一项由斯坦福大学领导的新研究于 9 月 10 日发表在 科学,揭示了这些羽流的物理机制,这些羽流形成于世界上大多数最具破坏性的龙卷风之上。

以前的研究 已经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之前 30 分钟或更长时间。 “问题是,为什么这种羽流与最坏的条件有关,它最初是如何存在的?这就是我们开始填补的空白,”大气科学家说 摩根奥尼尔,这项新研究的主要作者。

这项研究是在超级单体雷暴和龙卷风席卷美国东北部时在飓风艾达的残余中旋转一周后进行的,它们加剧了该地区因破纪录的降雨和山洪暴发而造成的破坏。

了解羽流如何以及为什么在强大的雷暴之上形成可以帮助预报员识别类似的迫在眉睫的危险并发出更准确的警告,而无需依赖可能被风和冰雹击倒的多普勒雷达系统 - 并且 盲点 即使在好日子。在世界的许多地方,多普勒雷达覆盖范围是不存在的。

“如果会有一场可怕的飓风,我们可以从太空看到它。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,”斯坦福大学地球系统科学助理教授奥尼尔说。 地球、能源与环境科学学院 (Stanford Earth).

超级单体风暴和爆炸湍流

那些雷暴 产生最多的龙卷风 被称为超级单体,这是一种罕见的风暴,具有旋转上升气流,可以以每小时 150 英里以上的速度冲向天空,有足够的力量冲破地球对流层(我们大气的最低层)通常的盖子。

科学家解开超级单体风暴冰冷羽流之谜 

铁砧上方的卷云羽从风暴的顶部散发出来。 (Image credit: NASA)

在较弱的雷暴中,上升的潮湿空气流在到达这个称为对流层顶的盖子时趋于变平和扩散,形成一个铁砧状的云。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,形成科学家所说的超顶顶。奥尼尔说:“这就像一个喷泉,顶着我们大气的下一层。”

当高层大气中的风在突出的风暴顶部上空盘旋时,它们有时会掀起水蒸气和冰流,这些水蒸气和冰流射入平流层形成明显的羽流,技术上称为铁砧上的卷云羽流,或 AACP .

过冲顶部上升的空气很快就会加速返回对流层,就像一个球在高空升起后加速向下。与此同时,空气在​​平流层的穹顶上方流动,然后沿着遮蔽的一侧向下流动。

通过对理想化超级单体雷暴的计算机模拟,奥尼尔及其同事发现,这会在对流层顶激发下坡风暴,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加入了这个非常狭窄、速度极快的喷流。喷气机变得不稳定,整个东西在湍流中混合并爆炸,”奥尼尔说。 “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,上升到高层大气的潮湿空气的过冲风暴顶部可以像固体障碍物一样阻挡或改变气流。并且有人提出,流过这些顶部的潮湿空气波会破裂并将水吹入平流层。但迄今为止,还没有研究解释所有部分是如何组合在一起的。

新模型表明,伴随着羽状风暴的大气湍流的爆发是通过一种称为水跃的现象展开的。当狂风翻过山峦并在下坡一侧产生湍流时,或者当顺着大坝溢洪道顺流而下的水在加入下方流动较慢的水时突然爆裂成泡沫时,同样的机制也在起作用。

列奥纳多·达芬奇 观察到现象 早在 1500 年代就在流动的水中,古罗马人可能试图限制渡槽设计中的水跃。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。新模型表明,大气中几乎完全由空气构成的流体障碍物也可以引发水跃,这些障碍物每秒钟都在改变形状,距离地球表面数英里。

模拟表明,跳跃的开始恰逢水蒸气以每秒 7000 公斤的速度快速注入平流层。这比之前的估计高出两到四倍。一旦到达主世界,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,可能会影响到达地球的阳光的数量和质量。 “在我们展示羽流的模拟中,水深入平流层,在那里它可能会对气候产生更多的长期影响,”合著者说 利奥尔夫,威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家。

据奥尼尔介绍,美国宇航局的高空研究飞机最近才获得了观察雷暴顶部三维风的能力,还没有近距离观察到AACP的产生。 “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,”奥尼尔说。 “这真的是科学界的一个甜蜜点。”

这项研究得到了美国国家科学基金会和 NASA 降水测量任务和地面验证计划的支持。

奥尼尔还是斯坦福森林环境研究所的中心研究员(礼貌地)。其他合著者隶属于威斯康星州麦迪逊的气象卫星研究合作研究所;和位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心。