科普 | 流体角度看，龙卷风是高速旋转并强烈上升的空气涡旋 原创

7月6日晚，湖北黄冈市遭遇EF2级龙卷风袭击，导致多人伤亡。本篇文章从流体力学角度，介绍这种极端天气现象。

一、龙卷风定义和分级

龙卷风是复杂的高速旋转空气流动现象，空气边旋转边上升，看起来像一根从云层垂下的“空气柱”。

与台风、暴雨、冰雹相比，龙卷风影响范围更小，直径可能只有几十米。持续时间更短，可能只有几分钟或数十分钟。但龙卷风局地风速极高、风向变化剧烈、破坏高度集中。

目前国际上最常用的龙卷风分级方式，是改进型藤田级数（Enhanced Fujita Scale），简称EF级。

和普通风的“几级”主要根据风速大小区分不同，EF分级本质上是一种“损害等级”和“风速等级”相结合的分级体系，通常可分为EF0至EF5六个等级。

黄冈市遭遇的EF2级龙卷风，已经达到“强龙卷风”级别，可造成明显破坏。

龙卷风的危险不只来自风速高，还有它高速旋转、强风压、快速变向、湍流脉动和飞散物打击等多维特征。

风对建筑物的作用力，通常与风速平方成正比。风速提高一倍，风压大约会增加到原来的四倍，因此龙卷风的局地高风速可产生极大风压。

同时，龙卷风气流围绕中心旋转，风向不断变化。在流体力学中，可以认为是非定常旋转流对结构施加动态载荷，结构会出现振动和响应放大，破坏风险进一步增加。

在强龙卷风中，核心区域通常存在较低气压，且屋顶外侧由于高速绕流和分离涡产生强负压。此时如果门窗破碎，强风进入室内会使屋内压力迅速升高，内外压力差进一步增大，屋顶很容易被掀翻。

二、如何研究龙卷风

龙卷风是复杂的三维旋转流动问题，涉及热力学、湍流、旋涡运动、流固耦合和结构动力学等多个领域。且突发性强、移动快、持续时间短，研究龙卷风比研究普通天气更难。

现场观测最直接。科研人员用雷达、自动气象站和无人机等设备，追踪龙卷风移动路径、风速、旋转结构和压力变化。观测获得的数据最接近真实情况，但龙卷风出现时间和位置高度随机，完整捕捉一场强龙卷风不容易。

也有研究人员在实验室模拟龙卷风，在可控环境中通过多方向进气、中心汇聚和顶部抽吸，使空气形成旋转上升的涡流，观察不同入口风速、入射角度和地面粗糙度对风场的影响。

近几年，计算流体动力学（CFD）也成为研究龙卷风的重要工具。研究人员可在计算机中建立龙卷风发生装置，设置旋转来流、顶部抽吸等条件，近乎零成本得到“电子龙卷风”。

参照《龙卷风风场特性的CFD数值模拟》一文，我也用天洑AICFD进行了龙卷风模拟。

模拟结果清晰展示了龙卷风的风场和压力分布，比如中间明显的低压区。

相比实测和试验，CFD模拟更安全成本更低，也更便于开展参数研究，计算不同位置的风速、压力和湍流特性。

三、哪些地方容易发生龙卷风

全球范围看，龙卷风最广为人知的高发区域是美国中部，尤其是美国大平原一带。这里暖湿空气和干冷空气经常交汇，为龙卷风创造条件。

同理，我国江苏、广东、湖北和安徽，由于地势平坦且河湖众多，易形成上升气流，也是龙卷风高发地区。2023年，江苏宿迁和盐城都出现了强龙卷风，造成人员伤亡。

从时间上看，4月至8月是高发期，此时地面暖湿空气充足，高空冷空气也活动频繁。简单说，地面很热、空气很湿、上空又有冷空气，非常有利于强对流云团迅速发展。

龙卷风来临时，我们应尽快进入坚固建筑物内部，优先选择低层、远离窗户和外墙的内侧房间。地下室、卫生间、储物间、走廊内侧等位置通常比窗边和空旷大厅更安全。