水龙卷与陆龙卷一样,也含有强烈的涡旋状漏斗云。在海面上看到的漏斗云,一般都算作水龙卷。不少人认为水龙卷的漏斗云是由低压区内吸到云层高度上的海水所组成,其实不是这样。与陆龙卷一样,大部分水龙卷的漏斗云主要由水汽凝结形成,大约占漏斗的上部2/3,这也是人们看到的漏斗云部分。下面1/3主要是从海上吸起和在水龙卷与海面接触处产生的浪花,这些浪花在涡旋周围带向上面,以后又向外散开。水龙卷的这种吸水作用以前被说成是龙在吸水,这是完全没有根据的。在海面水龙卷浪花涡旋的后方,经常有一条细而长的尾流带出现,像飞机的尾迹一样。当水龙卷登上陆地时,由凝结水组成的可见漏斗云缩向云底,漏斗的穴状外形更加明显,在底部只能看到一些旋转的尘埃云。当水龙卷强度最弱时,仅为悬挂在云底的一个锥体。在有些情况下,水龙卷中的上升气流可把大量由地面强风造成的含盐高的浪花带到较高的高空。根据水龙卷过后含盐量极高的降水可以证实这一点。
大多数水龙卷与发展的积云、浓积云或雷暴可同时观测到,因而其生成方式与陆龙卷的形成是类似的。但是生成水龙卷的积云一般要比生成陆龙卷的强风暴积雨云浅薄,有的还不到冻结层之上。这也是造成水龙卷比陆龙卷弱的原因之一。
另外,有些水龙卷在生成时几乎看不出有什么云出现,或者龙卷风之上只有一小块孤立的云存在。这种水龙卷也叫晴天龙卷风,它们与陆地上没有母云的尘卷风有一定相似之处,因为尘卷风也是发生在晴天之下。我们知道,尘卷风的出现,表明存在着强烈的不稳定空气,它是由太阳光对地面强烈加热引起。同样,在晴朗天空中出现的水龙卷也应表示存在着不稳定空气。当这种空气在暖水面上通过,并受到旋转空气运动的影响,就有可能产生涡旋或水龙卷,但其准确的形成原因和过程现在了解得并不多。
你知道这些龙卷风吗?
尘卷风、火龙卷和城市龙卷与陆龙卷和水龙卷不但起因不同,结构上也有差异。它们的共同特点是没有母云和漏斗云。实际上它们是一种旋风,只有较强的旋转运动和上升气流,这点也是与龙卷风相同的地方。
尘卷风在春季和初夏,在干燥多尘沙的地区经常可看到小范围的旋涡,在这些旋涡中,气流夹带着沙土旋转上升,这就是尘卷风。尘卷风也就是平常所说的旋风。它们是草原、沙漠和干燥地区的常见现象。每当春末夏初天气干燥之际,在我国内蒙古自治区、甘肃等地最容易出现尘卷风。
在干热的沙漠地区最易发生尘卷风。尘卷风形成的一个重要条件是地表面要有高的温度。在晴朗碧空的日子,如果天气又是静稳无风,地面受太阳光照射造成的强烈加热可以满足这一条件。一旦地表面受热,低层空气也迅速地增热,结果在低空形成很不稳定的温度分布,常常在很薄的近地面气层中能产生3℃/米~5℃/米的强温度递减率(相当于100米下降300℃~500℃)。这样到一定程度,贮存的不稳定能量就释放出来,引起强烈的上升气流。由于空气很干燥,不会有云形成。只能形成前面所述的强烈热泡。随着空气上升的开始,周围其他空气迅速地冲来补充到原来的位置上。这种向内辐合的空气,在外部时旋转较慢,当移入旋风中心时,旋转愈来愈快。这与一个滑冰者,当它突然收回双臂抱紧时,旋转突然加快的情况相似,它们都遵从角动量守恒原理,即旋转半径减小,则运动速度增加,在不少尘卷风中都可造成较强的风速,常达20米/秒左右。
人们能够看到尘卷风是因为它夹带着大量的尘沙及其他碎片、杂物到达很高的高度,有些尘卷风或沙卷风的尘柱可高达1千米或1.5千米。一般说来,尘卷风的破坏力比龙卷风要小,但也能造成一定程度的破坏。另外对飞行的影响也很大,可以造成明显的颠簸。尘卷风一旦进入潮湿或大片植物或农作物区时就会消散。
火龙卷火山爆发和大火灾时产生积雨云和雷暴的事实早已为人们所知道。例如1874—1875年间的冬天,冰岛的一个火山大爆发,结果发生了浓厚的雷暴云、不断的闪电和激烈的雷声,天地均为之震动。同时空气强烈带电(静电),在许多突起或尖端的地方都冒出了小火花。一般情况下,冰岛很少出现雷暴,即使有也很弱。因而这种由火山爆发产生的雷暴在当地是很奇异的现象。
火山爆发时产生雷暴的原因很简单。在火山爆发时,大量的岩浆向外流散或喷射,其中有大量的水蒸气也随之冒出,并且以巨大的力量向上冲出,几分钟内带有火山灰的蒸汽柱可以发展到很高的高度。在那里,水汽开始凝结形成巨大的灰尘云,这种云与积雨云十分相似,同样可看到闪电和暴雨。当意大利有名的维苏威火山爆发时也见到过这种积云。既然有积雨云或雷暴生成,其中出现龙卷的可能性是存在的,但由于观察条件所不允许,人们并没有留下关于这种火龙卷存在的记载。
人们发现火龙卷主要是在大火灾之后。巨大的火灾一般都能产生积雨云。1923年9月1日东京及其邻近地区发生了大地震,之后引起了大规模的火灾,大火无法控制、到处蔓延,燃烧达40小时之久。在大火区,上升的烟和热空气产生了浓厚的对流云,这些云以后又发展成积雨云,结果在一些地区下了阵雨,但由于雨量不大,并未能把大火扑灭。高大的积雨云在40千米以外的地方都能见到。许多成球状的凸出部分在阳光照耀下发出银白色的光辉,比普通的积雨云更明显,云顶估计在6~8千米。就在这些积雨云中,从云底有一些龙卷风向地面伸展,其中一些强度很大,可使沿途遭到明显破坏,它们把大火区以外的汽车和人吸起,有一间房屋连同里面的七八个人一起被龙卷风吸起。据统计,在那次大地震之后24小时内,在东京出现了120个火龙卷和烟卷风。事实表明,那次人员伤亡惨重的原因主要倒不是由地震引起,而是大火灾造成。
城市龙卷近20年来在世界上许多几百万人口以上的大城市中,尤其在一些国家,人口稠密,工业、交通集中的首都地区,城市龙卷的发生数目明显减少,而在郊区龙卷频数在增加。因而一个大城市可以明显地划分为无龙卷区和龙卷区两部分。无龙卷区像一个马蹄形位于市区,它似乎在告诉人们龙卷有避开城市中心发生的趋向。在市区周围包围着一个半环状的龙卷带。在许多大城市都发现龙卷或漏斗最常出现在这个半环的西南部和北部西北部,这里常是城市的上风缘。接近城市市区,龙卷减少。
在人口稠密、工业集中、交通发达的大城市为什么会出现这样奇特的龙卷分布呢?根据从卫星拍摄(在近红外光谱带)照片,发现在照片上河流、水域、市区以及铁路、工厂等都是黑色的,这些黑色的区域与无龙卷区很一致。这个对应关系不应看做是偶然的,它可能表明由于人类活动在城市周围建立的新的气候区,即形成所谓“热岛”效应,是造成城市无龙卷区和龙卷带的原因。
什么叫热岛效应?在一些人口众多、工业区密集、柏油路交错的大城市内,大多数建筑物是由石头和混凝土建成。因而热容量很高。再加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用以及人类的频繁活动,可使城市中的年平均温度比郊区及邻近农村高1℃左右。尤其对冬季夜间的最低温度影响最甚,市区往往比郊区高几度。在夏季,白天虽然城市和郊区所达到的最高温度没有什么差异,但在夜间,城市冷却比郊区要慢,这主要是因为城市中大面积石头和混凝土建筑具有很高热容量的缘故,它可以把白天吸收的热量逐渐地向外辐射出去。城市的温度在深夜来临之前仍可保持在最高温度值附近,而没有什么明显的下降,再加上湿度也很高,因而此时显得十分闷热,而周围被较凉的空气所包围。这时城市好像是一个孤立的闷热的海岛,这就是热岛效应的来由。
当然,热岛效应不仅由热容量高的城市建筑物引起,而且也由现代工业和民用日夜进行的燃烧活动造成。在一些大城市,据粗略估计,冬季由燃烧过程放出的热量比由太阳光得到的热量多2.5倍,到了夏季,这个量下降,只有太阳光加热的1/6。
概括起来说,热岛效应主要出现在夜间,它由(1)白天城市建筑物比郊区有更高的热容量;(2)整个夜间城市中心高速度进行制造热量的活动造成。如果城市上空有强的通风,不难想象,热量便很快地被风带走,可减少热岛效应或完全消失。有时会出现这种情况,由于热岛效应对城市内外的空气流动产生明显影响,人们发现,在城市中心,产生的热量被均匀的热空气覆盖着。它们趋于在城市上空上升,最后向下风方向郊区飘移走,故在工业区的下风处能观测到降水和冰雹的增加。有人还揭示出,市区的热岛效应可以产生低层辐合。
虽然从观察事实和分析上可以把热岛效应和城市无龙卷区联系起来,但内在的过程并不清楚,需要进一步研究。最近实验室中的实验也证明,当一个龙卷风在模型城市市区上空通过时,如果在城市下面或在城市上空不同高度上分别加热(模仿热岛效应),可以发现龙卷风强度减弱或经常消失,因而使整个漏斗云也很快消失。
并不是所有的南下冷空气都叫寒潮吗?
在我国,冷空气的活动一年四季都会发生,但以冬季特别强大,影响范围也广,冷空气的爆发南下次数也频繁。一般从9月末开始,到第二年的5月为止,至少有七八个月影响着我国。冬天那呼啸的北风、漫天的大雪,异常的寒冷,人们对这些并不陌生。春季也经常有入侵的强冷空气,但没有冬季那样频繁、强烈,在降温和大风的同时,雨雪比冬季增多。另外,在晚春时节,天气虽已逐渐转暖,有时偶尔也会有强冷空气南下,一旦出现了这样的天气,就会出现骤冷和霜冻,有时还会伴有雷雨冰雹,对作物幼苗造成极大的危害。夏天,冷空气南下势力不强,但它们在南下的过程中,会与夏天控制我国大部分地区的暖空气发生冲突,形成持久的下雨天气。盛夏的雷雨天气,也往往和南下的冷空气活动有关。“一场秋风一场凉”,秋天时,冷空气已比夏天加强了。有的年份,入秋不久冷空气就来了,使我国淮河和秦岭以北地区出现早霜冻,影响已晚熟的农作物的收成。
虽然一年中都有冷空气南下,但并不是上述所有的南下冷空气都叫寒潮,那么是什么寒潮呢?
到底什么是寒潮?
一、什么是寒潮
高纬度地区的寒冷空气,在特定的天气形势下迅速加强南下,往往造成沿途大范围的剧烈降温和大风、雨雪天气,这种冷空气南侵过程达到了一定的标准,才称为寒潮。因为这大规模的强冷空气来势迅猛,有如潮水袭来一般,所以人们称它为“寒潮”或“寒流”。由于寒潮是一种大范围的天气过程,所以一次寒潮影响我国时,波及的地区很广,甚至影响全国。
二、寒潮天气
古往今来,人们就从寒潮对生产、生活和军事活动所造成的影响和危害中,加深了对寒潮活动和寒潮天气的认识。当风云突变,北风或西北风呼啸而来,雨雪交加,气温猛降等天气现象出现时,人们就会说“寒潮”来了。
那么,为什么在强冷空气南下的过程中,会伴随上述的寒潮天气呢?
当高纬度的冷空气团南下时,一旦与暖空气团相遇,在冷暖空气接触的地方就形成了一个交界面。气象学把它叫做“锋面”。寒潮冷空气力量强大,将锋面推向暖空气方向前进,这时,我们就称它为“寒潮冷锋”,也叫“冷空气前锋”。
在寒潮冷锋地带冷空气和暖空气相互交锋。由于冷空气的密度比暖空气大,前进中就像楔子一样,插到暖空气的下面,把暖空气抬举向上。上升的暖空气不断变冷,里面包含的水汽就凝结形成浓密的云层,产生了雨、雪天气。在寒潮冷空气前部,冷空气流动的速度很快,总是发生大风,所以寒潮冷空气前锋实际上就是一条风狂雨(雪)暴的地带。它长度可达几百到几千千米,宽度可达几十到几百千米,风力一般可达6至8级,强的可达10至12级。寒潮前锋到达后,一天内温度可骤降六七度甚至一二十度,造成刚烈的严寒和冷害。下面分析一下寒潮冷锋过境前后的最突出的天气表现。
1.寒潮冷锋过境的大风
在寒冷的冬季,寒潮到来之前,往往有一段暖和的天气。还经常刮南风,一般风力不大,在地形适当的地区,也会达到五六级以上。群众中流传有这样的测天谚语:“南风吹到底,北风来还礼”,“南风越是紧,北风越是准”,有经验的人都知道,这预示着天要变坏了。实际上,这回暖的天气,只是寒潮冷锋前的暂时天气现象。当寒潮冷锋一来到,风向风力都会有极明显的变化。由于冷空气的强度不同,锋面坡度也不同,寒潮大风出现的情况也就有差异:有时风向一旦转北,风力就立即增大;有的在风向转北后,风力是逐步增大的。
寒潮大风的最大风速常出现在冷锋过境后三小时左右,风速一般可达5~7级,海上一般可达6~8级。短时大风达到12级的情况也可出现。大风的持续时间一般为一天左右。在初冬时节,寒潮大风如遇有北方小股冷空气不断补充,往往大风可持续3天左右。此时,若寒潮由西路入侵我国,会带来黄土高原的黄土,则出现天昏地暗的天气。春天,北方土地解冻,表土干燥疏松,遇到寒潮大风会引起扬沙,能见度恶劣。有时,扬沙大风可延伸至长江流域。
2.寒潮过程中的降温
寒潮冷锋过境后,气温随即下降,继而出现霜冻和结冰。每次寒潮降温的强度和持续的时间是不同的,一般有以下情况降温幅度较大:冷空气影响前,气温回暖显著,则寒潮前锋过后降温幅度大;若寒潮南下后,白天云量很多,日照弱,到晚上云消天晴,则降温幅度大;若在寒潮冷锋的后面,有大范围的强冷空气引导气流,则降温幅度大,持续的时间也较长;在山的迎风面和山谷、盆地等地形条件下,冷空气易受阻或堆积,降温幅度也要大些,持续的时间也会长些。
3.寒潮影响时的降水
一年四季的冷空气南下,都会影响各季节的降水。我国东部是季风气候,从华南春雨到长江流域的梅雨,以及夏季的华北雨季,都是洋面上暖湿空气与冷空气相遇而形成的。
在冬季,由洋面上吹来的暖湿空气很难到达高纬度地区,因此,在寒潮影响时,我国淮河以北的西半部地区很少降水。而在淮河以南,降水机会较多,有时在华南能造成较大区域的降水,但降水强度一般不太大。如遇东移的冷空气回流,在东北和华北也会造成大范围降雪。