尘卷风,火龙卷和城市龙卷与陆龙卷和水龙卷不但起因不同,结构上也有差异。它们的共同特点是没有母云和漏斗云。实际上它们是一种旋风,只有较强的旋转运动和上升气流,这点也是与龙卷相同的地方。
尘卷风,在春季和初夏,在干燥多尘沙的地区经常可看到小范围的旋涡,在这些旋涡中,气流夹带着沙土旋转上升,这就是尘卷风。尘卷风也就是平常所说的旋风。它们是草原、沙漠和干燥地区的常见现象。每当春末夏初天气干燥之际,在我国内蒙古自治区、甘肃等地最容易出现尘卷风。
在干热的沙漠地区最易发生尘卷风。尘卷风形成的一个重要条件是地表面要有高的温度。在晴朗碧空的日子,如果天气又是静稳无风,地面受太阳光照射造成的强烈加热可以满足这一条件。一旦地表面受热,低层空气也迅速地增热,结果在低空形成很不稳定的温度分布,常常在很薄的近地面气层中能产生3—5℃/米的强温度递减率(相当于100米下降300~500℃)。这样到一定程度,贮存的不稳定能量就释放出来,引起强烈的上升气流。由于空气很干燥,不会有云形成。只能形成前面所述的强烈热泡。随着空气上廾的开始,周围其它空气迅速地冲来补充到原来的位置上。这种向内辐合的空气,在外国时旋转较慢,当移入旋风中心时,旋转愈来愈快。这与一个滑冰者,当它突然收回双臂抱紧时,旋转突然加快的情况相似,它们都遵从角动量守衡原理,即旋转半径减小,则运动速度增加,在不少尘卷风中都可造成较强的风速,常达20米/秒左右。
人们能够看到尘卷风是因为它夹带着大量的尘沙及其它碎片、杂物到达很高的高度,有些尘卷风或沙卷风的尘柱可高达1千米或1.5千米。一般说来,尘卷风的破坏力比龙卷风要小,但也能造成一定程度的破坏。另外对飞行的影响也很大,可以造成明显的颠簸。尘卷风一旦进入潮湿或大片植物或农作物区时就会消散。
火龙卷 火山爆发和大火灾时产生积雨云和雷暴的事实早已为人们所知道。例如1874~1875年间的冬天,冰岛的一个火山大爆发,结果发生了浓厚的雷暴云,不断的闪电和激烈的雷声,天地均为之震动。同时空气强烈带电(静电),在许多突起或尖端的地方都冒出了小火花。一般情况下,冰岛很少出现雷暴,既使有也很弱。因而这种由火山爆发产生的雷暴在当地是很奇异的现象。
火山爆发时产生雷暴的原因很简单。在火山爆发时,大量的岩浆向外流散或喷射,其中有大量的水蒸汽也随之冒出,并且以巨大的力量向上冲出,几分钟内带有火山灰的蒸汽柱可以发展到很高的高度。在那里,水汽开始凝结形成巨大的灰尘云,这种云与积雨云十分相似,同样可看到闪电和暴雨。当意大利有名的维苏威火山爆发时也见到过这种积云。既然有积雨云或雷暴生成,其中出现龙卷的可能性是存在的,但由于观察条件所不允许,人们并没有留下关于这种火龙卷存在的记载。
人们发现火龙卷主要是在大火灾之后。巨大的火灾一般都能产生积雨云。1923年9月1日东京及其邻近地区发生了大地震,之后引起了大规模的火灾,大火无法控制、到处蔓延,燃烧达40小时之久。在大火区,上升的烟和热空气产生了浓厚的对流云,这些云以后又发展成积雨云,结果在一些地区下了阵雨,但由于雨量不大,并未能把大火扑灭。高大的积雨云在40千米以外的地方都能见到。许多成球状的凸出部分在阳光照耀下发出银白色的光辉,比普通的积雨云更明显,云顶估计在6~8千米。就在这些积雨云中,从云底有一些龙卷向地面伸展,其中一些强度很大,可使沿途遭到明显破坏,它们把大火区以外的汽车和人吸起,有一间房屋连同里面的7~8个人一起被龙卷吸起。据统计,在那次大地震之后24小时内,在东京出现了120个火龙卷和烟卷风。事实表明,那次人民伤亡惨重的原因主要倒不是由地震引起,而是大火灾造成。
城市龙卷 近20年来在世界上许多几百万人口以上的大城市中,尤其在一些国家人口稠密,工业、交通集中的首都地区,城市龙卷的发生数目明显减少,而在郊区龙卷频数在增加。因而一个大城市可以明显地划分为无龙卷区和龙卷区两部分。无龙卷区像一个马蹄形位于市区,它似乎在告诉人们龙卷有避开城市中心发生的趋向。在市区周围包围着一个半环状的龙卷带。在许多大城市都发现龙卷或漏斗最常出现在这个半环的西南部和北部一西北部,这里常是城市的上风缘。接近城市市区,龙卷减少。
在人中稠密、工业集中、交通发达的大城市为什么会出现这样奇特的龙卷分布呢?根据从卫星拍摄(在近红外光谱带)照片,发现在照片上河流、水域、市区以及铁路、工厂等都是黑色的,这些黑色的区域与无龙卷区很一致。这个对应关系不应看作是偶然的,它可能表明由于人类活动在城市周围建立的新的气候区,即形成所谓“热岛”效应,是造成城市无龙卷区和龙卷带的原因。
什么叫热岛效应?在一些人口众多、工业区密集、柏油路交错的大城市内,大多数建筑物是由石头和混凝土建成。因而热容量很高。再加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用以及人类的频繁活动,可使城市中的年平均温度比效区及邻近农村高1℃左右。尤其对冬季夜间的最低温度影响.
最甚,市区往往比郊区高几度。在夏季,白天虽然城市和郊区所达到的最高温度没有什么差异,但在夜间,城市冷却比郊区要慢,这主要是因为城市中大面积石头和混凝土建筑具有很高热容量的缘故,它可以把白天吸收的热量逐渐地向外辐射出去。城市的温度在深夜来临之前仍可保持在最高温度值附近,而没有什么明显的下降,再加上湿度也很高,因而此时显得十分闷热,而周围被较凉的空气所包围。这时城市好像是一个孤立的闷热的海岛,这就是热岛效应的来由。
当然,热岛效应不仅由热容量高的城市建筑物引起,而且也由现代工业和民用日夜进行的燃烧活动造成。在一些大城市,据粗略估计,冬季由燃烧过程放出的热量比由太阳光得到的热量大2.5倍,到了夏季,这个量下降,只有太阳光加热的1/6。
概括起来说,热岛主要出现在夜间,它由(1)白天城市建筑物比郊区有更高的热容量;(2)整个夜间城市中心高速度进行制造热量的活动造成。如果城市上空有强的通风,不难想像,热量便很快地被风带走,可减少热岛效应或完全消失。有时会出现这种情况。由于热岛效应对城市内外的空气流动发生明显影响。人们发现,在城市中心,产生的热量被均匀的热空气覆盖着。它们趋于在城市上空上升,最后向下风方向郊区飘移走,故在工业区的下风处能观测到降水和冰雹的增加。有人还揭示出,市区的热岛效应可以产生低层辐合。
虽然从观察事实和分析上可以把热岛效应和城市无龙卷区联系起来,但内在的过程并不清楚,需要进一步研究。最近实验室中的实验也证明,当一个龙卷在模型城市市区上空通过时,如果在城市下面或在城市上空不同高度上分别加热(模仿热岛效应),可以发现龙卷强度减弱或经常消失,因而使整个漏斗云也很快消失。