科学家们解开了可能预示致命超级单体风暴的冰羽之谜

当乌云密布的冰柱和水蒸气在一场严重雷暴的顶部翻滚时，很有可能一场猛烈的龙卷风、大风或比高尔夫球还大的冰雹很快将冲击下面的地球。

9月10日在《科学》杂志上发表的斯坦福大学领导的一项新研究揭示了这些羽状物形成的物理机制，这些羽状物形成于世界上大多数破坏性最强的龙卷风之上。

此前的研究表明，它们很容易在卫星图像中被发现，通常在恶劣天气到达地面前30分钟或更长时间。这项新研究的主要作者、大气科学家摩根·奥尼尔（Morgan O'Neill）说：“问题是，为什么这股烟羽与最恶劣的条件有关，它是如何首先存在的？这就是我们开始填补的空白。”

这项研究是在超级单体雷暴和龙卷风在飓风艾达（Ida）的残余物中卷起后一个多星期进行的，飓风艾达（Ida）冲入美国东北部，使该地区因创纪录的降雨和山洪暴发而遭受的破坏更加严重。

了解强雷暴上方羽流形成的方式和原因，有助于预报员识别类似的迫近危险，并在不依赖多普勒雷达系统的情况下发布更准确的警报。多普勒雷达系统可能会被风和冰雹击毁，甚至在天气好的时候也会出现盲点。在世界许多地方，多普勒雷达的覆盖范围是不存在的。

“如果有可怕的飓风，我们可以从太空中看到。我们看不到龙卷风，因为它们隐藏在雷暴顶部之下。我们需要更好地了解顶部。”斯坦福大学地球、能源与科学学院地球系统科学助理教授O'Neill说；环境科学（斯坦福地球）。

超级单体风暴和爆*湍流

产生大多数龙卷风的雷暴被称为超级单体，这是一种罕见的具有旋转上升气流的风暴，可以以每小时150英里以上的速度冲向天空，其能量足以冲破地球对流层（我们大气层的最底层）的通常盖子。

在较弱的雷暴中，上升的湿空气流在到达这个称为对流层顶的盖子时趋于变平并扩散，形成铁砧状云。超级单体雷暴的强烈上升气流将对流层顶向上压入大气的下一层，形成了科学家们称之为超调顶的结构。奥尼尔说：“它就像一个喷泉，顶着我们大气层的下一层。”

当高层大气中的风在突出的风暴顶部上空和周围疾驰时，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，形成一个信号羽流，技术上称为“铁砧上卷云羽流”（AACP）。

超调顶部上升的空气很快就向对流层加速，就像一个球在到达顶峰后向下加速一样。同时，空气在平流层的圆顶上流动，然后沿着有遮蔽的一侧向下流动。

奥尼尔和他的同事通过对理想化超级单体雷暴的计算机模拟发现，这会在对流层顶激发一场下坡风暴，风速超过240英里/小时。奥尼尔说：“从平流层下降的干空气和从对流层上升的湿空气共同形成了这股非常狭窄、疯狂的高速气流。这股气流变得不稳定，整个气流在湍流中混合和爆*。”“以前从未观察到或假设过风暴顶部的这些速度。”

水跃

科学家们早就认识到，上升到高层大气中的潮湿空气的风暴顶部过冲，可能会像固体障碍物一样阻碍或改变气流方向。有人提出，在这些顶部流动的潮湿空气波可以破碎并将水送入平流层。但到目前为止，还没有任何研究能够解释所有的碎片是如何组合在一起的。

新的模型表明，伴随着羽流风暴的大气湍流爆*通过一种称为水跃的现象展开。当疾风翻过山峦并在下坡侧产生湍流时，或者当水流从大坝溢洪道顺流而下时，在与下方缓慢流动的水流汇合时突然迸发出泡沫时，同样的机制也在发挥作用。

早在16世纪，莱昂纳多·达芬奇就在流水中观察到了这种现象，古罗马人可能试图限制渡槽设计中的水力跳跃。但到目前为止，大气科学家只看到了由固体地形引起的动态。新的模型表明，水跃也可能由大气层中几乎完全由空气构成的流体障碍物触发，这些障碍物在离地球表面几英里的地方每秒都在改变形状。

模拟表明，跳跃的开始与水蒸气惊人地快速注入平流层的同时发生，速度高达每秒7000公斤。这比之前的估计高出两到四倍。一旦到达地球表面，水可能会在那里停留数天或数周，通过破坏平流层中的臭氧并使地球表面变暖，从而可能影响到达地球的阳光的数量和质量。“在我们展示羽毛的模拟中，水深入到平流层深处，在那里可能会有更多的长期气候影响，”威斯康星大学麦迪逊分校大气科学家Leigh Orf说。

根据奥尼尔的说法，美国宇航局的高空研究飞机直到最近才获得在雷暴顶部观测三维风的能力，还没有在近距离观测到AACP的产生。奥尼尔说：“我们现在有技术去验证我们的建模结果，看看它们是否真实。”“这真是科学界的一个好地方。”