视频来源于网络
龙卷风是一种从地面垂直延伸至积云云底的快速旋转空气柱（AMS glossary）。常表现为目视可见的接地漏斗云形态，有时也呈现出仅部分可见的状态。当龙卷风出现在陆地上时，在近地面通常伴有高速旋转的尘土或灾害碎屑（图1）。漏斗云（水凝物）和灾害碎屑是直接可见的，而旋转性大风在没有这些示踪物时是不可见的。
图1. 由M. Parker拍摄的龙卷风照片，漏斗云主要存在于涡旋柱的上半部分，下部分由近地面强旋转风速卷起的灰尘和灾害碎屑组成。图片改编自Fischer et al.(2024)论文。
我们以典型超级单体龙卷为例，这里先摆出4个基本的物理事实作为讨论前提：
（1）空气中不可见的“水汽”凝结成可见的“水滴”，可通过降低温度或减小气压来实现。
（2）龙卷风涡旋柱内部，是低气压区（图2），近地面环境气流从周围汇聚到该区域。
（3）龙卷风所在位置具有强烈的上升气流（图2c）。
（4）连接云底的漏斗云，其成分主要是小水滴；近地面的漏斗云中除水滴外，还裹挟着大量的灰尘、泥沙颗粒等残渣碎屑（图1）。
图2. 高分辨率数值模拟出的一个强龙卷风示例。图片改编自Yao et al. (2018)论文。
在晴空条件下，雷暴云从无到有的过程，其实是低层高温高湿空气团在上升气流的作用下（图3a），一路“过关斩将”经历降温减压（P1>P2）达到抬升凝结气压层（P），气团内不可见的水汽开始凝结成小水滴形成云（物理事实#1）。这里抬升凝结气压层所在的高度决定了云底高度。换个说法：大气中气压随高度是递减的，“取经路上”的上升空气团随高度增加，气压减小，经绝热膨胀而温度下降，直到在抬升凝结气压层处达到饱和水汽压（水汽压是温度与气压的函数），进而凝结成水（这里面还涉及到云凝结核的作用，当然这是另一话题）。
图3. 漏斗云形成的示意图，灰色表示云底。虚线表示等气压面高度，红色箭头表示上升气流。涡旋附近的上升空气团（螺旋箭头）较低的高度达到抬升凝结高度，水汽发生凝结形成水滴，漏斗云成形。图片改编自Fischer et al.(2024)论文。
在龙卷风涡旋生成过程中（最初是不可见的），低层涡旋柱附近的上升气团也经历了一路过关斩将（物理事实#3），但不同的是，离心加速使得涡旋柱内部气压比周围环境更低，即形成了低压区（物理事实#2）。如此，等气压面在涡旋柱位置向下凹（因为这里气压随高度减小的更快），此处抬升凝结气压层对应的实际高度也随之降低。上面说到，抬升凝结气压层是一个关键高度，决定了水汽凝结成水滴的位置。因此，相比于外部气流，涡旋柱附近的上升气流将优先凝结出小水滴，即可见的漏斗云。
根据上一段的描述，在龙卷风涡旋形成初期，我们将看到云底先伸出来一个“漏斗”，但此时并未接地（图3b）。在龙卷风进一步发展增强时，增强的涡旋使得涡旋柱内部气压降低得更多（此时地面可能已经出现旋转性强风并致灾）。这将进一步使得抬升凝结高度下降得更多，上升气流就可在更低的高度凝结水滴。到这里，细心的同学脑洞已经开始活跃了！这里描述的过程其实就对应着我们看到的实际现象：漏斗云从云底慢慢下伸（即自上而下），直到地面。当然，在地面的漏斗还夹杂着灾害碎屑（物理事实#4，图1）。
图4. 高分辨率数值模拟出的一个强龙卷风示例。图片改编自Yao et al. (2018)论文。
我们再回到最初的问题：龙卷风生成是“自上而下”还是“自下而上”？根据物理事实#3，龙卷风所在位置具有强烈的上升气流。因此，在一个强烈的上升区域，自然没有作为龙卷本质的旋转空气柱“自上而下”这一说。至于最初看不见的龙卷风初始涡旋柱如何形成的，那是另一个故事，等拖延症晚期患者择机再来故事分解。
最后总结一下：尽管眼睛可见的漏斗云确实是从云底向下发展并最终接触地面，但由于龙卷风涡旋本身处于强烈的上升气流区，所以龙卷风是自下而上生成发展。有时可见到，云底伸出半截漏斗云（未接地），但地面已出现强旋转大风灾害（卷起灾害碎屑）。
因此，一个更合适的说法可能是，初始垂直旋涡在近地面形成发展，随后旋转上升并增强到龙卷风强度，在此过程中伴随着漏斗云自上而下的视觉现象。事实上，这个近地面的垂直涡旋来源不同，其初始高度会有差异（这是另一个故事，在此先不赘述）。
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Yao, D., H. Xue, J. Yin, J. Sun, X. Liang, and J. Guo, 2018: Investigation into the Formation, Structure, and Evolution of an EF4 Tornado in East China Using a High-Resolution Numerical Simulation. J. Meteor. Res., 32, 157–171.
Fischer, J., and Coauthors, 2024: Supercell Tornadogenesis: Recent Progress in Our State of Understanding. Bulletin of the American Meteorological Society, 105, E1084–E1097.
作者 | 白兰强
编辑 | 曹桂梅
审核 | 孟智勇
