便携式龙卷风观测台是如何工作的

由:乔什·克拉克

历史上最早的龙卷风被爱尔兰村民描述为“火的尖塔”。查看更多风暴图片
理查德Olsenius /国家地理盖蒂图片社

作为一种自然现象,龙卷风可能从我们居住在这个星球上开始就困扰着人类。但直到11世纪,最早的关于龙卷风被记录。1054年4月30日,龙卷风袭击了爱尔兰的Rosdalla村[来源:TORRO]。那次龙卷风后来被一位观察者描述为“教堂的尖塔”“在天空中[来源:野兔和哈姆林].在村民们看来,这座“尖塔”周围的碎片区就像一群鸟,其中有一只特别大的深色鸟——很可能是一个独特的漏斗云。可以想象,当这只巨鸟把一棵橡树连根拔起,“用爪子叼走了它”时,村民们有多惊讶。乔伊斯].

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随着时间的推移,科学家们把理解龙卷风的重担从村民身上转移到了自己身上。我们对龙卷风的了解比以前多了;例如,我们现在知道它们不是火焰尖塔。但是,关于龙卷风是如何形成的以及为什么会形成,科学界还有很多疑问。龙卷风是由vortex——拥有中气旋(旋转上升气流)。正是这些上升气流产生了龙卷风。这到底是如何发生的,以及为什么只有一些超级细胞产生龙卷风仍然是一个谜。

这种不完全的理解并不是因为缺乏尝试。问题是,要真正理解龙卷风,你必须看到它的内部。已知的只有两个人亲眼目睹了龙卷风的内部并活了下来。不幸的是,两人都没有任何测量设备。

把一个带着气象传感器的人放在龙卷风的路径上是不道德的,即使它确实产生了结果:人类是脆弱的。另一方面,55加仑的桶要结实得多。正是这种推理产生了托托,Totable龙卷风天文台

在本文中,您将了解TOTO是如何工作的,为什么它最终没有工作,以及它产生的一些技术。在下一页找到关于TOTO的创作。

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托托的设计

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TOTO在无云的田园诗里的照片。
美国国家海洋和大气管理局/OAR/ERL/国家强风暴实验室

美国几乎拥有龙卷风活动的独家地理权利。一种不寻常的天气现象被称为dryline可以在落基山脉东部穿过中原地区找到它们的踪迹。它是声名狼藉的原因龙卷风一条从德克萨斯州延伸到北达科他州的小巷,向东延伸到俄亥俄州。这条干线将干空气和湿空气分开,当这两种空气混合时,雷暴就会沿着这条线形成。这些风暴每年会引发美国经历的龙卷风数量高得惊人,远远超过世界上任何其他地区。例如,日本平均每年经历20.5次龙卷风,而印度每年0.5次[来源:天气的医生].中欧每年大约有10次龙卷风,加拿大每年平均有80次龙卷风[资料来源:马克斯普朗克研究所,加拿大广播公司].相比之下,美国每年遭受大约1200次龙卷风袭击[来源:华盛顿邮报》].

有了这些数据,美国气象学家想出了一种可以放置在龙卷风路径上的天气测量设备的想法就不足为奇了。1979年,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究人员艾伦·贝达德博士和卡尔·拉姆齐建立了TOtable龙卷风天文台(两人以《绿野仙踪》中多萝西的狗的名字为TOTO命名)。两年后,这将是第一个被故意放置在即将到来的龙卷风路径上的人造天气传感装置。

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以今天的标准来看,TOTO是一种相当原始的设备。Bedard和Ramzy使用了一个55加仑的金属桶作为外壳,里面密封着敏感的天气设备。这个设备由一个风速计(一种通过安装在杆子上的轮辐状臂或杯来测量风速的装置)、温度计、大气压力计和露点传感器[来源:美国国家海洋和大气管理局].从所有这些仪器收集的数据都被记录下来,以后可以检索和分析[来源:龙卷风项目].

气象学家将龙卷风周围和龙卷风内部的气候条件数据汇编到计算机模型中。这些模型反过来可以用来分析超级单体雷暴的形成,以确定产生龙卷风活动所需的条件是否存在。TOTO产生的信息可以帮助气象学家更好地了解龙卷风,使他们能够向公众发出早期警告,并有望挽救生命。

TOTO总重400磅(181克)[来源:美国公共电视台].这么大的包裹需要一辆定制的皮卡来运输。当运送到一个地点时,TOTO可以在大约30秒内从斜坡上滚下来并垂直吊到合适的位置。由于TOTO先于全球定位卫星(全球定位系统(GPS))导航时,操作人员必须使用指南针将桶上的标记朝向正北,作为测量的基线。在那之后,TOTO做好了行动的准备。只需要一场龙卷风就可以测量了。

TOTO有几次获得了机会。但理论上有效的方法在实践中并不总是有效的。在下一页中找出TOTO在该领域中不能工作的原因。

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为什么TOTO没有工作

将人类置于龙卷风前(比如1992年德克萨斯州迪米特的龙卷风)部署TOTO所带来的危险是该设备最终退役的原因之一。"width=
将人类置于龙卷风前(比如1992年德克萨斯州迪米特的龙卷风)部署TOTO所带来的危险是该设备最终退役的原因之一。
哈拉尔德Richter /法新社/盖蒂图片社

今天,人追逐研究风暴的专业或娱乐使用互联网还有笔记本电脑来追踪他们。在按需实时信息出现之前,追逐风暴更像是一种猜谜游戏。如果有人想把一个55加仑的桶装满高度敏感的气象设备放在龙卷风被迫使用气象站和当地媒体播放的几分钟前的信息广播.风暴追逐者还必须利用一点直觉和他或她亲眼目睹风暴的经验来预测哪个风暴单元可能产生龙卷风,哪个可能不会。

这是TOTO固有的两个主要问题之一,在该领域变得很明显。将TOTO直接放置在即将到来的龙卷风的路径上需要天文数字般的运气;完美定位的可能性显然很低。TOTO带来的另一个问题是它带来的危险。卸载和设置TOTO可能只需要30秒,但当龙卷风向你袭来时,这可能是一段很长的时间——研究人员需要逃离的时间少了30秒。尽管TOTO重达400磅(181克),但龙卷风很可能会把它卷走,把TOTO从一个温和的科学工具变成一个飞行的死亡之桶。(更大的东西被龙卷风卷走了。1949年5月,在俄克拉荷马州,13头牛被龙卷风卷走[来源:龙卷风项目].)

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在1981年春TOTO被部署到整个中原地区服役之前,所有这些担忧都只是理论上的。随后,人们的担忧得到了证实。TOTO的工程师Bedard和Ramzy把他们的发明交给了俄克拉何马大学气象学教授Howard Bluestein博士。从1981年到1983年,每年的4月到6月,布鲁斯坦和他的一些学生追逐风暴,并将TOTO放置在他们认为龙卷风最有可能经过的地方。美国公共电视台].

布鲁斯坦证实了TOTO所带来的危险和成功的可能性。他从未成功地把它放在一个足够近的地方,以收集龙卷风的数据。他亲眼目睹了TOTO的危险。1982年,在一次追逐风暴的过程中,布鲁斯坦和他的团队与一场龙卷风擦身而过,当时他们正试图赶在龙卷风前面,将设备放置在龙卷风路径上。美国公共电视台].1983年之后,他把TOTO交给了国家强风暴实验室,这是一个隶属于国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究实验室。NSSL是唯一一个成功将TOTO置于即将到来的龙卷风路径上的组织。

1985年4月29日,国家自然科学实验室的研究人员史蒂夫·史密斯和卢·威克为TOTO选择了一个合适的地点——阿肯色州阿德莫尔郊外。一股微弱的龙卷风掠过设备,暴露了TOTO概念和设计的另一个缺陷:它的中心太高重力.当龙卷风经过时,TOTO被撞到一边,损坏了仪器。在TOTO接近完成其最初的目的后,它又被部署了两年,但没有成功。

TOTO于1987年退役。它陈列在俄克拉荷马州诺曼市国家气象局的大厅里。,欢迎访客[资料来源:美国国家海洋和大气管理局].但TOTO留下了一个未被满足的需求,即通过直面龙卷风来收集有价值的数据。在这方面,TOTO留下了一笔遗产。阅读下一页了解TOTO的后代。

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托托的遗产

一辆多普勒车轮(DOW)卡车在俄克拉荷马州的天空中搜索龙卷风活动。陶氏的历史可以追溯到TOTO。"width=
一辆多普勒车轮(DOW)卡车在俄克拉荷马州的天空中搜索龙卷风活动。陶氏的历史可以追溯到TOTO。
吉姆•里德/盖蒂图片社

就在TOTO的部署逐渐结束的时候,建立在TOTO概念上的其他技术正在加速发展。第一项接管了被放置在即将到来的龙卷风路径上的危险任务的技术是乌龟.这些小而圆的装置看起来像轮毂盖,1986年首次投入使用[来源:龙卷风项目].与安装在TOTO上的仪器类似的仪器被塞在海龟体内,用来记录大气压力、湿度和温度。更重要的是,这只海龟实现了数字化的飞跃,允许更小的仪器产生更精确的读数。

由于海龟体型较小,它们可以分布在整个区域,增加了被龙卷风吹过的几率。1988年5月,一只乌龟被龙卷风但当研究人员取回它的时候,该设备已经被篡改了,表面上是被一个好奇的人篡改了[来源:龙卷风项目].

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其他设备也跟随TOTO的脚步。Dillocams而且盎司(零号观测台)都被设计在龙卷风的路径上。两者都配备了摄像机,以捕捉龙卷风内部的可见数据。蜗牛它们都装有地震传感器,以确定龙卷风经过时,地面是否会产生震动。研究人员希望利用已经在使用的地震传感器来生产一个早期预警系统地震Detection,一个仍在开发中的系统[来源:的所有].

然而,所有这些设备,如TOTO,都有一个缺陷。每一个都是一次性交易。最佳的龙卷风测量设备将是TOTO的便携性和气象局精密仪器的结合。

随着多普勒的出现雷达,这成为可能。多普勒雷达利用无线电波来确定风暴的密度、方向和降雨量。向雷达移动的风暴会发回更高的频率广播波传到产生和接收波的天线。远离天线的风暴以较低的频率返回[来源:今日美国]。多普勒雷达可以收集到大量关于风暴的信息,这些数据可以被渲染成风暴的3d图像。气象学家现在可以观察风暴的特征,比如它是否会产生冰雹或拥有中气旋。

车轮上的多普勒(DOW)项目,该项目由恶劣天气研究中心和依勒克拉多普勒雷达国家大气研究中心的(ELDORA)项目是第一个使用多普勒的。DOW是安装在卡车后面的多普勒天线,ELDORA是安装了天线的螺旋桨飞机。两者都被用在了VORTEX项目中,可以说是第一个产生重要数据的移动龙卷风项目。1995年6月,VORTEX利用飞机和卡车跟踪德克萨斯州的风暴,收集风暴上方和风暴周围的数据,为气象学家提供新的原始信息,用于预测龙卷风将在何时何地发生[来源:UCAR]。

虽然TOTO可能从未对龙卷风进行过一次精确的测量,但这种独一无二的设备帮助我们彻底了解龙卷风,这些尖塔在天空中。

欲了解更多关于龙卷风和其他相关主题的信息,请访问下一页。

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可移动龙卷风观测台:作者注

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约什·克拉克,特约撰稿人
HowStuffWorks 2009

我不记得我是如何得到关于Totable龙卷风天文台的写作任务的。我确实记得,在做了一些初步的研究之后,我很快就理解了它,我在电影《龙卷风》(Twister)中看到了类似于颂歌的东西。我认为这是一个有趣的致敬,给电影增添了一些分量。不过,在相当短的时间内,我开始更喜欢TOTO的真实故事。

这些训练有素的气象学家不得不自己设计出一个杂乱无章、包含厨房水槽的TOTO,这几乎是滑稽的。我可以想象一个气象学家会说,这东西可以用一个压力表。“好吧,放一个进去。”我听到另一个回答。这个名字本身就是对《绿野仙踪》的致敬,它确实照亮了追逐风暴的群体中爱好者和科学家之间的模糊界限,我开始尊重这一点。

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我还记得TOTO的创造者在某个时刻意识到:他们如何让天文台精确地位于龙卷风的路径上?这篇文章写起来真的很有趣。

来源

  • “共享移动大气研究和教学雷达。”国家大气和海洋管理局。http://www.nssl.noaa.gov/projects/smartradars/pubs/SR-BAMS.pdf
  • Fahrenthold,大卫。“更多的龙卷风,还是更好的追踪?”华盛顿邮报。2008年5月21日。http://www.washingtonpost.com/wpdyn/content/article/2008/05/20/AR2008052001600.html
  • 古德温,埃利斯。“新的气象项目可以帮助更紧密地追踪龙卷风。”每日俄克拉何马州。2008年2月26日。http://www.nssl.noaa.gov/news/headlines/2008/toto.html
  • 海尔,迈克尔和哈姆林,安。“爱尔兰早期建筑研究。”考古数据服务。http://ads.ahds.ac.uk/catalogue/adsdata/cbaresrep/pdf/060/06012003.pdf
  • Hoadley,大卫。《大通1985:四月——高峰和低谷》风暴跟踪。1985年5月31日。http://www.stormtrack.org/archive/0844.htm
  • 威廉姆斯,杰克。“多普勒雷达是一个关键的预测工具。”今日美国天气预报。2005年的10月28日。http://www.usatoday.com/weather/wdoppler.htm
  • "追逐风暴者的一天"PBS。1997.http://www.pbs.org/wgbh/imax/life.html
  • “空中的火焰尖塔,”来自乔伊斯,P.W.“爱尔兰的奇迹。”1911.http://www.libraryireland.com/Wonders/Steeple-Fire-Air.php
  • “飓风或龙卷风会在欧洲形成吗?”Max-Planck-Institut毛皮Meteorologie。http://www.mpimet.mpg.de/en/presse/faq-s/kann-es-in-europa-hurrikane-oder-tornados-geben.html
  • “车轮上的多普勒”。恶劣天气研究中心。http://www.cswr.org/dow/DOW.htm
  • “最早的龙卷风和水龙卷。”龙卷风和风暴研究组织。http://www.torro.org.uk/TORRO/research/whirlextreme.php
  • “美国宇航局的技术为龙卷风的早期探测带来了新的变化。”马歇尔太空飞行中心。1997年4月。http://techtran.msfc.nasa.gov/new/tornado.html
  • “TOTO主页。”国家海洋和大气管理局。http://www.spc.noaa.gov/faq/tornado/toto.htm
  • “被故意放置在即将到来的龙卷风路径上的东西(不管成功与否)。”龙卷风的项目。http://www.tornadoproject.com/cellar/curiosity.htm
  • “一旦你追上龙卷风,你会怎么做?”看里面。”大学大气研究公司。2000年4月10日。http://www.ucar.edu/communications/highlights/1996/programs.html

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Totable龙卷风天文台:备忘单

你需要知道的东西

  • 由于一种被称为干线的不寻常现象,美国几乎是世界上龙卷风活动的唯一场所。
  • 1979年,两名美国国家海洋和大气管理局的科学家在一个55加仑(208升)的钢桶里装满了温度计、压力表、风速计和露点传感器。这是第一次TOTO。
  • TOTO重达400磅(181公斤),但可以在30秒内部署完毕。
  • 在经历了6年的侥幸和一次靶心之后,TOTO退役了,坐在俄克拉荷马州诺曼市国家气象局大楼的大厅里。

现在,用这些小测验来测试你的知识吧!

  • 终极温度计测试
  • 事实还是虚构:龙卷风小测验
  • 事实还是虚构:飓风小测验
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