成都六月天大風，發屋動地聲勢雄。黑雲崔巍行風中，凜如鬼神塞虛空。霹雳並火射地紅，上帝有命起伏龍。龍尾不卷曳天東，壯哉雨點車軸同。山摧江溢路不通，連根拔出千尺松。未言爲人作年豐，偉見一洗芥蒂胸。
這是宋代詩人陸遊（1125-1210）在成都爲官時所寫的七言古詩《龍挂》，他曾先後擔任成都府安撫司和四川制置司的參議官。黑雲崔巍（wéi）,是指積雨雲垂直發展旺盛，雲色烏黑，從地面望去，好象聳立于天空的一座座大山。
凜（lǐn）如，指可怖的樣子。“霹雳並火射地紅”句，描述了龍卷風的出現時，伴有大風、雷電和暴雨。曳（yè）,是拖的意思。“龍尾不卷曳天東”的龍尾，是指龍卷風的漏鬥狀下垂尾巴，它一邊旋轉，一邊拖著前進；龍卷風的中心氣壓低，上卷力非常大，如連接地面，就能“連根拔出千尺松”。一洗芥蒂胸,表示當看到了龍卷風的奇偉壯觀之後，使胸襟爲之開。
蘇轼（1037-1101）《連雨江漲二首其一》一詩，也說到了龍卷風
床床避漏幽人屋，浦浦移家蜑子船。龍卷魚蝦並雨落，人隨雞犬上牆眠。
這是作者在貶位于東江下遊南岸的惠州（今廣東省惠州市惠陽區）時所作。“龍卷魚蝦並雨落”，是發生在水域的“水龍卷”的特點。幽人，指隱逸之人，爲作者自稱，有遂臣的意思。浦，指小河流入江海的地方。蜑（dàn）子，指過去廣東、廣西、福建內河和沿海一帶的水上居民，多以船爲家，從事漁業、運輸業。
龍卷風是一種災害天氣
龍卷風是一種風力極強而範圍不太大的渦旋，狀如漏鬥，風速極快，破壞力很大。其中心的氣壓可以比周圍氣壓低10％。龍卷風的出現和消失都十分突然，很難進行有效的預報。
龍卷風上端與雷雨雲相接，下端有的懸在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一邊旋轉，一邊向前移動。遠遠看去，它不僅很像吊在空中晃晃悠悠的一條巨蟒，而且很像一個擺動不停的大象鼻子。發生在海上，猶如“龍吸水”的現象，稱爲“水龍卷”（或稱“海龍卷”，waterspout，如圖1）；
出現在陸上，卷揚塵土，卷走房屋、樹木等的龍卷，稱爲“陸龍卷”（landspout，美國國家氣象局稱dust-tube tornado，如圖2）。世界各地的海洋和湖泊等都可能出現水龍卷。在美國，水龍卷通常發生在美國東南部海岸，尤其在佛羅裏達南部和墨西哥灣。水龍卷雖在定義上是龍卷風的一種，其破壞性要比最強大的大草原龍卷風小，但是它們仍然是相當危險的。
圖1 2009年6月29日在美國聖約翰河上出現的水龍卷
圖2 2008年5月8日美國堪薩斯州大草原上空的陸龍卷
龍卷風的生存時間一般只有幾分鍾，最長也不超過數小時。龍卷風經過的地方，常會發生拔起大樹、掀翻車輛、摧毀建築物等現象，有時把人吸走，危害十分嚴重。有記錄以來美國最致命的龍卷風是發生于1925年3月18日，越過了密蘇裏州東南部、伊利諾伊州南部和印地安那州北部的“三洲大龍卷”，導致600多人死亡。
龍卷風的力氣是很大的。據報道記載，1879年5月30日下午4時，在美國堪薩斯州北方的上空有兩塊又黑又濃的烏雲合並在一起。15分鍾後在雲層下端産生了渦旋。渦旋迅速增長，變成一根頂天立地的巨大風柱，在3h內像一條孽龍似的在整個州內胡作非爲，所到之處無一幸免。
但是，最奇怪的事是發生在剛開始的時候，龍卷風渦旋橫過一條小河，遇上了一座峭壁，顯然是無法超過這個障礙物，渦旋便折抽西進，那邊恰巧有一座新造的75 m長的鐵路橋。龍卷風渦旋竟將它從石橋墩上“拔”起，把它扭了幾扭然後抛到水中。在我國，1956年9月24日上海曾發生過一次龍卷風，它輕而易舉地把一個1.1ⅹ105kg的大儲油桶“舉”到15m高的高空，再甩到120 m以外的地方。
在美國，龍卷風每年造成的死亡人數僅次于雷電。它對建築的破壞也相當嚴重，經常是毀滅性的。在強烈龍卷風的襲擊下，房子屋頂會像滑翔翼般飛起來（如圖3，4）。一旦屋頂被卷走後，房子的其他部分也會跟著崩解。1995年在美國俄克拉何馬州阿得莫爾市發生的一場陸龍卷,諸如屋頂之類的重物被吹出幾十km之遠。大多數碎片落在龍卷通道的左側，按重量不等常常有很明確的降落地帶。較輕的碎片卻飛到300 km外才落地。
圖3 美國南部2008年2月5日的龍卷風
圖4 美國中部2009年4月10 日的龍卷風
龍卷風的産生原因
龍卷風究竟是怎樣形成的？可以從夏日晴天在操場上常能看到的一種現象，得到啓示：一陣風刮來，突然在操場中間出現了一個氣流渦旋，它卷起了沙土和樹葉隨氣流旋轉，而且越轉越快地在移動著，過了一會，又迅速慢了下來，突然消失了。這是很小尺度的氣流不穩定性造成的，被稱爲塵卷風（圖5）。
圖5 操場上的塵卷風
龍卷風則是中尺度的氣流不穩定性造成的，其平均直徑爲200-300m，直徑最小的不過幾十m，只有極少數直徑大的才達到1000 m以上。它的壽命也很短促，往往只有幾分鍾到幾十分鍾，最多不超過幾小時。其移動速度平均15 m/s，最快的可達70 m/s；移動路徑的長度大多在10 km左右，短的只有幾十m，長的可達幾百km以上。它造成破壞的地面寬度，一般有l-2 km。
普遍認爲，龍卷風是雲層中雷暴的産物，是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的區域內集中釋放的一種形式（如圖6）。
圖6 龍卷風的示意圖
龍卷風的形成過程，大致可分爲4個階段：
（1）大氣的不穩定性産生強烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流的影響，它被進一步加強。
（2）由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉，形成中尺度氣旋。
（3）隨著中尺度氣旋向地面發展和向上伸展，它本身變細並增強。同時，一個小面積的增強輔合，即初生的龍卷在氣旋內部生成，形成龍卷核心。
（4）龍卷核心中的旋轉與氣旋中的不同，它的強度足以使龍卷一直伸展到地面。當發展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風速急劇上升，形成龍卷。
由上可以看出，龍卷風的形成和消失，都是氣流運動不穩定的過程。
美國的龍卷風爲什麽多
美國的龍卷風不僅數量多，而且強度大,被稱之爲“龍卷之鄉”。這主要是和美國的地理位置、氣候條件以及大氣環流特征有關。美國東瀕大西洋，西靠太平洋，南面又有墨西哥灣，大量的水汽不斷從東、西、南面流向美國大陸。美國主要處在中緯度，春夏季常受副熱帶高壓控制，即使在秋冬季，也常受其邊緣影響。在副高南部和西部是偏東和東南氣流最活躍的地方，它把大西洋和墨西哥灣的大量暖濕空氣源源不斷向美國大陸輸送，這是産生雷雨雲的充分條件。雷雨雲不斷地強烈發展，龍卷風就伴隨而來。
美國龍卷風發生最多的是中西部和南部的廣闊區域（如圖7，8，9）,有人將美國這一常發生龍卷風的區域稱爲“龍卷風道”。美國約有 54% 的龍卷風發生在春季，5月份副熱帶高氣壓控制美國，其西緣正好停留在中西部，這時，東南氣流把墨西哥灣的暖濕空氣從南向北大量輸送。空氣中有了充足的水汽，又有了強烈的垂直上升運動，雷雨雲就會強烈産生，經常發展成龍卷雲而産生龍卷。6月份大量的暖濕空氣向北移到堪薩斯州、內布拉斯加州和艾奧瓦州，7月份移到加拿大，從此，美國的龍卷數量就大大減少了。
圖7 1936年4月5日在美囯Yalobusha 附近形成帶閃電的龍卷風
圖8 2009年6月17日美國內布拉斯加州一個小旅館附近的龍卷風
圖9 2005年6月9日美國堪薩斯州希爾城附近的龍卷風
據近50年的統計，美國上空發生龍卷的次數至少增加 35 倍。有時沒有龍卷雲，但也會發生“龍卷”，這種特殊的龍卷稱爲“無雲龍卷”，竟占美國龍卷的一半左右。這種怪現象是怎樣形成的呢？
有人認爲，這是和奔馳在公路上的汽車數量增多有著密切的關系。現在美國公路幹線上經常運行的小汽車不下 200萬輛，卡車 60多萬輛，美國交通實行靠右側行駛，每當高速運行的兩輛車錯車時，就會形成逆時針方向的空氣渦旋。衆多輛汽車産生的空氣渦旋疊加起來，就會形成一股強大的渦旋。這股強大的渦旋，一旦遇到合適的天氣系統和大氣溫濕條件，也會誘發龍卷風。
在北美洲，盡管龍卷風季節通常從3月到10月，但一年中隨時都可能出現龍卷風,且在午後和晚上容易出現,超過80%的龍卷風在正午和午夜之間發生（如圖10）。
圖10 2010年3月9日美國俄克拉荷馬州哈蒙鎮遭到龍卷風襲擊
除南極洲外的每塊大陸都發現有龍卷風，只是美國遭受的龍卷風比其他任何國家或地區都多些。除此之外，龍卷風在加拿大南部、亞洲中南部和東部、南美洲中東部、非洲南部、歐洲西北部和東南部、澳大利亞西部和東南部以及新西蘭等地區也常有出現（如圖11，12，13，14）。
圖11 2008年在俄羅斯西伯利亞同時出現了二個水龍卷
圖12 2008年西伯利亞的水龍卷
圖13 2005年5月5日上午珠海的龍卷風
圖14 2009-5-20在珠海度假村拍到的龍卷風
龍卷風的災害分級
龍卷風災害的強度分級法，是由藤田哲也博士1971年提出的，被稱爲藤田級數（Fujita-scale），2006年科學家對其進行了修正，形成“改進型藤田級數”（Enhanced Fujita-scale），並于2007年啓用。美國氣象部門2007年2月以後，開始使用改進型藤田級數劃分龍卷風的災害等級（如圖15）。
龍卷風的破壞力由小到大，按藤田級數可劃分爲F0至F5級，也可按改進型藤田級數劃分爲從EF0到EF5級的6個等級。
表1. 藤田級數及改進型藤田級數所屬的風速比較
我國現采用國際上通用的改進型藤田級數來劃分龍卷風災害等級
圖15 龍卷風災害等級劃分圖
EF-0級：最大風速29-37 m/s（105-137 km/h），相當于11-13級台風；破壞程度輕微，可導致部分屋頂表皮被剝落，一些樹枝被風吹落，根系較淺的樹木被吹倒。
EF-1級：最大風速38-49 m/s（138-178km/h），相當于13-15級台風；破壞程度中等，可造成大片屋頂掀起，移動房屋被吹翻或損毀嚴重，窗戶或其他建築物的玻璃爆裂。
EF-2級：最大風速50-60 m/s（179-218km/h），相當于15-17級台風；破壞程度較大，足以令建築質量良好的房屋屋頂被掀翻；木制房屋的地基移動；移動房屋完全摧毀，大樹被吹折或連根拔起。
EF-3級：最大風速61-73 m/s（219-266 km/h），相當于17級以上台風；破壞程度嚴重，可以令較結實的房屋屋頂牆壁吹走，列車出軌甚或翻轉，森林中大半樹木連根拔起，重型車輛離地或卷走。
EF-4級：最大風速73-89 m/s（267-322 km/h ）；屬破壞性災害，如果房屋地基不十分堅固，將被卷走一段距離，汽車有如導彈般飛起。
EF-5級：最大風速90 m/s或以上，超越一切超強台風，無堅不摧，屬于毀滅性災難。堅固的鋼筋混凝土建築建築物也能刮起，大型汽車能掀出超過百裏，是讓人難以想象的巨災，被其橫掃之處無所幸免。
美國1999年的BridgeCreek–Moore龍卷風根據雷達測速估計最大風速達134 m/s（482 km/h），是EF5級的龍卷 。不過，EF-5級發生的機率極低。80%的龍卷風是EF0級和EF1級，EF4級及以上龍卷風僅占1%。
龍卷風防災減災的建議
我國古代就有發生龍卷風的記載，本文開頭宋代詩人陸遊和蘇轼的詩，就用詩歌記載了宋代龍卷風災害的情況。
我國發生龍卷風的地方主要是平原地區，包括華北、華東的平原地區和珠三角，尤其是江蘇、上海，是龍卷風多發地區。上海1956年9月24日的龍卷風，是EF-4級的龍卷風。
圖16 我國年平均龍卷風分布圖
據1991年-2014年的氣候資料統計，江蘇爲我國年平均龍卷數量最多省份，達5.5個，其次爲廣東4.8個。
如何能夠減少龍卷風的危害呢？有主動防禦和被動防禦兩方面。
龍卷風的主動防禦主要是指龍卷風預警系統的建設。由于龍卷風從發生至消失的時間短，作用面積較小，目前尚不可能進行預報。甚至于現有的探測儀器也沒有足夠的靈敏度，來對龍卷風進行准確的觀測。相對來說，多普勒雷達是比較有效和常用的一種觀測儀器。通常，如果多普勒雷達發現龍卷風的‘初級胚胎’或已經開始生成，氣象工作者可加強監視和跟蹤，根據各種資料分析這個龍卷風可能會向哪個方位移動，然後向那些位于龍卷風移動路徑上的地區發布預警。
圖17 多普勒雷達
美國目前的龍卷風預警發布分兩個層面：一是國家級的預警中心，發布1至3天的趨勢性預警。二是美國各個地區的預警中心，一旦監測到龍卷風出現，就及時發布預警。龍卷風預警一般會提前15分鍾發出；個別情況下可在1個小時內提前預警。
美國國家氣象局還開展了一項SKYWARN計劃，教會人們如何觀測龍卷風、漏鬥雲、雲牆以及其他極端天氣現象。觀測者一旦發現這些天氣現象，就可報告當地氣象部門，然後結合多普勒雷達的監測資料進行分析，從而提前發現龍卷風的蹤迹，以發布預警。
監測技術的進步以及預警傳播手段的現代化，大大降低了美國因龍卷風死亡的人數。據統計，美國1925年龍卷風死亡率爲每百萬人1.8人，到2000年，已下降至每百萬人0.11人。
近年來，氣候變暖導致我國龍卷風等極端性天氣事件頻發，近幾年廣東汕頭、海南文昌、江蘇鹽城等地都出現過龍卷風，造成人員傷亡。目前，我國對于龍卷風監測預警能力還很不足，建議加強建設。
另外，預警系統並非每次都能成功，很多情況尚無法提前預測，也會造成的重大損失和人員傷亡。在這種情況下，被動防禦龍卷風就尤爲顯得重要了。
如何被動防禦龍卷風？
采用電影、電視和移動互聯網等現代化信息傳播手段，可讓龍卷風多發地區的公衆了解，當龍卷風出現時必要的一些緊急自救避險措施。例如以下幾個措施：
(1) 在家時，務必遠離門、窗和房屋的外圍牆壁，躲到與龍卷風方向相反的牆壁或小房間內抱頭蹲下。躲避龍卷風最安全的地方是地下室或半地下室。
(2) 在電杆倒、房屋塌的緊急情況下，應及時切斷電源，防止電擊人體和引起火災。
(3) 在野外遇到龍卷風時，因爲龍卷風一般不會突然轉向，應在與龍卷風路徑相反或垂直的低窪處，伏于地面，但要遠離大樹、電杆，以免被砸、被壓和觸電。
(4) 乘汽車外出遭遇龍卷風時，因汽車可能隨時會被龍卷風卷走，所以不能開車躲避，也不要待在汽車中。應立即離開汽車，到低窪地躲避。
在龍卷風多發地區，建議可像預防地震那樣，進行龍卷風突然來臨時的避險演習操練。一旦發生龍卷風，即可按操練進行躲避。
補篇
2016年6月23⽇下午，江蘇鹽城發⽣了曆史罕⻅的龍卷風災害。新華社記者林晖6月24日在<中國政府網>發表的專稿中，引用了文章“龍尾不卷曳天東”中的文字，寫道“天津⼤學王振東教授介紹，⻰卷⻛是⼀種⻛⼒極強⽽範圍不太⼤的渦旋，狀如漏⽃，⻛速極快，破壞⼒很⼤。⻰卷⻛的⽣存時間⼀般只有⼏分鍾，最⻓也不超過數⼩時。⻰卷⻛經過的地⽅，常會發⽣拔起⼤樹、掀翻⻋輛、摧毀建築物等現象，有時把⼈吸⾛，危害⼗分嚴重。” 全國各地許多報刊當天都引用了新華社記者這篇文章。
作者| 王振東 天津大學力學系教授
