往空中丢一堆纸尿裤，是不是就能“消灭”龙卷风？
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灾难大片《龙卷风》于近日在北美和内地同步上映，作为气象学子，笔者也在第一时间走进影院一探究竟。好莱坞大片制作精良，特效震撼，节奏紧凑，观影体验“自然是极好的”。
不过，影片对龙卷风的背景知识介绍稍显不足，相关情节对于非气象领域的观众而言，可能会有些摸不着头脑。因此，打算观影的朋友们，不妨将本文作为观影指南，让你在享受视觉盛宴的同时，也能收获满满的科学知识！
电影一开场，主角们就投身于一场紧张刺激的科学实验，他们试图将一种超强吸水聚合材料引入龙卷风之中，效仿纸尿裤吸水的方式，通过减少大气中的水汽来削弱龙卷风。然而，现实是否真的如此简单？
要对这个问题做出科学判断，我们首先得对龙卷风有个基本的了解。
没有雷暴云，就没有龙卷风
在气象学中，龙卷风被定义为一种强烈的、小范围的空气涡旋，它是由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云所产生的强烈旋风。
龙卷风的形成（图片来源：Wallpapersden）
龙卷风绝不会在风平浪静的场景中出现，它总是在铺天盖地的雷暴云下“粉墨登场”，其恐怖景象令人身心震颤。而孕育龙卷风的雷暴云也被称为“母云”，因此没有雷暴云，龙卷风也无处可生。
雷暴云是在大气发生强烈对流活动的情况下产生的。大气中的对流活动，简单可以理解为暖空气的上升和冷空气的下沉（想了解更多的“对流”相关知识可以点这里）。其中，暖空气在上升过程中，携带的水汽由于环境温度的下降会发生相态变化，从气态水液化凝结为水滴冰晶等，从而形成积雨云，产生降水等天气现象。而在强烈的对流活动下，积雨云会进一步发展为其“Pro”版本——伴有电闪雷鸣的雷暴云。
电闪雷鸣的雷暴云（图片来源：getwallpapers）
大气要发生强烈对流，需要同时满足以下三个条件：一是具有低层暖湿、高层干冷的不稳定大气层结条件；二是大气低层有充足的水汽条件，这是对流活动的必需“燃料”；三是存在抬升触发机制，触发对流活动的开始。当这三个条件同时满足时，强对流天气一触即发，遮天蔽日的雷暴云就能够在短时间内形成。
雷暴云中，水平风速风向的垂直变化（即垂直风切shear）显著。这种变化会让气流在上升时发生旋转，形成水平涡管，就像我们将双手一上一下放置，往不同的方向搓橡皮泥，将其塑成长条一样。同时，由于上升气流强度不均，有的地方上升强，有的地方上升弱，导致涡管在旋转时会发生倾斜。当涡管一端伸到云底之下，就形成了中尺度涡旋，而中尺度涡旋一旦接地，就意味着龙卷风正式形成。
龙卷风的形成原理（图片来源：eschooltoday）
因此，判断龙卷风能否形成，关键两步：一看大气是否会出现强对流天气，二看雷暴云中风速的垂直变化能否满足龙卷风的形成条件。但究竟哪朵雷暴云能孕育出龙卷风，仍是科学界的一大难题。
美国有个“龙卷风走廊”
龙卷风这一大气中的剧烈涡旋现象，犹如抽动的陀螺，对它来说平原地区就是它的最佳舞台。
在我国，龙卷风偏爱我国东部平原地区，尤其是长江中下游地区。龙卷风发生频率从东部沿海到西部内陆逐渐减少，其中江苏与广东最多，年均分别遭遇4.8个和4.3个龙卷风的侵袭。
从全球视角来看，中纬度地区是龙卷风的主要舞台，北美、欧洲、俄罗斯、中国、日本及澳大利亚等地每年均会出现龙卷风活动。其中，美国以其每年高达全球75%的龙卷风发生量，被称为“龙卷王国”。依据2000-2020年的统计数据，美国平均每年记录到高达1141个龙卷风。
美国绝大部分的龙卷风发生在中部的大平原，这里是著名的“龙卷风走廊”。这个走廊从美国德州往北一直到加拿大，其西侧受落基山脉影响，气流过山之后容易形成“高层冷低层暖”的不稳定大气层结，配合加拿大北部来的冷空气和墨西哥湾来的暖湿空气，在中部宽阔的大平原上非常容易形成狂风、暴雨、冰雹和龙卷风等异常强烈的对流天气系统。正因如此，“龙卷风走廊”不仅成为了气象学家研究的热点，也是《龙卷风》电影的理想取材之地，银幕上那些震撼人心的龙卷风场景的拍摄灵感，大多源自这片盛产龙卷风的“摇篮”。
美国龙卷风走廊形成龙卷风的机理示意图，红色阴影区域为龙卷风走廊位置
（图片来源：wordpress，本文作者汉化）
令人震撼的是，2021年12月10日，这条走廊上短时间内竟然同时上演了61场龙卷风的“集体秀”，给周边居民带来了前所未有的威胁与挑战。
2021年12月10日美国中部卫星图片，图中蓝色亮光表示观测到的龙卷风（图片来源：NOAA）
怎么判断龙卷风的破坏力？
需要这个指数
龙卷风的影响就像一台巨型吸尘器。龙卷风中风速快得惊人，据NOAA气象研究员报道，最强大的龙卷风风速超过了每小时483公里。要知道，2022年4月21日，我国两列“复兴号”列车创下了高铁动车组相对交会时速870公里的世界新纪录，单列列车的时速也仅才每小时435公里。可想而知，龙卷风中这样高的风速，瞬间就能将物体撕裂。强风赋予了龙卷风强大的吸力。伯努利方程告诉我们，风速增加，气压就降低。因此，高速旋转的龙卷风中心气压远低于四周，产生的巨大气压差将周围物体吸入其中。
2003年6月南达科他州曼彻斯特龙卷风的地表压力分布（图片来源：Prevatt等人，2012）
龙卷风的威力如何衡量？国际上主要看风速和破坏力，采用增强型藤田指数（EF级）来对龙卷风进行定级。这个标准由日裔美籍科学家藤田哲也创立，他一生致力于解开龙卷风的谜团。EF级从0到5，共6个等级，每个等级对应不同的风速和破坏程度。比如：
EF0级：风速小于33米/秒，轻微破坏，如树枝折断。
EF1级：风速33-49米/秒，中等破坏，屋顶材料可能被掀起。
EF2级：风速50-69米/秒，较大破坏，木板房屋顶、墙壁都可能被吹跑。
EF3级及以上：风速更高，破坏力极大，重型汽车都能被刮跑！
龙卷风的定级过程非常复杂，需要现场调查、气象观测数据、卫星和雷达图像等多方信息综合判断。发生后，气象部门和灾害评估机构会迅速行动，收集数据，依据标准进行评估和定级。
我国有记录的最强龙卷风是EF4级，发生在2016年6月的江苏阜宁。而EF5级龙卷极为罕见，经常发生龙卷风的美国一年也未必能见到一次。最近的一次EF5级龙卷还要追溯到2013年5月20日，当时美国俄克拉荷马州遭遇致命龙卷风，造成至少24人死亡，财产损失估算超过35亿美元。
如何对龙卷风进行预报？
在目前的科技水平之下，预报龙卷风仍是全球难题。
首先，我们的观测网太“粗糙”。强对流和龙卷风的空间尺度小，例如龙卷风的平均水平尺度仅为一百米左右，而我国自动气象站的分布距离平均为几十千米。用这样的观测网来监测龙卷风活动，就好比用大网捞小鱼，“捕捞”难度可想而知。再说，龙卷风来也匆匆去也匆匆，平均生命周期短则几分钟，最长也不超过一小时，还不等人们深入了解它，就消失得无影无踪了。此外，龙卷风的形成涉及多个复杂的气象因素和相互作用，这些因素相互影响、变化无常，让龙卷风的形成和发展充满变数，预测起来难上加难。
准确预报龙卷风是时间和智慧的双重挑战。在有条件的情况下，当有很强的雷暴云出现时，气象局会派出多普勒雷达车或是移动气象观测站，直奔雷暴云现场进行实地观测。移动气象观测站是一种集成了多种气象传感器的便携式气象监测设备。可以实时监测风速、风向、温度、湿度、气压等气象要素，并通过无线通信将数据传输到气象中心或相关部门，从而对龙卷风的未来活动作出判断。
监测龙卷风的移动气象观测站（图片来源：NOAA）
目前，我们对强对流天气的预报提前量能做到两个小时，而对龙卷风的预报，全世界预报水平最先进的美国也只能提前10-15分钟预报，时间虽不长，但也足够人们采取相应的避难措施。
对于龙卷风预报而言，宁可信其有，也不要拿自己的生命安全做赌注。近几十年来，由于多普勒雷达的发展，计算机模型的改进，美国在2003年至2017年期间针对约87%的致命龙卷风都提前发出了警告，提升了公众应对龙卷风灾害的能力。
美国龙卷风年平均预报提前量为11.6分钟
(图片来源：AGU)
人类能够“消灭”龙卷风活动吗？
通过野外观测、实验室模拟实验和计算机数值模拟等多种研究手段，人们对龙卷风的发生与消失机理有了不断深入的认识。那么，基于现有知识，人类能否干预龙卷风的活动呢？
从理论层面探讨，确实存在影响龙卷风活动的可能性，其核心在于干预龙卷风形成所需的关键大气条件，如暖湿气流、垂直风切变等。理论上，通过调节这些条件，可以在一定程度上影响龙卷风的生成与发展。除了电影中通过在龙卷风经过途径上放置强吸水物质，以此减少龙卷风体内大气水汽含量这一设想外，还有一些更为激进的想法，如利用爆炸性导弹来改变垂直风切变环境，或是直接干扰已形成的龙卷风气流结构。
然而，将这些理论构想付诸实践却面临重重挑战。首先，技术的可行性与实际效果之间存在巨大不确定性。大气系统复杂多变，人为干预可能产生不可预测的后果，甚至可能加剧灾害而非减轻其影响。其次，从成本效益分析来看，这些方法的实施成本高昂，且未必能带来显著成效，更为关键的是，在人口密集区域实施此类高风险操作，如发射导弹，将直接威胁到公众安全，可能引发新的灾难性后果。此外，龙卷风活动具有高度的突发性和短暂性，如何在短时间内准确判断并有效实施干预措施，也是一个巨大的难题。
尽管目前还无法直接“驯化”龙卷风以消除其破坏力，但科学家和工程师们已经开始探索如何在一定程度上“利用”龙卷风所蕴含的巨大能量，为人类社会带来清洁、高效的能源解决方案。通过模拟龙卷风形成的原理，人们试图在可控的环境下创造出类似龙卷风的强大气流，进而利用这些气流中的动能转化为电能。位于德国斯图加特的梅赛德斯-奔驰博物馆拥有“世界上最强大的人造龙卷风”装置，其高度达到了34.13米，虽然其主要功能并非用于能源发电，但其成功模拟出如此巨大的龙卷风，无疑为“人造龙卷风”能源发电的设想提供了有力的实践支持和技术验证。
世界上最大的人造龙卷风（图片来源：Pinterest）
面对龙卷风威胁时，人类还是过于渺小，和影里的主角们的应对方法一样，我们应牢记“躲、逃、趴”的三字避难原则：
1. “躲”字当先：与其他强对流天气不同，发现龙卷风时，最佳的应对策略就是迅速躲避。如果条件允许，躲进地下室将是最安全的选择。
2. 向相反方向逃避：在野外遭遇龙卷风时，应迅速向龙卷风前进的相反方向或垂直方向移动，以寻求躲避。切记避免躲进车库、木质建筑物等危险区域。
3. 寻找低洼地段趴下：如果龙卷风已经逼近，应立即寻找低洼地形趴下，降低重心，抓紧牢固物体，紧闭口、眼，用双手和双臂保护头部，以防被飞来物砸伤。
参考材料：
[1] 胥蓓蕾,赵世浩,邱鹏辉,等.我国龙卷风灾害风险区划研究[J].建筑结构, 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
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