用難以置信的模擬凝視怪物級龍捲風的心臟地帶

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使用強大的超級電腦,氣象學家模擬了「埃爾里諾(El Reno)」龍捲風,這是第5級暴風雨,在2011年5月24日橫掃奧克拉荷馬州(Oklahoma)。

由來自威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)氣象衛星研究合作研究所(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,CIMSS)的Leigh Orf所領導的研究小組,使用高效率超級電腦來顯現龍捲風的內部運作以及和產生龍捲風的強大超級胞(supercell)。作為這項計畫的一部分,這些研究人員重建一個超級胞,這個超級胞在六年前形成龍捲風,蹂躪北美大平原(Great Plains)。他們的新模式正在為這些怪物般的暴風雨以及它們如何形成,提供新的洞悉。

極端龍捲風的爆發,正在美國各地更頻繁地發生

在2011年5月下旬一次為期四天的延續,幾個龍捲風襲擊奧克拉荷馬州各地。其中一個被命名為埃爾里諾(El Reno)的暴風雨被記錄為EF-5,這是改良藤田級數(Enhanced Fujita scale)的最強等級。這個野獸龍捲風襲擊奧克拉荷馬州辛頓(Hinton)附近,爆發了將近2個小時的一連串破壞。到結束的時候,這場暴風雨沿著一條63英哩(101公里)長的路徑,造成巨大的傷害;9人死亡,以及161人受傷。

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為了模擬產生這種特殊龍捲風所需的驚人複雜氣象因子組合,Orf的研究小組被允許使用Blue Waters超級電腦,這台超級電腦位於伊利諾大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的國家超級電腦應用中心(National Center for Supercomputing Applications)。

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Orf的研究小組使用在真實世界觀測的數據來重建暴風雨當時的條件,包括溫度、氣壓、風速和濕氣的垂直剖面。全部在一起,這些成分促成了「超級單體(tornadogenesis)」,是超級胞(supercell)產生龍捲風所需的條件。

不像傳統的電腦程式,程式碼被寫成大量產生可預測的結果,這些研究人員藉由把已歸檔的天氣數據輸入到模擬天氣的軟體,企圖來創造「真實」情況。這提供了一定程度的變化性,反映了天氣在大自然中如何運作;沒有兩個暴風雨是完全相同的。它總共花了超過三天的時間來編譯龍捲風,這項作業以傳統的桌上型電腦來做的話,需要花掉幾十年的時間。


一旦主通道形成,幾個「迷你的」龍捲風會沿著它形成。它們最終會合併,使得龍捲風甚至更為強烈。(Credit: UW-Madison)

研究這項模擬,研究人員觀察許多在主龍捲風開始時形成的「迷你龍捲風」。隨著主漏斗雲的形成,這些較小的龍捲風開始合併,為上層構造增加強度並提高風速。

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模擬揭露出產生完全形成的龍捲風的幾種結構,包括流向渦度流(streamwise vorticity current,SVC),被認為是龍捲風活動的主要驅動力(見黃色部分)。(Image: University of UW-Madison)

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最終,在龍捲風內形成名為流向渦度流(streamwise vorticity current,SVC)的新結構。Orf在一份聲明中說:「SVC是由被雨冷卻的空氣組成,被吸入到驅動整個系統的上升氣流中。據信這是維持異常強烈暴風雨的關鍵部分,但有趣的是,SVC從來沒有接觸龍捲風,相反的,它圍繞著龍捲風向上流動。」

從這裡來看,Orf想與美國各地的科學家和氣象學家分享他的研究小組的數據。Orf說:「我們已經完成EF-5模擬,但我們不打算停止。我們將不斷優化這個模型,並繼續分析結果,以便於更佳了解這些危險和威力強大的系統。」

「語音合成由賽微科技提供」

來源:GIZMODO