成都六月天大风，发屋动地声势雄。黑云崔巍行风中，凛如鬼神塞虚空。霹雳并火射地红，上帝有命起伏龙。龙尾不卷曳天东，壮哉雨点车轴同。山摧江溢路不通，连根拔出千尺松。未言为人作年丰，伟见一洗芥蒂胸。
这是宋代诗人陆游（1125-1210）在成都为官时所写的七言古诗《龙挂》，他曾先后担任成都府安抚司和四川制置司的参议官。黑云崔巍（wéi）,是指积雨云垂直发展旺盛，云色乌黑，从地面望去，好象耸立于天空的一座座大山。
凛（lǐn）如，指可怖的样子。“霹雳并火射地红”句，描述了龙卷风的出现时，伴有大风、雷电和暴雨。曳（yè）,是拖的意思。“龙尾不卷曳天东”的龙尾，是指龙卷风的漏斗状下垂尾巴，它一边旋转，一边拖着前进；龙卷风的中心气压低，上卷力非常大，如连接地面，就能“连根拔出千尺松”。一洗芥蒂胸,表示当看到了龙卷风的奇伟壮观之后，使胸襟为之开。
苏轼（1037-1101）《连雨江涨二首其一》一诗，也说到了龙卷风
床床避漏幽人屋，浦浦移家蜑子船。龙卷鱼虾并雨落，人随鸡犬上墙眠。
这是作者在贬位于东江下游南岸的惠州（今广东省惠州市惠阳区）时所作。“龙卷鱼虾并雨落”，是发生在水域的“水龙卷”的特点。幽人，指隐逸之人，为作者自称，有遂臣的意思。浦，指小河流入江海的地方。蜑（dàn）子，指过去广东、广西、福建内河和沿海一带的水上居民，多以船为家，从事渔业、运输业。
龙卷风是一种灾害天气
龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋，状如漏斗，风速极快，破坏力很大。其中心的气压可以比周围气压低10％。龙卷风的出现和消失都十分突然，很难进行有效的预报。
龙卷风上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。远远看去，它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒，而且很像一个摆动不停的大象鼻子。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷”（或称“海龙卷”，waterspout，如图1）；
出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷”（landspout，美国国家气象局称dust-tube tornado，如图2）。世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美國，水龙卷通常发生在美国东南部海岸，尤其在佛罗里达南部和墨西哥湾。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一种，其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小，但是它们仍然是相当危险的。
图1 2009年6月29日在美国圣约翰河上出现的水龙卷
图2 2008年5月8日美国堪萨斯州大草原上空的陆龙卷
龙卷风的生存时间一般只有几分钟，最长也不超过数小时。龙卷风经过的地方，常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象，有时把人吸走，危害十分严重。有记录以来美国最致命的龙卷风是发生于1925年3月18日，越过了密苏里州东南部、伊利诺伊州南部和印地安那州北部的“三洲大龙卷”，导致600多人死亡。
龙卷风的力气是很大的。据报道记载，1879年5月30日下午4时，在美国堪萨斯州北方的上空有两块又黑又浓的乌云合并在一起。15分钟后在云层下端产生了涡旋。涡旋迅速增长，变成一根顶天立地的巨大风柱，在3h内像一条孽龙似的在整个州内胡作非为，所到之处无一幸免。
但是，最奇怪的事是发生在刚开始的时候，龙卷风涡旋横过一条小河，遇上了一座峭壁，显然是无法超过这个障碍物，涡旋便折抽西进，那边恰巧有一座新造的75 m长的铁路桥。龙卷风涡旋竟将它从石桥墩上“拔”起，把它扭了几扭然后抛到水中。在我国，1956年9月24日上海曾发生过一次龙卷风，它轻而易举地把一个1.1ⅹ105kg的大储油桶“举”到15m高的高空，再甩到120 m以外的地方。
在美国，龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重，经常是毁灭性的。在强烈龙卷风的袭击下，房子屋顶会像滑翔翼般飞起来（如图3，4）。一旦屋顶被卷走后，房子的其他部分也会跟着崩解。1995年在美国俄克拉何马州阿得莫尔市发生的一场陆龙卷,诸如屋顶之类的重物被吹出几十km之远。大多数碎片落在龙卷通道的左侧，按重量不等常常有很明确的降落地带。较轻的碎片却飞到300 km外才落地。
图3 美国南部2008年2月5日的龙卷风
图4 美国中部2009年4月10 日的龙卷风
龙卷风的产生原因
龙卷风究竟是怎样形成的？可以从夏日晴天在操场上常能看到的一种现象，得到启示：一阵风刮来，突然在操场中间出现了一个气流涡旋，它卷起了沙土和树叶随气流旋转，而且越转越快地在移动着，过了一会，又迅速慢了下来，突然消失了。这是很小尺度的气流不稳定性造成的，被称为尘卷风（图5）。
图5 操场上的尘卷风
龙卷风则是中尺度的气流不稳定性造成的，其平均直径为200-300m，直径最小的不过几十m，只有极少数直径大的才达到1000 m以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均15 m/s，最快的可达70 m/s；移动路径的长度大多在10 km左右，短的只有几十m，长的可达几百km以上。它造成破坏的地面宽度，一般有l-2 km。
普遍认为，龙卷风是云层中雷暴的产物，是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式（如图6）。
图6 龙卷风的示意图
龙卷风的形成过程，大致可分为4个阶段：
（1）大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。
（2）由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。
（3）随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部生成，形成龙卷核心。
（4）龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。
由上可以看出，龙卷风的形成和消失，都是气流运动不稳定的过程。
美国的龙卷风为什么多
美国的龙卷风不仅数量多，而且强度大,被称之为“龙卷之乡”。这主要是和美国的地理位置、气候条件以及大气环流特征有关。美国东濒大西洋，西靠太平洋，南面又有墨西哥湾，大量的水汽不断从东、西、南面流向美国大陆。美国主要处在中纬度，春夏季常受副热带高压控制，即使在秋冬季，也常受其边缘影响。在副高南部和西部是偏东和东南气流最活跃的地方，它把大西洋和墨西哥湾的大量暖湿空气源源不断向美国大陆输送，这是产生雷雨云的充分条件。雷雨云不断地强烈发展，龙卷风就伴随而来。
美国龙卷风发生最多的是中西部和南部的广阔区域（如图7，8，9）,有人将美国这一常发生龙卷风的区域称为“龙卷风道”。美国约有 54% 的龙卷风发生在春季，5月份副热带高气压控制美国，其西缘正好停留在中西部，这时，东南气流把墨西哥湾的暖湿空气从南向北大量输送。空气中有了充足的水汽，又有了强烈的垂直上升运动，雷雨云就会强烈产生，经常发展成龙卷云而产生龙卷。6月份大量的暖湿空气向北移到堪萨斯州、内布拉斯加州和艾奥瓦州，7月份移到加拿大，从此，美国的龙卷数量就大大减少了。
图7 1936年4月5日在美囯Yalobusha 附近形成带闪电的龙卷风
图8 2009年6月17日美国内布拉斯加州一个小旅馆附近的龙卷风
图9 2005年6月9日美国堪萨斯州希尔城附近的龙卷风
据近50年的统计，美国上空发生龙卷的次数至少增加 35 倍。有时没有龙卷云，但也会发生“龙卷”，这种特殊的龙卷称为“无云龙卷”，竟占美国龙卷的一半左右。这种怪现象是怎样形成的呢？
有人认为，这是和奔驰在公路上的汽车数量增多有着密切的关系。现在美国公路干线上经常运行的小汽车不下 200万辆，卡车 60多万辆，美国交通实行靠右侧行驶，每当高速运行的两辆车错车时，就会形成逆时针方向的空气涡旋。众多辆汽车产生的空气涡旋叠加起来，就会形成一股强大的涡旋。这股强大的涡旋，一旦遇到合适的天气系统和大气温湿条件，也会诱发龙卷风。
在北美洲，尽管龙卷风季节通常从3月到10月，但一年中随时都可能出现龙卷风,且在午后和晚上容易出现,超过80%的龙卷风在正午和午夜之间發生（如图10）。
图10 2010年3月9日美国俄克拉荷马州哈蒙镇遭到龙卷风袭击
除南极洲外的每块大陆都发现有龙卷风，只是美国遭受的龙卷风比其他任何国家或地区都多些。除此之外，龙卷风在加拿大南部、亚洲中南部和东部、南美洲中东部、非洲南部、欧洲西北部和东南部、澳大利亚西部和东南部以及新西兰等地区也常有出现（如图11，12，13，14）。
图11 2008年在俄罗斯西伯利亚同时出现了二个水龙卷
图12 2008年西伯利亚的水龙卷
图13 2005年5月5日上午珠海的龙卷风
图14 2009-5-20在珠海度假村拍到的龙卷风
龙卷风的灾害分级
龙卷风灾害的强度分级法，是由藤田哲也博士1971年提出的，被称为藤田级数（Fujita-scale），2006年科学家对其进行了修正，形成“改进型藤田级数”（Enhanced Fujita-scale），并于2007年启用。美国气象部门2007年2月以后，开始使用改进型藤田级数划分龙卷风的灾害等级（如图15）。
龙卷风的破坏力由小到大，按藤田级数可划分为F0至F5级，也可按改进型藤田级数划分为从EF0到EF5级的6个等级。
表1. 藤田級数及改进型藤田級数所属的风速比较
我国现采用国际上通用的改进型藤田级数来划分龙卷风灾害等级
图15 龙卷风灾害等级划分图
EF-0级：最大风速29-37 m/s（105-137 km/h），相当于11-13级台风；破坏程度轻微，可导致部分屋顶表皮被剥落，一些树枝被风吹落，根系较浅的树木被吹倒。
EF-1级：最大风速38-49 m/s（138-178km/h），相当于13-15级台风；破坏程度中等，可造成大片屋顶掀起，移动房屋被吹翻或损毁严重，窗户或其他建筑物的玻璃爆裂。
EF-2级：最大风速50-60 m/s（179-218km/h），相当于15-17级台风；破坏程度较大，足以令建筑质量良好的房屋屋顶被掀翻；木制房屋的地基移动；移动房屋完全摧毁，大树被吹折或连根拔起。
EF-3级：最大风速61-73 m/s（219-266 km/h），相当于17级以上台风；破坏程度严重，可以令较结实的房屋屋顶墙壁吹走，列车出轨甚或翻转，森林中大半树木连根拔起，重型车辆离地或卷走。
EF-4级：最大风速73-89 m/s（267-322 km/h ）；属破坏性灾害，如果房屋地基不十分坚固，将被卷走一段距离，汽车有如导弹般飞起。
EF-5级：最大风速90 m/s或以上，超越一切超强台风，无坚不摧，属于毁灭性灾难。坚固的钢筋混凝土建筑建筑物也能刮起，大型汽车能掀出超过百里，是让人难以想象的巨灾，被其横扫之处无所幸免。
美国1999年的BridgeCreek–Moore龙卷风根据雷达测速估计最大风速达134 m/s（482 km/h），是EF5级的龙卷 。不过，EF-5级发生的机率极低。80%的龙卷风是EF0级和EF1级，EF4级及以上龙卷风仅占1%。
龙卷风防灾减灾的建议
我国古代就有发生龙卷风的记载，本文开头宋代诗人陆游和苏轼的诗，就用诗歌记载了宋代龙卷风灾害的情况。
我国发生龙卷风的地方主要是平原地区，包括华北、华东的平原地区和珠三角，尤其是江苏、上海，是龙卷风多发地区。上海1956年9月24日的龙卷风，是EF-4级的龙卷风。
图16 我国年平均龙卷风分布图
据1991年-2014年的气候资料统计，江苏为我国年平均龙卷数量最多省份，达5.5个，其次为广东4.8个。
如何能够减少龙卷风的危害呢？有主动防御和被动防御两方面。
龙卷风的主动防御主要是指龙卷风预警系统的建设。由于龙卷风从发生至消失的时间短，作用面积较小，目前尚不可能进行预报。甚至于现有的探测仪器也没有足够的灵敏度，来对龙卷风进行准确的观测。相对来说，多普勒雷达是比较有效和常用的一种观测仪器。通常，如果多普勒雷达发现龙卷风的‘初级胚胎’或已经开始生成，气象工作者可加强监视和跟踪，根据各种资料分析这个龙卷风可能会向哪个方位移动，然后向那些位于龙卷风移动路径上的地区发布预警。
图17 多普勒雷达
美国目前的龙卷风预警发布分两个层面：一是国家级的预警中心，发布1至3天的趋势性预警。二是美国各个地区的预警中心，一旦监测到龙卷风出现，就及时发布预警。龙卷风预警一般会提前15分钟发出；个别情况下可在1个小时内提前预警。
美国国家气象局还开展了一项SKYWARN计划，教会人们如何观测龙卷风、漏斗云、云墙以及其他极端天气现象。观测者一旦发现这些天气现象，就可报告当地气象部门，然后结合多普勒雷达的监测资料进行分析，从而提前发现龙卷风的踪迹，以发布预警。
监测技术的进步以及预警传播手段的现代化，大大降低了美国因龙卷风死亡的人数。据统计，美国1925年龙卷风死亡率为每百万人1.8人，到2000年，已下降至每百万人0.11人。
近年来，气候变暖导致我国龙卷风等极端性天气事件频发，近几年广东汕头、海南文昌、江苏盐城等地都出现过龙卷风，造成人员伤亡。目前，我国对于龙卷风监测预警能力还很不足，建议加强建设。
另外，预警系统并非每次都能成功，很多情况尚无法提前预测，也会造成的重大损失和人员伤亡。在这种情况下，被动防御龙卷风就尤为显得重要了。
如何被动防御龙卷风？
采用电影、电视和移动互联网等现代化信息传播手段，可让龙卷风多发地区的公众了解，当龙卷风出现时必要的一些紧急自救避险措施。例如以下几个措施：
(1) 在家时，务必远离门、窗和房屋的外围墙壁，躲到与龙卷风方向相反的墙壁或小房间内抱头蹲下。躲避龙卷风最安全的地方是地下室或半地下室。
(2) 在电杆倒、房屋塌的紧急情况下，应及时切断电源，防止电击人体和引起火灾。
(3) 在野外遇到龙卷风时，因为龙卷风一般不会突然转向，应在与龙卷风路径相反或垂直的低洼处，伏于地面，但要远离大树、电杆，以免被砸、被压和触电。
(4) 乘汽车外出遭遇龙卷风时，因汽车可能随时会被龙卷风卷走，所以不能开车躲避，也不要待在汽车中。应立即离开汽车，到低洼地躲避。
在龙卷风多发地区，建议可像预防地震那样，进行龙卷风突然来临时的避险演习操练。一旦发生龙卷风，即可按操练进行躲避。
补篇
2016年6月23⽇下午，江苏盐城发⽣了历史罕⻅的龙卷风灾害。新华社记者林晖6月24日在<中国政府网>发表的专稿中，引用了文章“龙尾不卷曳天东”中的文字，写道“天津⼤学王振东教授介绍，⻰卷⻛是⼀种⻛⼒极强⽽范围不太⼤的涡旋，状如漏⽃，⻛速极快，破坏⼒很⼤。⻰卷⻛的⽣存时间⼀般只有⼏分钟，最⻓也不超过数⼩时。⻰卷⻛经过的地⽅，常会发⽣拔起⼤树、掀翻⻋辆、摧毁建筑物等现象，有时把⼈吸⾛，危害⼗分严重。” 全国各地许多报刊当天都引用了新华社记者这篇文章。
作者| 王振东 天津大学力学系教授
