災害預測新技術 (五)：風神駕到 難以捉摸龍捲風暴

澳大利亞北領地的 Tanami 沙漠，有一個叫做 Lajamanu 的偏遠小鎮。2023 年 2 月 19 日晚間，突然下起驟雨。^[1]直至隔天早晨，累積了 61.4 毫米的雨量。^{[2, 3]}降雨期間，魚群也跟著從天上落下。^[1]

動物雨的種類

英文俚語「raining cats and dogs」，以「降下貓狗」形容大雨滂沱。^[4]19 世紀的英國畫家 George Cruikshank，還拿這個比喻當題材，創作虛構作品（上圖），抱怨糟糕的天氣。^[5]事實上回顧歷史，其他動物比較常由空中砸下來。早在西元前 1 世紀，羅馬博物學者老普林尼（Pliny the Elder）就曾記錄魚和蛙，隨著暴風雨墜落。文藝復興時期開始，更不時有版畫描繪此類事件（下圖）。除了與上述雷同的情形，也有蛇或鼠的個案。 ^[6]19世紀以降的文獻，則增加了蜘蛛、螞蟻、蝸牛、淡菜（貽貝）、寄居蟹，以及各色蠕蟲等千奇百怪的案例。^[7]

許多動物雨的紀錄，要不是歷史悠久，死無對證；就是鄉民口述，人微言輕。信者恆信；質疑者則當是鄉野奇談，嗤之以鼻。然而，若有科學家挺身背書，那就不一樣了。1947 年 10 月 23 日，美國路易斯安那州野生動物與漁業局的生物學家 A.D. Bajkov，在該州的 Marksville，親身體驗奇妙的自然現象。他事後撰文，投稿《科學》（Science）期刊，^{[8, 9]}興奮之情躍然紙上：

「那天早上 7、8 點之間，2 到 9 英吋（約 5 到 23 公分）的魚落在樹梢和院子裡」，使這個南方小鎮的居民困惑之餘，群情激昂。當時他和妻子正在餐廳裡享用早餐，一聽服務生說魚群從天而降，便立刻跑去蒐集。Marksville 銀行的總裁 J.M. Barham 表示，起床就發現數以百計的魚落在自家院子裏，鄰居太太家也是。7 點 45 分，1 名該銀行的員工和 2 個商人的路途，則遭魚群阻斷。^[8]

「離餐廳半個街區外的銀行附近，平均每平方碼（約 0.84 平方米）就有一條魚。」有的慘遭車輛輾壓；有些則落在房子的屋頂上。「牠們屬於在地的淡水魚類…」這名生物學家如數家珍地，列舉了一堆名字。然後說他將撿來的魚，全部裝成一罐，泡福馬林，要「分送數個博物館」。^[8]

水龍捲

根據美國國會圖書館的介紹，動物雨的肇因或許不只一種：許多科學家將矛頭指向，形成於陸地，並行經水域的水龍捲（waterspouts）。其最高風速為每小時 100 英里（約 161 公里），中央低壓渦漩（vortex），會像吸塵器般，吸入周圍的水、空氣，以及包含生物在內的小東西。水龍捲移動的過程中，因為逐漸失去能量，沿路容易掉東掉西，造成動物雨等現象。美國普渡大學的 Ernest Agee 教授，「曾見過小池子的水，整個被路過的龍捲風淨空」，所以覺得天上要是砸下幾隻蛙，也算頗為合理。^[10]不過，如果水龍捲夾帶的，不是動物，而是石頭，就可能變成危險的石頭雨。這種情形，有時會被誤認為來自外太空的隕石雨。^[6]

上升氣流

南伊利諾大學的 Doc Horsley 教授等科學家，認為上升氣流（updrafts），也會導致動物雨：暖空氣由地表高壓處，向上升到較冷的低壓處。在暴風雨中，能超過每小時 60 英里（約 97 公里），幾乎與中等水龍捲相當，所以擄走小動物的潛力，也不遑多讓。^[10]

一起掉落的物種

水龍捲和上升氣流，都是從路經之處，任意搜刮。既然被帶走的東西包羅萬象，為何同時落於一處的，卻是相近的物種？美國華盛頓大學的 William Hayden Smith 教授解釋：當風力漸減，重的東西，會比輕的先掉下來。於是，尺寸和重量雷同的個體，便一起墜落。^[10]

魚還活著…

講了半天，所以那些澳洲沙漠裡的魚，後來怎麼了？當地的議員 Andrew Johnson Japanangka，告訴 ABC 新聞臺，有些魚落地後倖存。「被孩子們撿起來，保存於瓶罐裡。」同樣的事件在 1974、2004 和 2010 年，亦曾發生過，部份居民甚至記得當年的情景。總之，這在該小鎮，雖然罕見，但算是正常。^[1]

參考資料

1. Allison C, Trevaskis L, Barwick A. (21 FEB 2023) ‘Fish ‘rained from the sky’, outback community says, in freak weather event’. ABC News.
2. ‘Lajamanu, Northern Territory – February 2023 Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
3. ‘Notes to accompany Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
4. Cambridge University Press. ‘It’s raining cats and dogs!’ Cambridge Dictionary. (Accessed on 23 FEB 2023)
5. George Cruikshank. ‘Very Unpleasant Weather, or, the Old Saying Verified “Raining Cats, Dogs, & Pitchforks.”!!!’. Yale Center of British Art. (Accessed on 23 FEB 2023)
6. Franza A, Morelli M, Faggi D, et al. (2021) ‘To be or not to be, that is the question: The Marsala meteorite (Italy, 1834) and the role of the doubtful meteorites in the history of meteoritics’. Meteoritics & Planetary Science, 56(5): 922-943.
7. Berenbaum MR. (2015) ‘Who’ll Stomp the Rain?’. American Entomologist, 61(3): 133–135.
8. Bajkov AD. (1949) ‘Do Fish Fall from the Sky?’. Science, 109(2834): 402
9. Dennis J. (2013) ‘6. It’s Raining Frogs and Fishes’. In: It’s Raining Frogs and Fishes: Four Seasons of Natural Phenomena and Oddities of the Sky. Diversion Books.
10. Science Reference Section. (19 NOV 2019) ‘Can it rain frogs, fish, and other objects?’. U.S. Library of Congress.

「喔～咿～喔～咿～」迎面而來的救護車所發出的警笛聲變細變高了，直到呼嘯而過；而離我們遠去時，音調又變得比平常還低沉。不管你還記不記得課堂上學過的「都卜勒效應」，都應該對此現象不會感到陌生。不過，當初都卜勒可不是因為在日常生活中遇到才靈光一閃的，畢竟一百多年前的生活周遭，可還沒有像汽車這樣速度快到可以察覺都卜勒效應的東西。

出生於奧地利的都卜勒自小體弱多病，因此才不用承襲家族多年以來的石匠工作，得以繼續念書往教學研究發展。1842年，他發表了一篇論文探討雙星的星光顏色，主張當波源移動時，靜止的觀測者所接收到波的頻率會隨波源的運動方向而改變；朝觀測者而來時頻率會變高，遠離觀測者而去時頻率會變低。因此雙星各自在朝向或遠離地球的方向運行時，所發出的星光顏色會不一樣。

都卜勒的理論雖然是對的，但他卻犯了一個根本的錯誤：他把光波當成跟聲波一樣是縱波來計算。另外，遠離地球的恆星所發出的光譜波長的確會改變，但雙星的顏色不同與此無關，因為都卜勒效應在此處微小到可以忽略不管。但畢竟他還是史上第一位提出此理論者，因此人們還是稱之為都卜勒效應。

不過，這篇論文並未引起多少注意，或許是因為當時實在看不出這個理論有啥作用，又何必費心討論驗證。直到1845年，一位荷蘭氣象學家讓一隊喇叭手在行駛的火車上吹奏固定的音調，然後讓音感超準的人分別在月台上與火車上聆聽比較，才正式證實了都卜勒的理論。至於當初他本人誤會一場的光學都卜勒效應也在1848年由法國物理學家斐索（Armand Fizeau）證實；而遠離我們而去的恆星，其光譜的譜線會移向波長較長的紅光方向，這種現象就稱為「紅移」。

紅移讓天文學家得以計算星球的移動速度與距離，對天體有更深的了解（註）。除了天文學，都卜勒效應隨著科技的進展也有廣泛的應用，例如都卜勒雷達、氣象雷達、以及測量各種流體的速度，因此醫學上可以測量血液的流動以了解健康狀況，還可應用在軍事、地質學、海洋學等等。

都卜勒後來還是未滿50歲就病逝，生前除了這篇具有創見卻也有瑕疵的論文，再無其它重要的科學研究，但這已足矣！

註：不過哈伯發現宇宙膨脹的證據──越遠的星系有越大的紅移，可不是星系本身的移動速度造成的，而是空間擴張的結果。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

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文 / 陳妤寧

2014 年 4 月 29 日，美國中西部和南部受龍捲風侵襲，已在阿肯色、奧克拉荷馬及愛荷華等三州至少造成 21 人喪生，不少房屋遭嚴重破壞，部份地方失去電力供應。CNN 指出美國中西部和南部將近 400 萬人處於中度至高度龍捲風危險下，其中約 140 萬人住在高危險區。

美國中西部是世界上龍捲風最頻發的地區，被稱為「龍捲風巷」（Tornado Alley）。奧克拉荷馬州的龍捲風特別多，因為南來之墨西哥灣暖濕空氣與北來之洛磯山脈乾冷空氣在此交會，暖空氣急速上升，有利於劇烈對流系統的發生。而近年來全球暖化議題發燒，龍捲風的數量是否會隨著氣候暖化而有所變化呢？

科學家們大致同意氣候變遷會引起更多的「極端天氣事件」，但對於全球暖化下的龍捲風會如何發展卻還未有定論。此外，近年來的龍捲風數量是否確實增加也是一個大哉問，不同地區對於龍捲風的觀測能力、關注程度和播報熱度都不盡相同，而這些人為因素在在影響了人們對於龍捲風數量的感受。民調顯示美國人認為氣候暖化是造成益加猛烈的龍捲風的元兇，然而氣候學家表示這種想法並不完全正確。

「普遍的觀察結果是全球暖化伴隨了更多更強的暴風雨，但這並不等同於暖化會造成更多龍捲風。」密西西比州立大學地球科學家 Grady Dixon 專攻龍捲風氣候學，他表示龍捲風的形成仰賴特定的交互作用，形成一個龍捲風的要素有很多，暖化問題一方面強化了某些因素、另一方面卻同時弱化了另一些因素。

古怪多變的龍捲風季

近年來的龍捲風季變得越來越古怪而飄忽不定。美國國家氣象中心的 Harold Brooks 說，2011 年是美國傷亡第二慘重的龍捲風季，共計發生了 1700 起龍捲風，造成 553 人喪生。隔年 2012 年四月起，龍捲風數量已經增加到往年的兩倍，但五月開始的龍捲風數量卻銳減到六十年來最低，同年的加拿大薩斯喀徹溫省卻遭遇比平常多三倍的龍捲風。

對大多數美國人來說，龍捲風季好發於春季，並在溽暑中踏入尾聲。但隨著夏季變得越來越長，在探究龍捲風季之前，搞清楚紊亂的四季分野對美國人來說反而是首當其衝的問題。

美國普渡大學的大氣科學教授 Jeff Trapp 說：「各地的龍捲風盛行季節不同，但期間都被拉得更長更久。」Harold Brooks 則提出不同的論點，他認為全球暖化下的龍捲風可能產生「濃縮效應」，亦即每年的龍捲風盛行季節縮短，但期間內會產生數量更多的龍捲風。

「水氣」和「風切」之間的拉鋸戰

Harold Brooks 和其他人正在尋找其他引發龍捲風的要素，他們主要關注於兩大因素：大氣中的對流可用位能（convective available potential energy，CAPE）以及風切效應（wind shear）。「對流可用位能」是由較高海拔與較靠近地表之間空氣的濕度差和氣溫差所決定，「風切效應」則是指較高海拔與較靠近地表之間的風速落差。當水氣越高、風切越大，越容易造就龍捲風的誕生環境。

在暖化情況下，大氣可承受更多的水氣，靠近地表的空氣越趨潮溼和增溫，促成更多龍捲風所需的能量；但風切效應則相反，全球暖化在北方創造了更溫暖的氣流，相對地減少了風切的可能，根據 Grady Dixon 的論點，如此一來將減少龍捲風的數量。

水氣和風切兩大因素之間彼此消長，Jeff Trapp：「我們所不知道的是，這些因素對於龍捲風的強度和頻率的影響力究竟孰輕孰重。」

史丹佛大學的地球科學家 Noah Diffenbaugh 則表示，最近一次電腦模擬的結果顯示水氣的影響力略勝一籌，即使沒有顯著的增加龍捲風數量，也製造了更多的大規模暴風雨。Jeff Trapp：「若未來持續暖化，暴風雨也會隨之變得更加頻繁。」

電腦模擬氣候模型是研究突破關鍵

《美國氣象學會通告》的一份新研究調查了所有種類的極端天氣事件，以及它們在全球暖化的環境下如何演變。這個研究指出龍捲風是各種極端天氣事件之中最難預測的，因為龍捲風通常屬於小規模氣候事件，尚無法在目前的大型氣候模型中被精確模擬出來。

「形成龍捲風的變數大量增加，如果我們連現在的龍捲風季都無法洞悉，那麼對於它未來的發展以及數量上的變化，我們亦將無法預測。」Harold Brooks 說。唯有發展出更高階、更精密的模擬氣候模型，科學家們才能進一步的分析龍捲風各種成因中的關鍵要素。（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

備註

2021/12/12更新：將原文中的「極端氣候」修正為「極端天氣事件」。

延伸閱讀：

• 認識龍捲風（Tornado） 科技部高膽自然科學教學資源平台 [2013/10/27]
• Could Climate Change Cause More (And Bigger) Tornadoes? Popular Science [05.22.2013]
• How does global warming affect tornadoes? USATODAY [March 15, 2013]

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