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災害預測新技術 (五):風神駕到 難以捉摸龍捲風暴

龍捲風:難以捉摸的魅影說到龍捲風,不難想到綠野仙蹤的故事裡,主角桃樂絲便是被龍捲風吹到了遙遠的奧茲國,展開一段奇幻旅程;在中國,也有文字學家猜測「龍」這個字便是古人驚訝於龍捲風強大的威力,而按照龍捲風的形象所創造,並進而成為中國人心目中的神獸。而在台灣,雖然頻率不高,但是每年偶爾仍會見到龍捲風出現的消息,為了更了解這種極具破壞力且神出鬼沒的災害魅影,我們邀請到台灣大學大氣系周仲島教授,為我們介紹龍捲風的成因以及目前用來「捕捉」龍捲風的重要儀器─都卜勒雷達。

龍捲風來了!

龍捲風是人類所知最具破壞力的自然風暴,其中心的氣壓極低,甚至比颱風還低,因此產生極強烈的氣旋式渦旋。龍捲風的氣流迅速繞著近似垂直的軸心旋轉,風速可達每秒50至110公尺(每小時180公里至396公里)。

龍捲風的規模一般只有150公尺寬,寬度達一公里者已經可以稱為龍捲風的「巨無霸」,由於它的範圍極窄,故其破壞路徑往往侷限於一條狹長地帶,同時亦造成在監測上難以直接觀測到龍捲風的發生。

基本上,只要符合特定氣象條件,世界各地皆有可能出現龍捲風。根據統計,台灣平均一年龍捲風會出現2次左右。龍捲風在台灣出沒地點北至台北新店,南至屏東,甚至外島如澎湖、基隆嶼等地都有過龍捲風的紀錄。

為什麼會有龍捲風?

龍捲風是大氣環境不穩定下的產物,通常出現在冷暖空氣交會的地方,此時由於暖空氣較輕,冷空氣較重,兩者之間容易產生垂直方向的大氣運動,並進一步發展出高聳的對流雲系。

高聳的對流雲系便是不穩定大氣最具體的現象,或稱為深對流系統(deep convective cloud),這些直入雲霄的積雲便是龍捲風形成的母雲。以台灣而言,以颮線(squall lines)、颱風與西南氣流為發生龍捲風之大宗。

另外一個形成龍捲風的條件是強烈的垂直風切,也就是上下層大氣的風在風向或風速上有很大的變化。這種情況下容易產生旋轉,並將原先水平方向運動的渦管扭轉成垂直,也就是我們所看到的龍捲風。

最適合龍捲風的地形是一望無際的平原,山地會破壞大氣的旋轉運動,故山區不易見到龍捲風。在台灣,屏東平原過去便因為地形因素,最常發生龍捲風,而有「龍捲窩」的稱號。

觀測利器:都卜勒雷達

目前用來觀測龍捲風的主要儀器是都卜勒雷達。在了解都卜勒雷達之前,必須先了解甚麼是「都卜勒效應」。

都卜勒效應指當波源和觀察者有相對運動時,觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同,當觀察者與波源互相靠近,波的頻率會變高、波長變短;若是互相遠離,波的頻率會變低、波長變長。

以火車鳴笛為例,遠方急駛而來的火車鳴笛聲變得尖細,而遠去的火車鳴笛聲變得低沉,就是都卜勒效應的現象。

都卜勒雷達即是利用這個效應,發射電磁波,利用空氣中粒子(如:水滴)反射的電磁波波長變化,觀測大氣中快速運動的粒子相對於雷達站的移動方向,並依據回波強度推測雲層含水量多寡,進而預估降雨量。

目前都卜勒雷達對於對流系統如颱風、梅雨能提供良好的觀測成果,並能推估對流雲系的降雨量與移動方向。然而,龍捲風寬度僅數百公尺,都卜勒雷達的解析度尚不足以直接「看到」龍捲風,僅能告知何處有機會發生龍捲風,例如鉤狀回波(hook echo)便代表龍捲風有機會產生。

都卜勒雷達另一個缺點是僅能觀測大氣粒子相對於雷達站的移動方向,對於其他方向的移動無能為力,故須仰賴多個雷達站共同觀測,才能建構出完整的對流雲系觀測。

目前台灣的中央氣象局已經在花蓮、墾丁、台南七股、瑞芳五分山建置都卜勒雷達,同時空軍亦在桃園機場、清泉崗機場、澎湖機場與綠島機場設有較小規模的都卜勒雷達,兩者之間已經進行資料整合,能更全面的觀測台灣各地的強對流系統。

龍捲風是大自然中最為暴烈的現象之一,擁有強大的破壞力,其影響範圍小、歷時短暫的特性往往讓人措手不及。所幸台灣並非龍捲風好發地區,但每年都會有龍捲風伴隨著梅雨鋒面、颱風而來,故亦不能掉以輕心。

延伸閱讀:
劉復誠,1983。認識龍捲風。科學月刊 161。http://210.60.224.4/ct/content/1983/00050161/0011.htm

關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。