斯坦福大学科学家解开可能预示着致命超级风暴的冰冷羽流之谜

当冰和水蒸气的云状羽流在严重雷暴的顶部飘起时，很可能很快就会有猛烈的龙卷风、大风或比高尔夫球还大的冰雹扑向下面的地球。9月10日发表在《科学》杂志上的一项由斯坦福大学领导的新研究揭示了这些羽状物的物理机制，它们在世界大多数最具破坏性的龙卷风上方形成。

以前的研究表明，它们很容易在卫星图像中被发现，往往在恶劣天气到达地面前30分钟或更早。“问题是，为什么这种羽流与最恶劣的条件有关，以及它首先是如何存在的？这就是我们开始填补的空白，”新研究的主要作者、大气科学家 Morgan O'Neill说。

这项研究是飓风“艾达”席卷美国一个多星期后进行的，这些飓风袭击了美国东北部，创纪录的降雨和山洪给整个地区带来了更大的破坏。了解羽流如何以及为什么在强大的雷暴上方形成，可以帮助预报员识别类似的即将发生的危险，并发出更准确的警告，而不需要依赖多普勒雷达系统，因为这些系统可能被风和冰雹击倒–即使在好天气也有盲点。在世界的许多地方，多普勒雷达的覆盖范围是不存在的。

“如果将有一个可怕的飓风，我们可以从太空中看到它。我们不能看到龙卷风，因为它们隐藏在雷暴顶层之下。我们需要更好地了解顶部，”O'Neill说，他是斯坦福大学地球、能源和环境科学学院的地球系统科学副教授。

超大型风暴和爆炸性湍流

催生大多数龙卷风的雷暴被称为超级单体风暴，这是一种罕见的风暴品种，它的旋转上升气流可以以每小时150英里的速度冲向天空，其力量足以冲破地球对流层的通常“盖子”。在较弱的雷暴中，上升的潮湿气流在到达对流层时倾向于变平和扩散，形成一个砧板状的云。一个超级大的雷暴的强烈上升气流将对流层向上压到大气层的下一层，形成科学家们所说的“过冲 ”。 O'Neill说：“它就像一个喷泉，把我们大气层的下一层推上去了。”

当高层大气中的风在突出的风暴顶部上方和周围“竞赛”时，它们有时会激起水蒸气和冰流，这些水蒸气和冰流射入平流层，形成明显的羽流，技术上称为砧上卷云羽(AACP)。顶端上升的空气很快就加速向对流层返回，就像一个在高空飞行后加速向下的球。同时，空气在平流层的穹顶上流动，然后从受保护的一侧飞速下降。

O'Neill及其同事使用计算机模拟了理想化的超级单体风暴，发现这激发了对流层顶的下降风暴，那里的风速超过每小时240英里。“从平流层下降的干燥空气和从对流层上升的潮湿空气在这个非常狭窄的、疯狂的快速喷流中结合起来。喷流变得不稳定，整个东西在湍流中混合并爆炸，”O'Neill说。“风暴顶部的这些速度以前从未被观察到或假设过。”

“水跃”

科学家们早就认识到，过量的潮湿空气上升到高层大气的风暴顶部可以像固体障碍物一样，阻挡或改变气流的方向。而且有人提出，流过这些顶部的湿润空气的波浪可以打破并将水抛入平流层。但是到目前为止，还没有研究解释所有的部分是如何结合在一起的。新的建模表明，伴随着羽状风暴的大气湍流的爆炸是通过一种叫做“水跃”的现象展开的。

达芬奇早在15世纪就观察到了流水中的这种现象，古罗马人可能试图在水渠设计中限制“水跃”。但是直到现在，大气科学家们只看到了固体地形所引起的动态。新的建模表明，“水跃”也可以由大气中几乎完全由空气构成的流体障碍物引发，这些障碍物在地球表面数英里的地方每秒钟都在改变形状。

模拟结果表明，“水跃”的开始与水蒸气惊人地快速注入平流层相吻合，每秒超过7000千克。这比以前的估计要高两到四倍。一旦到达地球上空，水可能在那里停留数天或数周，有可能通过破坏平流层中的臭氧影响到达地球的阳光数量和质量，并使地球表面变暖。共同作者、威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家Leigh Orf说：“在我们表现出羽流的模拟中，水到达平流层深处，在那里它可能会产生更多的长期气候影响。”

据O'Neill说，美国宇航局的高空研究飞机最近才获得观察雷暴顶部的三维风的能力，还没有近距离观察AACP的产生。“我们现在有了技术，可以去验证我们的建模结果，看看它们是否符合实际，”O'Neill说。“这真是科学中的一个甜蜜点”。