本文最初发布于Knowable Magazine。
1986 年 7 月一个闷热的下午，一架新闻直升机正在拍摄明尼阿波利斯的一场节日活动，这时飞行员和摄影师瞥见了附近布鲁克林公园上空的龙卷风。他们向龙卷风靠近，拍摄了 25 分钟的强劲龙卷风画面，让正在电视上观看直播的观众着迷。
当时在明尼阿波利斯长大的罗宾·塔纳马奇（Robin Tanamachi）正在观看直升机在离龙卷风约半英里处盘旋。“我们看到了所有这些非常美丽的内部涡旋结构，”她说。“我被迷住了，我知道不止我一个人。”如今，塔纳马奇是印第安纳州西拉法叶普渡大学的气象研究员，也是许多深入研究龙卷风奥秘的研究人员之一，他们正在寻找关于龙卷风形成的细节，以期改进未来的预报。
龙卷风是难以捉摸的研究对象。通过追逐风暴和使用计算机模拟，科学家们已经基本弄清楚了形成龙卷风所需的要素，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，而另一些则不会？龙卷风的确切旋转方式是什么？
尽管这项工作在后勤和科学上都充满挑战，但科学家们仍积极寻求答案：龙卷风每年在美国可能造成数十至数百人死亡，并造成数十亿美元的损失。现在，研究人员正利用尖端技术追逐产生龙卷风的杀人风暴，驾驶无人机进入风暴，并利用前所未有的计算能力进行模拟，以寻找答案。
“如今，我们正在以前所未有的空间分辨率模拟大气。我们正以前所未有的时间和空间分辨率观测风暴，”俄克拉荷马大学诺曼分校的大气科学家霍维·布鲁斯坦（Howie Bluestein）说。“但仍有许多问题需要解决。”
科学家们可能通过研究龙卷风周围大气和下方地面的情况，并将实地发现与新的、更高分辨率的产生龙卷风的雷暴模型进行比较，从而发现龙卷风形成的新线索。即使在追逐这些新线索的同时，研究人员也在试图了解气候变化可能如何影响龙卷风形成的时间和地点。
追寻答案
自 20 世纪中叶科学家开始认真研究龙卷风以来，他们已经勾勒出了形成龙卷风所需步骤的大致轮廓。大多数破坏性龙卷风是由超级单体雷暴产生的——这些巨型雷暴通常拥有高耸入云、顶部呈砧状的云。超级单体雷暴的特点是有一个直径数公里的旋转上升气流，称为中尺度气旋，可持续数小时。这种旋转来自风的垂直切变，近地面的风像旋转的橄榄球一样水平旋转。然后，这些风在上升气流中被垂直定向，就像一个旋转的陀螺。
要使超级单体雷暴变成龙卷风，需要发生几件事情：首先，风暴核心的巨大中尺度气旋需要使空气在更靠近地面的地方旋转。然后，这个涡旋需要向上延伸。延伸会收紧龙卷风的横截面，加速其旋转，类似于花样滑冰运动员在旋转时收拢手臂时的情形。
据美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research）的大气科学家理查德·罗通诺（Richard Rotunno）称，关于龙卷风物理学的第一批线索来自二手信息和损害报告，当时科学家们试图弄清楚什么样的风能够吹倒谷仓或拔起鸡。“罗通诺是 2013 年《年度流体机械评论》一篇关于龙卷风流体动力学的综述文章的作者。
20 世纪 50 年代州际公路系统的建设，在平坦的大平原上形成了一个网格，使得有眼光的科学家们能够到达风暴前方，有时甚至能直接观测到龙卷风。多普勒雷达在气象学中的应用带来了重大进展。该技术通过发射能量脉冲并检测反射信号，捕获有关风和降水的信息。雷达能够探测到中尺度气旋，这成为了龙卷风预报的基础，也为追风者带来了福音，他们会定期停在公用电话亭，打电话给实验室获取最新的雷达情报。
但雷达无法捕捉到科学家们正在寻找的所有线索——例如风的运动中的无形力——因此他们转向模拟风暴物理学的模型，宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的大气科学家保罗·马克沃斯基（Paul Markowski）说。“在计算机模拟中，我们拥有所有这些力。”
第一个三维超级单体雷暴模拟出现在 20 世纪 70 年代，帮助科学家们研究了上升和下降气流的结构以及降水的演变。随着模型的不断改进，它们显示出上升气流可以将旋转的空气区域变成超级单体雷暴中的巨大中尺度气旋。模型还表明，北半球的雷暴会分裂成左侧和右侧两个细胞，其中右侧细胞更有可能导致恶劣天气。这些模型最终能够重现实际超级单体雷暴中观察到的行为，并暗示被称为冷池的冷空气区域可能通过缩短龙卷风发展的时间来影响龙卷风的形成。
这些模型的空间分辨率相对较低，但随着计算能力的提高，模拟开始捕捉到超级单体雷暴的更多细节，研究人员也致力于真实地捕捉雨、雪和冰雹的影响。尽管如此，其分辨率仍达数百米——这对于捕捉宽度通常只有 20 米左右的龙卷风来说实在太大了。
雷达也变得越来越好、越来越快，研究人员开始将雷达设备装载到卡车上，带到野外。1994 年，一群希望了解龙卷风旋转来源的科学家开始了一项名为“龙卷风成因验证实验”（Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment）的多年研究，简称 VORTEX。他们带着各种设备追逐风暴，包括装有传感器的气象气球和能够测量超级单体雷暴中温度、压力和风的仪器车。但科学家们觉得还需要进一步的观测，于是又进行了 VORTEX-2 实验，于 2009 年展开。“我们从 VORTEX-2 中得到的最大启示是，你无法仅仅通过雷达图像或附近气象气球的显示来判断一个风暴是否会产生龙卷风，”塔纳马奇说。
随后的实地考察也很多，但科学家们仍未明确回答为什么有些超级单体雷暴会产生龙卷风，而另一些则只能发展到中尺度气旋的阶段。现在，他们正寻求新的策略和工具来填补故事的其余部分。
无人机入场
尽管龙卷风旋转起来很壮观，但其中心可能并不是答案所在。“将某物送入龙卷风——这很适合电视节目，但实际上并没有告诉我们太多，”马克沃斯基说。“它只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来解析可能帮助他们区分产生龙卷风的超级单体雷暴和非产生龙卷风的超级单体雷暴的环境线索。“关于云层下方大气的结构——温度、压力、风——的详细数据在很大程度上是缺失的，”罗通诺说。研究人员开始驾驶无人机进入风暴，以捕捉这些观测数据。
无人机可以比汽车在更高的高度进行详细测量。与气象气球不同，它们可以穿越风暴中不同压力或空气密度区域之间的边界。“我们认为它们很重要，是因为龙卷风往往在这些边界处形成，”内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln）的大气科学家亚当·休斯顿（Adam Houston）说。休斯顿和他的同事自 2019 年以来一直作为 TORUS 项目的一部分，将无人机观测与雷达和其他技术结合起来。现在，休斯顿的团队正在深入分析数据，寻找跨风暴的趋势，以寻找这些相对小的特征是否会影响龙卷风形成的线索。
科学家们还正在收集有关龙卷风形成区域附近情况的信息。无论是建模还是观测都表明，这是风速最高的地方。空气如何与陆地表面相互作用——例如山丘和森林等特征——可能在启动和加强龙卷风方面发挥作用，但由于波束几何形状的限制，雷达往往会错过地面以上至少一百米的空间。俄亥俄州立大学哥伦布分校（Ohio State University in Columbus）的大气科学家简娜·豪瑟（Jana Houser）希望更多地了解这个间隙中发生的事情。
豪瑟的团队追逐风暴，捕捉龙卷风大小和强度的雷达测量数据。然后，他们寻找这些数据与风暴扫过的地表地形和粗糙度之间的联系。他们发现，在大多数情况下，地形的变化会影响被吸入龙卷风的空气，并改变龙卷风的强度。这可能是一个重要的线索，但却难以弄清楚。“问题在于，”豪瑟说，“有时同一种情况在一种情况下会导致增强，而在下一种情况下，则会导致减弱。”
马克沃斯基说，研究人员可能在理解和预测这些风暴方面存在极限。“我认为我们在龙卷风方面，有点像在跟混沌作斗争。”大气中无处不在的、小到几乎无法测量的扰动可能会影响龙卷风的形成。马克沃斯基和其他科学家正开始使用机器学习来帮助更好地预测这些风暴的行为。
寻找旋转
几十年来，龙卷风一直围绕着另一个重大问题：“我们真的不明白，驱动龙卷风的旋转最终来自何处，”豪瑟说。超级单体雷暴中尺度气旋的旋转空气在开始垂直旋转时已经太高了；风暴需要靠近地面的额外旋转才能变成龙卷风。她表示，至少有三种关于这种近地面旋转的来源的假说，并且在任何给定的龙卷风中，可能同时存在多种机制。
一种假说基于摩擦力如何减缓近地面空气的流动。较高海拔的空气移动得更快，然后翻过较慢的空气，开始像滚桶一样滚动。理论认为，这种旋转的空气在被吸入上升气流时可能会被向上倾斜。其他假说则指向与降水和冷却空气相关的下降气流。冷空气和邻近暖空气之间的密度差异会产生一种促使旋转的空气流。观测和模型都支持这一观点，并指出这可能发生在风暴的不同区域。
在这两种情况下的任何一种，可能还会存在许多更小的旋转空气团相互合并，形成一个具有足够旋转以使龙卷风旋转的区域。通过更高分辨率的风暴模拟，正在出现对这一理论的新支持。
大多数使用粗糙分辨率的模型实际上无法看到模拟的龙卷风，而是根据具有大量旋转的空气区域来推断它们。威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的大气科学家利·奥尔夫（Leigh Orf）利用超级计算的进步，构建了10 米分辨率的模型，能够直接模拟龙卷风。奥尔夫说，在这个尺度上，湍流变得活跃起来。他的模型揭示了小的旋转区域如何合并以触发龙卷风。“它完全解决了非龙卷风涡旋合并在一起的方式，非常引人注目，我以前从未见过，”他说。
模型还可以为实地观测提供行为线索。奥尔夫的模型帮助他和他的同事探索了一个他们命名的流向涡度流（streamwise vorticity current），或称 SVC——这是风暴侧面的一股旋转空气尾流，可能会增强近地面的空气旋转。其他科学家现在已经观测到了这种特征在实际产生龙卷风的超级单体雷暴中。
实际观测数据尚未证实旋转合并，但可能即将到来。美国雷达系统的计划将采用新一代更快的雷达，能够捕捉闪电般发展的特征。“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 那样，”奥尔夫说。
高风险
龙卷风研究的重点已从大平原扩展到美国东南部，原因是该地区发生的致命风暴和不断增加的龙卷风活动。2011 年 4 月中旬，该地区发生了一系列龙卷风，造成 300 多人死亡。“这是自 1974 年超级爆发以来记录上的最大爆发，”塔纳马奇说。这促使 2015 年又开展了 VORTEX-SE 活动，以研究那里的龙卷风，但这项工作被证明很困难。
塔纳马奇的团队发现，东南部的气候条件不仅与大平原不同，而且观测龙卷风也更困难。丘陵地貌阻碍了对风暴的视线，给追逐风暴带来了麻烦。因此，研究人员必须预测龙卷风可能形成的位置并驻守在那里。在 VORTEX-SE 期间，这种方法曾带来一次龙卷风观测机会，但雷达却被一片树林挡住了。
科学家们在其他地方学到的关于龙卷风的许多知识并不适用于东南部，因为那里发生的许多龙卷风并非由超级单体雷暴引起。相反，它们是由一条称为飑线的风暴线产生的。“我们不知道这些是如何工作的，”德克萨斯理工大学（Texas Tech University）卢博克分校（Lubbock）的大气科学家约翰内斯·达尔（Johannes Dahl）说。虽然这些龙卷风通常比来自超级单体的龙卷风弱，但仍可能造成破坏和死亡。
尽管面临挑战，了解东南部的龙卷风仍然是一个优先事项，尤其是在过去四十年左右的时间里，该地区的龙卷风活动有所增加。达尔说，尚不清楚这是否是由于气候变化，还是其他原因，例如被称为厄尔尼诺（El Niño）的气候模式。尽管如此，研究人员已经开始看到一些与气候相关的趋势。对美国 60 年龙卷风数据的分析显示，虽然龙卷风的数量没有变化，但发生多次龙卷风的天数却有所增加。气候变化似乎在助长龙卷风的一些因素，但牺牲了另一些因素。但豪瑟说，在龙卷风高发日，条件似乎非常有利。
随着日益强大的模型、美国雷达系统的潜在升级以及机器学习的帮助，研究人员将继续致力于揭示龙卷风的内部运作。“尽管该领域的研究已经进行了几十年，”达尔说，“但似乎总有惊喜。”
即使在研究龙卷风 20 年后，豪瑟仍然对捕捉龙卷风行动的潜力感到“兴奋不已”，最好是在一片没有破坏房屋的田野上。“它们之间存在一种奇怪的二分法，既有美感，又有它们造成的动荡、强度和暴力，”豪瑟说。“它们太神秘了。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
