史丹福大學科學家解開可能預示著致命超級風暴的冰冷羽流之謎

據媒體報導,最具破壞性的龍卷風往往是在嚴重的雷暴上方出現冰和水蒸氣的雲狀羽流之前發生的。新的研究顯示,這些羽流的機制可能與 「水躍」(hydraulic jump)有關--這是達文西在500多年前觀察到的一種現象。

當冰和水蒸氣的雲狀羽流在嚴重雷暴的頂部飄起時,很可能很快就會有猛烈的龍卷風、大風或比高爾夫球還大的冰雹撲向下面的地球。9月10日發表在《科學》雜誌上的一項由史丹福大學領導的新研究揭示了這些羽狀物的物理機制,它們在世界大多數最具破壞性的龍卷風上方形成。

史丹福大學科學家解開可能預示著致命超級風暴的冰冷羽流之謎

以前的研究表明,它們很容易在衛星圖像中被發現,往往在惡劣天氣到達地面前30分鍾或更早。「問題是,為什麼這種羽流與最惡劣的條件有關,以及它首先是如何存在的?這就是我們開始填補的空白,」新研究的主要作者、大氣科學家 Morgan O’Neill說。

這項研究是颶風「艾達」席捲美國一個多星期後進行的,這些颶風襲擊了美國東北部,創紀錄的降雨和山洪給整個地區帶來了更大的破壞。了解羽流如何以及為什麼在強大的雷暴上方形成,可以幫助預報員識別類似的即將發生的危險,並發出更准確的警告,而不需要依賴都卜勒雷達系統,因為這些系統可能被風和冰雹擊倒–即使在好天氣也有盲點。在世界的許多地方,都卜勒雷達的覆蓋范圍是不存在的。

「如果將有一個可怕的颶風,我們可以從太空中看到它。我們不能看到龍卷風,因為它們隱藏在雷暴頂層之下。我們需要更好地了解頂部,」O’Neill說,他是史丹福大學地球、能源和環境科學學院的地球系統科學副教授。

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超大型風暴和爆炸性湍流

催生大多數龍卷風的雷暴被稱為超級單體風暴,這是一種罕見的風暴品種,它的旋轉上升氣流可以以每小時150英里的速度沖向天空,其力量足以沖破地球對流層的通常「蓋子」。在較弱的雷暴中,上升的潮濕氣流在到達對流層時傾向於變平和擴散,形成一個砧板狀的雲。一個超級大的雷暴的強烈上升氣流將對流層向上壓到大氣層的下一層,形成科學家們所說的「過沖 」。 O’Neill說:「它就像一個噴泉,把我們大氣層的下一層推上去了。」

當高層大氣中的風在突出的風暴頂部上方和周圍「競賽」時,它們有時會激起水蒸氣和冰流,這些水蒸氣和冰流射入平流層,形成明顯的羽流,技術上稱為砧上卷雲羽(AACP)。頂端上升的空氣很快就加速向對流層返回,就像一個在高空飛行後加速向下的球。同時,空氣在平流層的穹頂上流動,然後從受保護的一側飛速下降。

O’Neill及其同事使用計算機模擬了理想化的超級單體風暴,發現這激發了對流層頂的下降風暴,那里的風速超過每小時240英里。「從平流層下降的乾燥空氣和從對流層上升的潮濕空氣在這個非常狹窄的、瘋狂的快速噴流中結合起來。噴流變得不穩定,整個東西在湍流中混合並爆炸,」O’Neill說。「風暴頂部的這些速度以前從未被觀察到或假設過。」

「水躍」

科學家們早就認識到,過量的潮濕空氣上升到高層大氣的風暴頂部可以像固體障礙物一樣,阻擋或改變氣流的方向。而且有人提出,流過這些頂部的濕潤空氣的波浪可以打破並將水拋入平流層。但是到目前為止,還沒有研究解釋所有的部分是如何結合在一起的。新的建模表明,伴隨著羽狀風暴的大氣湍流的爆炸是通過一種叫做「水躍」的現象展開的。

達文西早在15世紀就觀察到了流水中的這種現象,古羅馬人可能試圖在水渠設計中限制「水躍」。但是直到現在,大氣科學家們只看到了固體地形所引起的動態。新的建模表明,「水躍」也可以由大氣中幾乎完全由空氣構成的流體障礙物引發,這些障礙物在地球表面數英里的地方每秒鍾都在改變形狀。

模擬結果表明,「水躍」的開始與水蒸氣驚人地快速注入平流層相吻合,每秒超過7000千克。這比以前的估計要高兩到四倍。一旦到達地球上空,水可能在那里停留數天或數周,有可能通過破壞平流層中的臭氧影響到達地球的陽光數量和質量,並使地球表面變暖。共同作者、威斯康星大學麥迪遜分校的大氣科學家Leigh Orf說:「在我們表現出羽流的模擬中,水到達平流層深處,在那里它可能會產生更多的長期氣候影響。」

據O’Neill說,美國宇航局的高空研究飛機最近才獲得觀察雷暴頂部的三維風的能力,還沒有近距離觀察AACP的產生。「我們現在有了技術,可以去驗證我們的建模結果,看看它們是否符合實際,」O’Neill說。「這真是科學中的一個甜蜜點」。

來源:cnBeta