災難大片《龍卷風》于近日在北美和内地同步上映，作為氣象學子，筆者也在第一時間走進影院一探究竟。好萊塢大片制作精良，特效震撼，節奏緊湊，觀影體驗“自然是極好的”。
不過，影片對龍卷風的背景知識介紹稍顯不足，相關情節對于非氣象領域的觀衆而言，可能會有些摸不着頭腦。是以，打算觀影的朋友們，不妨将本文作為觀影指南，讓你在享受視覺盛宴的同時，也能收獲滿滿的科學知識！
電影一開場，主角們就投身于一場緊張刺激的科學實驗，他們試圖将一種超強吸水聚合材料引入龍卷風之中，效仿紙尿褲吸水的方式，通過減少大氣中的水汽來削弱龍卷風。然而，現實是否真的如此簡單？
要對這個問題做出科學判斷，我們首先得對龍卷風有個基本的了解。
沒有雷暴雲，就沒有龍卷風
在氣象學中，龍卷風被定義為一種強烈的、小範圍的空氣渦旋，它是由雷暴雲底伸展至地面的漏鬥狀雲所産生的強烈旋風。
龍卷風的形成（圖檔來源：Wallpapersden）
龍卷風絕不會在風平浪靜的場景中出現，它總是在鋪天蓋地的雷暴雲下“粉墨登場”，其恐怖景象令人身心震顫。而孕育龍卷風的雷暴雲也被稱為“母雲”，是以沒有雷暴雲，龍卷風也無處可生。
雷暴雲是在大氣發生強烈對流活動的情況下産生的。大氣中的對流活動，簡單可以了解為暖空氣的上升和冷空氣的下沉。其中，暖空氣在上升過程中，攜帶的水汽由于環境溫度的下降會發生相态變化，從氣态水液化凝結為水滴冰晶等，進而形成積雨雲，産生降水等天氣現象。而在強烈的對流活動下，積雨雲會進一步發展為其“Pro”版本——伴有電閃雷鳴的雷暴雲。
電閃雷鳴的雷暴雲（圖檔來源：getwallpapers）
大氣要發生強烈對流，需要同時滿足以下三個條件：一是具有低層暖濕、高層幹冷的不穩定大氣層結條件；二是大氣低層有充足的水汽條件，這是對流活動的必需“燃料”；三是存在擡升觸發機制，觸發對流活動的開始。當這三個條件同時滿足時，強對流天氣一觸即發，遮天蔽日的雷暴雲就能夠在短時間内形成。
雷暴雲中，水準風速風向的垂直變化（即垂直風切shear）顯著。這種變化會讓氣流在上升時發生旋轉，形成水準渦管，就像我們将雙手一上一下放置，往不同的方向搓橡皮泥，将其塑成長條一樣。同時，由于上升氣流強度不均，有的地方上升強，有的地方上升弱，導緻渦管在旋轉時會發生傾斜。當渦管一端伸到雲底之下，就形成了中尺度渦旋，而中尺度渦旋一旦接地，就意味着龍卷風正式形成。
龍卷風的形成原理（圖檔來源：eschooltoday）
是以，判斷龍卷風能否形成，關鍵兩步：一看大氣是否會出現強對流天氣，二看雷暴雲中風速的垂直變化能否滿足龍卷風的形成條件。但究竟哪朵雷暴雲能孕育出龍卷風，仍是科學界的一大難題。
美國有個“龍卷風走廊”
龍卷風這一大氣中的劇烈渦旋現象，猶如抽動的陀螺，對它來說平原地區就是它的最佳舞台。
在大陸，龍卷風偏愛大陸東部平原地區，尤其是長江中下遊地區。龍卷風發生頻率從東部沿海到西部内陸逐漸減少，其中江蘇與廣東最多，年均分别遭遇4.8個和4.3個龍卷風的侵襲。
從全球視角來看，中緯度地區是龍卷風的主要舞台，北美、歐洲、俄羅斯、中國、日本及澳洲等地每年均會出現龍卷風活動。其中，美國以其每年高達全球75%的龍卷風發生量，被稱為“龍卷王國”。依據2000-2020年的統計資料，美國平均每年記錄到高達1141個龍卷風。
美國絕大部分的龍卷風發生在中部的大平原，這裡是著名的“龍卷風走廊”。這個走廊從美國德州往北一直到加拿大，其西側受落基山脈影響，氣流過山之後容易形成“高層冷低層暖”的不穩定大氣層結，配合加拿大北部來的冷空氣和墨西哥灣來的暖濕空氣，在中部寬闊的大平原上非常容易形成狂風、暴雨、冰雹和龍卷風等異常強烈的對流天氣系統。正因如此，“龍卷風走廊”不僅成為了氣象學家研究的熱點，也是《龍卷風》電影的理想取材之地，銀幕上那些震撼人心的龍卷風場景的拍攝靈感，大多源自這片盛産龍卷風的“搖籃”。
美國龍卷風走廊形成龍卷風的機理示意圖，紅色陰影區域為龍卷風走廊位置 （圖源：wordpress，本文作者漢化）
令人震撼的是，2021年12月10日，這條走廊上短時間内竟然同時上演了61場龍卷風的“集體秀”，給周邊居民帶來了前所未有的威脅與挑戰。
2021年12月10日美國中部衛星圖檔，圖中藍色亮光表示觀測到的龍卷風（圖檔來源：NOAA）
怎麼判斷龍卷風的破壞力？需要這個指數
龍卷風的影響就像一台巨型吸塵器。龍卷風中風速快得驚人，據NOAA氣象研究員報道，最強大的龍卷風風速超過了每小時483公裡。要知道，2022年4月21日，大陸兩列“複興号”列車創下了高鐵動車組相對交會時速870公裡的世界新紀錄，單列列車的時速也僅才每小時435公裡。可想而知，龍卷風中這樣高的風速，瞬間就能将物體撕裂。強風賦予了龍卷風強大的吸力。伯努利方程告訴我們，風速增加，氣壓就降低。是以，高速旋轉的龍卷風中心氣壓遠低于四周，産生的巨大氣壓差将周圍物體吸入其中。
2003年6月南達科他州曼徹斯特龍卷風的地表壓力分布（圖檔來源：Prevatt等人，2012）
龍卷風的威力如何衡量？國際上主要看風速和破壞力，采用增強型藤田指數（EF級）來對龍卷風進行定級。這個标準由日裔美籍科學家藤田哲也創立，他一生緻力于解開龍卷風的謎團。EF級從0到5，共6個等級，每個等級對應不同的風速和破壞程度。比如：
- EF0級：風速小于33米/秒，輕微破壞，如樹枝折斷。
- EF1級：風速33-49米/秒，中等破壞，屋頂材料可能被掀起。
- EF2級：風速50-69米/秒，較大破壞，木闆房屋頂、牆壁都可能被吹跑。
- EF3級及以上：風速更高，破壞力極大，重型汽車都能被刮跑！
龍卷風的定級過程非常複雜，需要現場調查、氣象觀測資料、衛星和雷達圖像等多方資訊綜合判斷。發生後，氣象部門和災害評估機構會迅速行動，收集資料，依據标準進行評估和定級。
大陸有記錄的最強龍卷風是EF4級，發生在2016年6月的江蘇阜甯。而EF5級龍卷極為罕見，經常發生龍卷風的美國一年也未必能見到一次。最近的一次EF5級龍卷還要追溯到2013年5月20日，當時美國俄克拉荷馬州遭遇緻命龍卷風，造成至少24人死亡，财産損失估算超過35億美元。
如何對龍卷風進行預報？
在目前的科技水準之下，預報龍卷風仍是全球難題。
首先，我們的觀測網太“粗糙”。強對流和龍卷風的空間尺度小，例如龍卷風的平均水準尺度僅為一百米左右，而大陸自動氣象站的分布距離平均為幾十千米。用這樣的觀測網來監測龍卷風活動，就好比用大網撈小魚，“捕撈”難度可想而知。再說，龍卷風來也匆匆去也匆匆，平均生命周期短則幾分鐘，最長也不超過一小時，還不等人們深入了解它，就消失得無影無蹤了。此外，龍卷風的形成涉及多個複雜的氣象因素和互相作用，這些因素互相影響、變化無常，讓龍卷風的形成和發展充滿變數，預測起來難上加難。
準确預報龍卷風是時間和智慧的雙重挑戰。在有條件的情況下，當有很強的雷暴雲出現時，氣象局會派出多普勒雷達車或是移動氣象觀測站，直奔雷暴雲現場進行實地觀測。移動氣象觀測站是一種內建了多種氣象傳感器的便攜式氣象監測裝置。可以實時監測風速、風向、溫度、濕度、氣壓等氣象要素，并通過無線通信将資料傳輸到氣象中心或相關部門，進而對龍卷風的未來活動作出判斷。
監測龍卷風的移動氣象觀測站（圖檔來源：NOAA）
目前，我們對強對流天氣的預報提前量能做到兩個小時，而對龍卷風的預報，全世界預報水準最先進的美國也隻能提前10-15分鐘預報，時間雖不長，但也足夠人們采取相應的避難措施。
對于龍卷風預報而言，甯可信其有，也不要拿自己的生命安全做賭注。近幾十年來，由于多普勒雷達的發展，計算機模型的改進，美國在2003年至2017年期間針對約87%的緻命龍卷風都提前發出了警告，提升了公衆應對龍卷風災害的能力。
美國龍卷風年平均預報提前量為11.6分鐘 (圖檔來源：AGU)
人類能夠“消滅”龍卷風活動嗎？
通過野外觀測、實驗室模拟實驗和計算機數值模拟等多種研究手段，人們對龍卷風的發生與消失機理有了不斷深入的認識。那麼，基于現有知識，人類能否幹預龍卷風的活動呢？
從理論層面探讨，确實存在影響龍卷風活動的可能性，其核心在于幹預龍卷風形成所需的關鍵大氣條件，如暖濕氣流、垂直風切變等。理論上，通過調節這些條件，可以在一定程度上影響龍卷風的生成與發展。除了電影中通過在龍卷風經過途徑上放置強吸水物質，以此減少龍卷風體内大氣水汽含量這一設想外，還有一些更為激進的想法，如利用爆炸性飛彈來改變垂直風切變環境，或是直接幹擾已形成的龍卷風氣流結構。
然而，将這些理論構想付諸實踐卻面臨重重挑戰。首先，技術的可行性與實際效果之間存在巨大不确定性。大氣系統複雜多變，人為幹預可能産生不可預測的後果，甚至可能加劇災害而非減輕其影響。其次，從成本效益分析來看，這些方法的實施成本高昂，且未必能帶來顯著成效，更為關鍵的是，在人口密集區域實施此類高風險操作，如發射飛彈，将直接威脅到公衆安全，可能引發新的災難性後果。此外，龍卷風活動具有高度的突發性和短暫性，如何在短時間内準确判斷并有效實施幹預措施，也是一個巨大的難題。
盡管目前還無法直接“馴化”龍卷風以消除其破壞力，但科學家和工程師們已經開始探索如何在一定程度上“利用”龍卷風所蘊含的巨大能量，為人類社會帶來清潔、高效的能源解決方案。通過模拟龍卷風形成的原理，人們試圖在可控的環境下創造出類似龍卷風的強大氣流，進而利用這些氣流中的動能轉化為電能。位于德國斯圖加特的梅賽德斯-奔馳博物館擁有“世界上最強大的人造龍卷風”裝置，其高度達到了34.13米，雖然其主要功能并非用于能源發電，但其成功模拟出如此巨大的龍卷風，無疑為“人造龍卷風”能源發電的設想提供了有力的實踐支援和技術驗證。
世界上最大的人造龍卷風（圖檔來源：Pinterest）
面對龍卷風威脅時，人類還是過于渺小，和影裡的主角們的應對方法一樣，我們應牢記“躲、逃、趴”的三字避難原則：
1. “躲”字當先：與其他強對流天氣不同，發現龍卷風時，最佳的應對政策就是迅速躲避。如果條件允許，躲進地下室将是最安全的選擇。
2. 向相反方向逃避：在野外遭遇龍卷風時，應迅速向龍卷風前進的相反方向或垂直方向移動，以尋求躲避。切記避免躲進車庫、木質建築物等危險區域。
3. 尋找低窪地段趴下：如果龍卷風已經逼近，應立即尋找低窪地形趴下，降低重心，抓緊牢固物體，緊閉口、眼，用雙手和雙臂保護頭部，以防被飛來物砸傷。
參考材料：
[1] 胥蓓蕾,趙世浩,邱鵬輝,等.大陸龍卷風災害風險區劃研究[J].建築結構, 2024, 54(2):110-114.
[2] Prevatt D O , Lindt J W V D , Back E W ,et al.Making the Case for Improved Structural Design: Tornado Outbreaks of 2011[J].Leadership & Management in Engineering, 2012, 12(4):254-270.DOI:10.1061/(ASCE)LM.1943-5630.0000192.
[3] http://qxqk.nmc.cn/html/2021/11/2021
1102.html
[4] https://eschooltoday.com/learn/how-do-tornadoes-form/
[5] https://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Nssl0311_-_Flickr_-_NOAA_Photo_Library.jpg
[6] https://blogs.agu.org/wildwildscience/
2014/09/03/perspective-accuracy-meteorologists/
[7] https://www.pinterest.com/pin/the-worlds-strongest-manmade-tornado--363243526165025730/
[8] https://www.thepaper.cn/newsDetail_
forward_17767537
作者：陳可鑫
作者機關：中國科學院大氣實體研究所