前言

龍捲風（Tornado）為劇烈對流系統中產生之空間尺度小、生命期短、破壞力極強的災害性天氣現象，其風速可輕易超過每小時一、兩百公里，破壞力極強，沒有任何天氣現象可與它比擬。印象中經常聽到美國或周邊國家常出現龍捲風驚悚的畫面以及其產生的災損情形，而臺灣地區偶而也有出現龍捲風，因為出現的機會不高，一生難得有機會目睹，一般民眾反而覺得看到龍捲風是一件幸運的事。本文主要說明龍捲風的特徵、容易出現龍捲風的環境、強度分級、加強過程、龍捲風的勘災與移動路徑等特殊的現象，以及臺灣的龍捲風/水龍捲的生成環境與案例說明。

 壹、龍捲風的特徵

龍捲風的特徵相當明顯，可以看到一條管狀的旋轉雲從雲的底部向下延伸，若管狀雲尚未觸及地面或水面，稱之為漏斗雲（Funnel cloud），若管狀雲觸及到陸地表面，則稱為陸龍捲（一般稱為龍捲風），若管狀雲觸及到水面（如湖面、海面），則稱之為水龍捲（Waterspout），因此看到漏斗雲時宜仔細觀察是否有觸及到地面，以免誤判。龍捲風的旋轉速度相當快，中心氣壓非常低，而龍捲風外圍的氣壓較高，因此產生很大的壓力差，會將周圍的塵土、雜物吸入龍捲風內，然後被強烈的上升氣流往上帶，因此龍捲風的管狀雲不僅僅是水氣凝結的雲，而且還夾帶很多的雜物。而水龍捲則可以把海水或湖水以及水中的魚群吸入水龍捲內，然後在高處向外拋出落下形成下魚雨的奇景。另外一個與龍捲風很類似的現象就是塵捲風（Dust devil），塵捲風出現在陸地表面，外觀就像龍捲風，有時甚至比龍捲風更為驚悚。然而塵捲風與龍捲風非常容易區別，即龍捲風（水龍捲）或漏斗雲是由一朵母雲（Parent cloud）所產生的，因此在其上面會有一朵對流旺盛的雲，而塵捲風是由於水平風的差異（一般稱為水平風切）所造成，生成機制與龍捲風截然不同，類似於一般我們在牆角或路面看到樹葉被漩渦捲起，因此上方幾乎無雲或甚至晴空，兩者非常容易區別。

最強的龍捲風直徑可達1～2公里，弱的龍捲風直徑可能小於10公尺，一般常見的龍捲風直徑約數十公尺～數百公尺。以目前氣象觀測資料之時空解析度，即使是超大的龍捲風也難以分析得出來，但可利用氣象衛星及雷達追蹤母雲系統之發展及移動，若龍捲風發生位置非常靠近雷達站，雷達可近距離看到龍捲風「鉤狀回波」（Hook echo）的特徵（圖1）。通常較強的龍捲風才會有鉤狀回波，一旦雷達出現鉤狀回波，幾乎可以確定出現龍捲風。較弱的龍捲風較不易看到鉤狀回波，如無照片或是影片的佐證，將很難確定是否有龍捲風的出現。 龍捲風是伴隨母雲產生的，其旋轉方向與母雲有很大的關係，若母雲是逆時針轉則龍捲風也是逆時針轉，反之，若母雲為順時針轉，則其產生的龍捲風也是順時針轉。以北半球而言，氣旋之成長過程受科氏力的影響，絕大部份氣旋是逆時針轉。但在某些特殊的情況之下氣旋有可能順時針轉 ，因此它產生的龍捲風也是順時針轉。這樣的案例相當少，比例不超過一成。


圖1. 雷達回波，白色箭頭處為龍捲風之鉤狀回波。（https://www.nssl.noaa.gov/tools/decision/cases/990503/StormA.html）

 貳、容易出現龍捲風的環境

美國是全球發生龍捲風頻率最高國家，不只因為土地面積大，更因其具有獨特的地形分佈及氣候因素，區域主要在美國中西部，如德州、奧克拉荷馬州附近。以地形而言，該區域是廣大的平原，南面有來自於墨西哥灣溫暖潮濕的空氣，西面是乾燥炎熱新墨西哥州沙漠地帶，以及從加拿大南下的乾冷空氣。溫暖潮濕空氣較輕會上升，乾冷空氣較重會下沉，該區位處不同性質氣團交會處，大氣條件非常不穩定，尤其在春季時相當有利於劇烈對流系統產生，該區域為絕大多數超大胞（Supercell）之生成地，甚至出現許多超強的龍捲風，因此該地區被稱為「龍捲風巷」（Tornado alley）（Bluestein, 1999）。伴隨超大胞生成的龍捲風稱為超大胞龍捲風（Supercell Tornado），強度較強，直徑較寬，可達1~2公里，且持續時間較長，可達1~2小時。另一類龍捲風出現並無伴隨超大胞者，通稱為非超大胞龍捲風（Non-Supercell Tornado）（Wakimoto and Wilson 1989），這類型的龍捲風多半較弱、直徑較窄、且生命期較短。除美國外，其他世界各地較無產生超大胞的環境，出現的龍捲風多半是非超大胞龍捲風。

根據過去的分析，臺灣發生之龍捲風/水龍捲屬於非超大胞龍捲風，就其生成的大氣環境，大至可分為界面型（鋒面、颮線等）、積雲型及伴隨颱風（颶風、熱帶氣旋）雨帶生成之龍捲風。這些龍捲風大多屬界面型及積雲型，少數伴隨颱風雨帶或其他環境生成之龍捲風，本文針對前兩類型做說明。

一、界面型之龍捲風
界面型之「界面」是指鋒面或颮線，這類型龍捲風通常發生在4-6月冷鋒/梅雨鋒面前緣約50-100公里處之對流胞（圖2），這些對流胞呈現線狀排列，且其移動方向幾乎垂直於界面移動方向，這些對流胞的發展很快，從初生期至成熟期僅需1-2小時（劉與張 2004; Liu and Chang 2007; 劉與蔡 2011）。在這鋒面前緣有較強西南風及暖濕空氣，環境很不穩定，加上界面快速移動的推力，使得界面前緣之對流胞能於短時間內快速成長，甚至伴隨中尺度氣旋（Meso-cyclone）。當對流胞接近成熟期時，強烈之舉升作用可激發出龍捲風。這一類型的龍捲風多半發生在台灣西南平原（台南、高雄）地帶，且強度較強，持續時間較長，經常造成災損。


圖2.介面型龍捲風生成環境之示意圖。細黑色箭頭為氣流的方向，A～D為對流胞，整體對流胞沿Y方向移動，而個別對流胞往X方向延伸。

二、3.2 積雲型之龍捲風
積雲型龍捲風主要是伴隨積雲對流生成的，因為這些對流雲都是在海面上，以水龍捲居多，但並不是單朵的對流雲可產生，而是連續很多朵排列成一條線（Line of Cu convection clouds）（圖3）。為何要很多朵排列成一條線？一般而言積雲內有上升氣流，而積雲是屬於熱對流熱系統，本身是不旋轉的，而且垂直風切較小，即使可以長得很高變成積雨雲，也不易產生龍捲風。要產生龍捲風的雲必須要旋轉，而且要有適度的垂直風切使雲旋轉，而這類的雲一般不會長很高（約5~6公里高），垂直速度也不會很強，要激發龍捲風也是有難度，因此必須借由旁邊積雲下降氣流外推的力量，扮演臨門一腳的角色，提供這朵雲激發龍捲風所需的垂直速度。因此水龍捲常出現在好幾朵雲排成一列的環境下，而且積雲間互相幫助，常可見到同時有好幾個水龍捲出現。


圖3. 積雲型對流系產生水龍捲之示意圖。

 參、龍捲風的強度分級（F-scale, EF-scale）

龍捲風強度分級（F-scale）是由芝加哥大學日裔美籍藤田哲也（Dr. T. Theodore Fujita）教授所創，他一生致力於龍捲風之研究，被譽為「龍捲風先生」（Mr. Tornado）。藤田教授利用照相技術（Photogrammetry）及雷達觀測計算龍捲風的風度，搭配地面的勘災的破壞威力，於1971年訂出龍捲風強度分級稱為「藤田級數」（F-scale）（公式）。公式中V是龍捲風的風速（m/s），F取最接近的整數為龍捲風級，分F0～F5等六級，超過F5者均歸為F5，表1為F-scale強度表及對應之風速（km/hr）。2007年龍捲風專家們修訂原先之藤田級數，稱之為改良藤田級數（Enhanced F-scale, EF-scale）。改良版的藤田級數提高F0、F1的門檻，且降低F2～F5的門檻。我們熟知五級颶風，其強度僅相當於EF3的等級。台灣這裡的龍捲風，以致災的情況來看，多半在F0以下，少數有到達F1。


表1. 藤田級數（F-scale）及進階藤田級數（EF-scale）。

 肆、龍捲風的加強過程

龍捲風的速度可達每小時數百公里，是如何辦到的？關鍵在於角動量守恆，而空氣角動量稱為渦度（Vorticity），透過空氣在水平方向的輻合及上升速度使得旋轉速度加快，機制類似於芭蕾舞者，當舞者把手臂內縮時，旋轉速度加快。對龍捲風而言「手臂內縮」的動作就是來自於近地表的輻合將空氣向內推，基於渦度守恆原理，旋轉速度加快。但這裡有個盲點，芭蕾舞者可以用自己的力量將手臂內縮，但是大氣中輻合作用是如何產生的？原因來自於地表的摩擦力，摩擦力的效應可以透過一個簡單的實驗來說明，例如我們在一個茶杯中擺入一些茶葉，然後搖晃水杯讓杯中的水旋轉，此時可看到茶葉向中心聚集，這是因為杯底摩擦力的關係使得水在杯子底處產生多餘向內的力促使茶葉向內集中。回到大氣中，一樣的力促使空氣向內集中，導致旋轉速度加快，再加上上升速度的抽拉效應，使得龍捲風的渦度隨時間的變化呈指數遞增，因此可以在很短的時間達到很強的速度。

 伍、龍捲風的勘災與移動路徑

龍捲風的尺度非常小，以台灣的龍捲風而言寬度僅數十公尺，鮮有寬百公尺以上的龍捲風，以現有的地面觀測系統、高解析度衛星資料、以及雷達資料，仍有困難解析龍捲風，因此無法透過這些資料來得知是否有龍捲風發生，唯一能夠確定龍捲風發生與否的方法就是透過現場勘災，所謂凡走過必留痕跡，透過勘災可以確定龍捲風發生的地點以及走過的軌跡，以及致災的範圍與龍捲風的強度，然後再回頭尋找相關的氣象資料做分析。台灣這裡的水龍捲風一般不會有致災的疑慮，只針對有致災的陸龍捲進行災害場勘，而民眾對災害復原速度相當快，因此勘災的動作要相當快速。

龍捲風的移動軌跡又是什麼樣子呢？龍捲風是由母雲所產生，自然移動軌跡大致上與母雲一致，然而龍捲風從母雲的雲底延伸到地面，而母雲的雲底高度局離地面可能數百公尺到1公里，中間有可能受風切、地形而影響到龍捲風的軌跡。如果母雲或龍捲風的強度較弱，兩者的軌跡較一致且幾乎呈直線，水龍捲多半如此。如果母雲的強度較強，所伴隨之中尺度氣旋也較強，龍捲風的軌跡會接近擺線的形狀（Wakimoto et al. 2003）。之所以會呈擺線軌跡是因為龍捲風是位於母雲的中尺度氣旋內，而中尺度氣旋會旋轉，同時母雲也會向前移動，所以龍捲風的軌跡就如擺線一般。圖4是筆者於1995年6月8日勘災時所拍攝的龍捲風軌跡，清楚可見是呈擺線軌跡（圖5）是Wakimoto等（2003）利用該圖做軌跡分析，由圖形比對，可知龍捲風繞行中尺度氣旋與母雲移動速度的關係。張及劉（2016）分析2015年7月20日臺南新化龍捲風個案時也觀察到擺線軌跡（圖6），紅色點是場勘時有災害的位置，藍色線是災害位置擬合的曲線。結果顯示擺線波長約為5.5 km、擺動幅度約為0.7 km，中尺度氣旋移速約為12 m/s。因此，移行5.5 km所需之時間約為7.6分鐘，此時間為龍捲風繞行中尺度氣旋一圈的時間。


圖4.1995年6月8日德州龍捲風軌跡空拍圖。（劉清煌攝影）


圖5.1995年6月8日德州龍捲風軌跡分析圖，（a）為擺線在不同的旋轉速度及移動速度組合下呈現出來的軌跡，（b）為實際龍捲風分析圖。（取自Wakomoto等，2003）


圖6：龍捲風擺線路徑（藍線）分析圖。其中，紅點為龍捲風經過所造成之災損位置，其擺線擺動幅度為0.7 km，波長為5.5 km。圖右上方為龍捲風繞中尺度氣旋旋轉之示意圖，X、Y座摽為公里。（取自張與劉，2016）

 陸、臺灣龍捲風位置及時間統計分析

龍捲風個案數及發生位置的取得相當不容易，因為無法由氣象資料中分析出來，根據官方記載、新聞報導、社群網站的披露資料，每個個案均確認有照片或是影片佐證者才列入統計。隨著數位相機及手機的普遍使用，以及社群網站的普及，收集到的個案數似乎有逐年增加的趨勢，這僅能表示更完整的收集到個案，不代表台灣地區的龍捲風有逐年增加的趨勢，當然仍有沒被紀錄到的案例。從1998-2015年（18年）的個案顯示龍捲確定案例共103個（水龍捲72個、陸龍捲31個），年發生頻率約5.7個（水龍捲約4.0個，陸龍捲約1.7個），另外，有8個漏斗雲及18個可疑案例。圖7為1998-2015年各縣市出現龍捲風及海域處現水龍捲總合之位置分布圖，顯示南部地區（臺南、高雄及屏東）發生龍捲之頻率最高，達41.7%（43個），有「龍捲風巢」之稱（劉 1996），其次為東南部地區達20.4%（21個），東南部以水龍捲居多；季節分布（圖8）而言，以5-9月最為顯著，發生次數在11-18次之間，時間分布（圖9）則以14-17時（當地標準時間Local Standard Time 簡稱LST）較易發生，顯示影響臺灣之龍捲主要好發於暖季的午後。與美國的龍捲風個數相比，美國一年約有1500例，而臺灣地區每年平均約5.7例，如果以單位面積來算，美國每千平方公里出現0.153個，而臺灣則為每千平方公里0.158個。這樣算起來，單位面積上臺灣出現龍捲風的次數與美國相當，但以強度而言，臺灣地區龍捲風的強度弱許多。


圖7. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲之位置分布圖，數字為發生次數。（取自張與劉，2016）


圖8. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲季節分布圖，橫軸代表月份，縱軸代表發生次數。（取自張與劉，2016）


圖9. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲時間分布圖，橫軸代表時間（LST），縱軸代表發生次數。（取自張與劉，2016）

 柒、臺灣的龍捲風／水龍捲案例

甲、龍捲風-2007年4月18日台南安南龍捲風

2007年4月18日於台南安南發生的龍捲風，該個案是4月18日凌晨1~2點發生的，首先在台南安南離海邊不遠之魚塭地著地（touch down），隨後一路以43.5公里/小時速度往東北東（60度方位角）方向移動，沿途經過安南區、安定鄉、善化鎮、大內鄉等鄉鎮，穿越過台17 、台 17甲、台 19、台19甲、台1、一高、二高 、南科、高鐵、台鐵等重要的道路，持續約40分鐘，路徑總長約47公里（圖10）。可說是筆者有紀錄以來出現時間最久、軌跡最長的龍捲風。


圖10. 2007年4月18日台南安南龍捲風軌跡圖（紅色點）及重要道路圖。

4月18日1點40分之七股雷達回波顯示，（圖11）西北側之強回波帶為鋒面，鋒面向東南方向移動，東側成群之對流胞則往東北東方向移動，紅色點線為龍捲風致災路徑，顯示龍捲風並非發生在鋒面上，而是發生在鋒面前緣之對流胞。本個案如果沒有勘災路徑，將很難說明龍捲風是出現在對流胞上，而非出現在鋒面上。為瞭解此對流胞何時開始被雷達偵測到，從這個時間開始往前追蹤，結果發現往回90分鐘的雷達回波上即找不到此對流胞，顯示此對流胞從初生到有能力產生龍捲風的時間不到兩小時，可見對流胞成長之快速。此對流胞的生成環境為典型「界面型」的龍捲風，破壞力之強很難想像（圖12）是民眾的鐵皮屋遭撕碎的景象。此個案發生在週末凌晨，造成不少災損，所幸無造成人員的傷亡。


圖11. 2007年4月18日七股雷達回波顯示鋒面及出現龍捲風之對流胞，紅色點線為龍捲風之軌跡。


圖12. 2007年4月18日台南安南龍捲風民屋損毀情形。（劉清煌攝影）

8.2水龍捲-2010年8月16日南澳水龍捲

水龍捲是伴隨積雲產生的，從前面的解釋我們瞭解單朵雲產生水龍捲的機會很小，絕大部分是發生在積雲排列成群其中的一朵，有時候連續好幾朵積雲都有可能產生水龍捲，這些積雲一般不會發展很高，約5公里左右。劉與蔡（2011）分析2010年8月16日南澳水龍捲個案時發現，水龍捲的成長、消散過程與這朵積雲本身的成長過程有很密切的相關。一般積雲的發展過程可分為三個階段，即初生期、成熟期、及消散期。這三個時期的界定是根據積雲的降雨狀況，初生期：積雲雲底無降雨；成熟期：積雲雲底有一半面積下雨；消散期：積雲雲底全部是降雨區。若這朵積雲會產生水龍捲的話，在積雲的初生期會出現水龍捲的漏斗雲，隨後積雲繼續成長到達成熟期時，此時水龍捲也發展到最成熟，最後積雲進入消散期，雲底部完全降雨，降雨過程所產生的外流冷空氣會將水龍捲打散，結束水龍捲的生命。

圖13為本案例之可見光為星雲圖，顯示當時的確存在一條雲線（cloud line），本個案之水龍捲發生在雲線其中的一朵積雲。圖14為積雲發展三階段伴隨水龍捲的照片，白色線是花蓮雷達回波等值線疊加於照片上，水龍捲之放大圖置於右下角。在初生期時，積雲下方均無下雨，強雷達回波位於積雲最上方，此時水龍捲前身之漏斗雲剛出現（圖14a）。到第二個時間時積雲到達成熟期（圖14b），回波加強且最大回波值下落到積雲一半高度處，且雲底開始下雨，水龍捲變得比較清楚，且筆直下伸到海面上。到了第三個時間時積雲進入消散期（圖14c）整個雲底都在下雨，且最強回波落到雲底位置，受到這朵雲下雨產生下衝流的影響，龍捲風被下衝流外推而消散。


圖13. 2010年08月16日宜蘭南澳水龍捲。黃色區域為線狀排列的積雲，綠色為產生水龍捲之對流雲。（取自劉與蔡，2011）


圖14. 2010年8月16日南澳水龍捲與積雲成長之三階段，紅色箭頭為水龍捲位置，白色等值線為花蓮雷達回波強度值（dBZ）。（a）為積雲之初生期，（b）為 積雲之成熟期，（c）為積雲之消散期。（蔡沛旻攝影）

 結語

龍捲風在台灣並不是一個主要的災害，發生的時間非常短暫，可是致災卻非常的嚴重。台灣平均每年約有5.7個龍捲風及水龍捲，個數相較颱風的3.4個為高。龍捲風主要發生於兩種天氣類型，即界面型及積雲型。從統計資料來看界面型的龍捲風多半為陸龍捲而且強度較強，而積雲型的龍捲風多半為水龍捲強度較弱一些。水龍捲多半發生在海面上，相對的被關注的程度較低，但仍然有一兩個龍捲風造成一些災損。因為龍捲風的尺度非常小，一般的氣象資料無法解析，必須透過勘災過程才能確定龍捲風的發生，其研究方法及資料有別於一般的氣象研究主題，例如勘災、照相術（Photogrammetry），這並非每個人都做得來的，因此鮮有學者願意花時間在這方的研究。但以自然科學研究的角度而言，龍捲風是一個相當有吸引力的研究主題。相望這個議題能引起更多人的關注，以利於累積更多的龍捲風資訊，豐富未來之研究！