为什么美国有这么多龙卷风？新研究挑战50年前的假设

普渡大学的丹-查瓦斯（Dan Chavas）利用计算机模型研究地理变化（如山脉变平或海面改变）如何影响北美洲龙卷风的发生，从而深入了解驱动恶劣天气的气候因素。

在美国中西部较为温暖的几个月里，研究天空中风暴和龙卷风的迹象是一种很受欢迎的消遣方式。普渡大学理学院地球、大气和行星科学系副教授丹-查瓦斯（Dan Chavas）则更进一步。他每天都致力于了解龙卷风的力学原理。他在气候科学和气象学的交叉点上工作，探索导致强风暴和龙卷风的主要因素，以及决定龙卷风位置的因素。

"我既研究气候，也研究极端天气，"查瓦斯说。"我的研究工作让我提出一个问题：'为什么会有强雷暴或龙卷风？'地球上有一些特定区域比其他地方有更多的风暴和龙卷风。是什么造就了这些多风暴的地区？"

美国中部和东部地区是强雷暴的高发区，也是地球上破坏力最大、龙卷风最频繁的热点地区。查瓦斯利用真实世界的计算机模型进行实验，以确定这些风暴形成的原因。

他说："关于风暴的成因已经有了几十年的假设。我们正在验证这些假设，并找出是什么让北美洲成为这样一个热点"。

丹-查瓦斯（Dan Chavas）是极端天气方面的专家：包括创造条件的气候科学和天气本身的物理学，包括飓风、强雷暴和龙卷风。图片来源：普渡大学照片/Greta Bell

查瓦斯不是追风者。他不会开着一辆顶着卫星电线的气象车去追逐单个风暴，以获取它们可能带来的启示。他也不能在实验室里培育风暴或释放龙卷风，以了解它们的构造或行为。相反，他利用数十年丰富、详细的历史数据和复杂的计算机模型来想象和测试假设情景。他是一位风暴测试专家。

"我们利用天气和气候模型，以及大量雷暴、闪电、大气数据等数据库，提出'如果世界有所不同会怎样'的问题"。查瓦斯说。"我们可以利用这些模型作为实验室，提出'如果把落基山削平，天气会怎样？如果填平墨西哥湾会怎样？现代大陆和山脉构造的哪些方面真正重要？让我们来检验一下这种流行的传统智慧吧'"。

这两种假设--夷平落基山脉和填平墨西哥湾--都是查瓦斯和他的团队研究的重点。

50 多年来，人们一直认为，墨西哥湾是洛基山脉以东内陆暖湿气流的源头，在北美龙卷风的形成过程中扮演着重要角色。但没有人知道这一点。

查瓦斯说："这是一个非常合理的假设。有很多非常合理的解释。但是没有人能够检验这些已有 50 年历史的想法，因为这些想法出现的时候，气候模型还不具备必要的计算能力。现在，我们可以真正开始了解这种情况的物理学原理了。"

当他的研究小组模拟几乎用陆地填平墨西哥湾时，他们发现，干燥的墨西哥湾对风暴频率和严重程度的影响远远低于他们的预期。如果没有墨西哥湾，强雷暴就会从大平原中部向东转移到伊利诺伊州，但德克萨斯州南部的强雷暴却有所减少。

"强雷暴和龙卷风形成于具有特定成分的环境中，这些成分决定了温度、湿度，尤其是风速和风向如何随大气高度而变化，"查瓦斯说。"气候决定了这些成分在何时何地可以结合在一起形成这些类型的风暴。计算机模型让我们了解这些成分最初存在的原因以及它们在我们所看到的天气中各自扮演的角色。"

在他与研究生李富宁最近发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究中，研究小组比较了以龙卷风闻名的北美洲和南美洲的恶劣天气潜势，南美洲的地理环境与北美洲相似，也有许多强雷暴，但龙卷风要少得多。他们的研究得到了美国国家科学基金会和美国国家航空航天局的资助。

他们发现，安第斯山脉以东的地表质地粗糙，其粗糙度部分是由亚马逊地区的山丘和高大树木决定的，这可能在防止南美洲中部龙卷风方面起了很大作用。与此相反，在北美洲，许多龙卷风形成于落基山脉以东，那里的空气从墨西哥湾平滑得多的海洋表面流入。研究小组首先使用气候模型进行实验，将南美洲赤道平滑成类似于海洋表面，这大大增加了南美洲中部龙卷风的可能性。他们还进行了实验，将墨西哥湾地区的表面粗糙化，使其类似于森林覆盖的陆地表面，这极大地抑制了北美龙卷风的潜势。

"上游粗糙的地表意味着下游的风在地表附近不再随高度强烈地改变速度和方向，我们称之为'风切变'。这并不会改变强雷暴的成分，但地面上方 1 公里空气中的风切变是龙卷风的关键成分。"

查瓦斯对真实的天气和实际应用非常着迷，在他4岁时，威斯康星州的一棵被暴风雨摧毁的大树倒在了他家的房子上。他的研究对现实世界的影响--下周、下个月、明年和下个世纪的天气会怎样--是他的动力所在。

查瓦斯说："如果我们想了解气候变化将如何影响未来的天气，我们首先需要了解气候是如何决定天气的。我们对气候如何控制我们所面临的恶劣天气还不是很了解。"

例如，了解地表粗糙度和土地利用如何改变天气，可以让未来的人类更好地预测甚至部分影响天气模式。如果说亚马逊的粗糙土地（包括亚马逊树木的成分）保护了南美洲免受龙卷风的侵袭，那么美国东部森林的重新生长是否也会影响龙卷风呢？

"气候变化会影响大气流动模式和陆地上的水分分布。如果我们改变陆地表面和从墨西哥湾流向内陆的空气轨迹，可能会对这些在更远的内陆地区产生龙卷风的成分产生直接影响。当我们考虑气候变化时，我们想到的是天气越来越热，土地越来越干燥。但是，如果喷气流改变了空气向内陆流动的位置和速度，就会改变龙卷风形成的位置和方式。以前没有龙卷风的地方可能会出现更多龙卷风，而以前龙卷风较多的地方可能会出现较少龙卷风，"他说。"我们需要了解现在的天气，以帮助我们更好地预测未来的天气。"

编译自/ScitechDaily