子所除的憑方根成正比。
4:最的切向風半徑以外的切向器流其半徑與速度的乘積為一常數。
所以動力學模式的理論結果和實際觀測結果十分一致,另外還有向下發展的理論、渦度收縮理論、強局地風暴理論、電學理論。
龍捲風的外貌與分類
龍捲風的漏斗雲理事由小水滴所形成的,小水滴聚合在一起形成圓筒狀而且向下變小變細,裡面還包括有很濃厚的灰塵、碎片等雜物,這就是為什麼漏斗雲看起來是黑色的原因,但若水氣多的話,則龍捲風吸收水氣而增強,漏斗雲形狀變大,所以即是一個小龍捲風也能成為強龍捲方風,若掄氣勢乾燥的,那濃捲風就很難再增長,漏斗雲形狀只是龍捲風的外型,通常漏斗雲的直徑只是真正龍捲風的直徑的十分之一大而已,所有真正恐怖的我們並沒有見到,他是躲起來的,下圖是龍捲風大概的外型 及結構。在地面層上,氣流不斷從各個方向流入旋轉區,這層地面層大概約幾十公尺左右。在旋轉轉彎氣流向上並繞著軸心旋轉,此區的特徵是碎物灰塵不斷地升起且不斷的向外噴出。而氣流大概在雲底上輻合。
(1)微弱龍捲風
通常風速在每秒18-25公尺之間,典型的微弱龍捲風只有一個長而狹小的漏斗雲,其倒圓錐 狀的漏斗雲底端並沒有接觸到地面,垂直風速也不強,在軸心處垂直風速達到最大,這是最常發現的 龍捲風,若周圍有雨幕的產生表示此龍捲風快結束了。
(2)強烈龍捲風
強烈龍捲風通'常有一很明顯的柱狀漏斗雲,渦旋也很強,所以地面會有劇烈的天氣現象,最大垂直風速並不是在軸心上,而是在環繞在圓柱的邊界上,向軸心慢慢遞減,這一點和微弱龍捲是不 同的,有時圓柱狀內生成吸力的渦旋,這一點會讓人覺得軸心的風速是最強的。
(3)超級龍捲風
在其中心有一類似颱風眼的清楚的環形平靜區,強烈龍捲風也有,只是沒有像超級龍捲風這 麼明顯,且明顯不明顯也關係到一些機制而影響著龍捲風的強弱在龍捲風眼內,空氣的流動是向下的, 因為超級龍捲風內部是一個非常強的低壓,當龍捲風眼經過某一地區時,空氣為了適應壓力的突然改變 而使得氣流下沉移動快速,因空氣的質量保守所以在龍捲風內地面的氣流是向外輻散的,然後此向外輻 散的氣流在地面上碰到向內輻合到中心的氣流,兩者結合而又轉向,變成向上的類似微弱龍捲風的上升 氣流且環繞在龍捲風眼旁,因為氣流是往各個方向移動所以會有好幾個漏斗雲出現,而這幾個漏斗雲也 常環繞著龍捲風眼旋轉。下圖為超級龍捲風大概外型的描繪,圖中有三個副渦旋圍繞著中央並匯集成大 漏斗雲狀(condensation funnel),而平常我們都只能看到其覆蓋在外的灰塵遮蔽物(dust shroud),同 時超級龍捲風也在地面上造成二次渦旋(secondary vortices),牽動地面附近的氣流。
1996年8月7號在九份所拍攝到的龍捲風照片
龍捲風的型態很像颱風
我們一直無法明白龍捲風結構,因為危險度極高而不易接近,又龍捲風是產生在積雨雲的下 方,所以也無法由上面來觀測,科學家利用都卜勒雷達取得的龍捲風反射強度水平分布圖十分類似颱風型態,只不過颱風的規模比較大。
龍捲風中心的反射強度比較弱,很像平靜晴朗的颱風眼,其實周圍是具有強烈反射波的甜甜圓形環狀,這是被中心強風吹散的砂土和破片,相當於颱風眼四周的巨型積雨雲群,環外的旋臂是由被巨型積雨雲輻合的周圍氣流吹動的砂土和破片形成,等於颱風的暴雨帶。
由超級氣囊產生的龍捲風基本上有兩種型態,其中之一是超級氣囊成長到極盛期之前,龍捲風中的上升氣流就像吸塵器般吸進地面上各種物質,這稱為上升氣流型「吸進型」。此時砂土、破片等集中在龍捲風下端,環繞龍捲風中心的空氣受離心力影響,中心氣壓因此下降。極盛期過後,上層積雨雲與中心之間的氣壓差加大,氣流便向下逸出,這是下逸氣流型「噴出型 」。
中心的下逸氣流碰撞地面後便向四周分散,和前面所討論的一樣,與超級氣囊輻合的氣流相碰,為此在距離龍捲風中心數百公尺處形成甜甜圓形環狀上升氣流區,由龍捲風吹出的強風吹動飛揚的砂土和破片,還會被輻合於甜甜圓形環內並一起上升,此狀況常會形成巨型龍捲風。
經雷達觀測到的甜甜圓形環的強烈反射波,可知龍捲風是下逸氣流型的,且是向左旋轉的,在地面近處由中心向外噴出的氣流動態。又由垂直截面圖發現下方中心的氣壓較深厚,這是下逸氣流正在成長的情形。
熱島效應
由資料的顯示,龍捲風很少移近大城市,科學家認為這些地區有「熱島」,能抵擋龍捲風,他們做了一個實驗,這是在芝加哥大學所做的實驗,在實驗室裡製造一個龍捲風,而在示範「熱島」時,拿一些普通石頭代替一個市中心。石塊加熱後,發現它使接踵而來的龍捲風緩和下來,有時是令龍捲風在消散前或左或右的改變方向,有時候一接觸就把龍捲風給打散掉了。所以在龍捲風常出現的地區,大城市的龍捲風地帶範圍很明顯。推測統計要形成「熱島」,人口至少要有四百萬,所以慢慢的很多城市將會有熱島效應而遭受龍捲風襲擊的機會將大大的減低。但根據最近的統計,在美國、日本及其他的主要工業國家,龍捲風出現的次數都有迅速增加的傾向,襲擊城市近郊地區的龍捲風,似乎也越來越多了。