鳥兒預測龍卷風

李忠東

事先感知次聲

2014年4月27日，席卷塔斯卡盧薩市的龍卷風可能是亞拉巴馬州歷史上最具有破壞力的一次，至少有15人喪生。另據報道，密西西比州和阿肯色州各有11人遇難，佐治亞、田納西和路易斯安那等州也接到傷亡報告。

碰巧的是，加利福尼大學人口生態學家亨利·施特賴拜領導的團隊當時正在田納西州，對一種名叫金翅蟲森鶯的鳥兒進行研究。這種鳥不大，只有大約兩枚硬幣重。它們在中南美洲過冬，然后遷徙到五大湖區和阿帕拉契山地區繁殖，并在那里撫育幼鳥。為了更好了解金翅蟲森鶯的遷徙行為，研究團隊前往五大湖區，給一些鳥兒安裝質量0.5克的定位器，這種小巧輕便的儀器每隔幾分鐘就會記錄下它們的精確位置。

在20只裝有定位器的金翅蟲森鶯中，研究人員只收到5只發回來的數據。于是他們跟著鳥兒的飛行路徑前往田納西州東部的昆布蘭山脈，抵達時發現他們追蹤的目標不見蹤影，整個山區一片寂靜。當科學家通過定位器檢查金翅蟲森鶯的位置時，才知道這些鳥兒逃離田納西，飛到了佛羅里達州，其中一只甚至跑到了古巴。然而風暴過后，它們又重新飛了回來。明尼蘇達大學的人口生態學家岡納·克雷默是研究團隊的成員之一，他驚訝地說：“我們原以為金翅蟲森鶯只是躲起來了，從來沒想過它們會撤離。為了躲避風暴，它們在短短5天之內飛了1500多千米。”

科研人員對當時的氣象資料進行了分析，以便弄清楚是什么神秘的原因使金翅蟲森鶯打破遷徙模式的時間而展翅離開。原來當時正好有一個又大又猛的雷暴系統正穿越美國大平原區，距離田納西州40～900千米遠。他們認為這些鳥兒之所以在雷暴抵達前幾天進行疏散遷移，是因為它們聽到了風暴造成的次聲，能夠察覺出異狀。雖然飛行1500千米很耗體力，但這是金翅蟲森鶯躲開破壞性風暴保全性命的唯一方法。巨大的龍卷風發出的次聲人耳聽不到，但鳥類卻可以。因此，科學家將鳥類的這種能力與早早逃走的行為聯系了起來，是敏銳的聽覺預警了大自然即將到來的災難。

次聲也是一種聲音，傳播速度、傳播過程中的透射、反射以及吸收衰減規律等在本質上與可聽聲或超聲沒有什么區別。然而由于次聲的頻率很低，波長很長，因此就具有一些不同于可聽聲或超聲的特性。與可聽聲相比，次聲主要有兩點：一是人耳感受不到，次聲的頻率很低，超出了人耳的聽覺閾值，所以不能引起人的聽覺；二是不易衰減，在相同的傳播路徑上，介質吸收聲波能量，進而使其衰減的多少與聲波的頻率正相關，即頻率低則衰減小，所以次聲比一般聲波的衰減要小得多。

美國地質調查局（USGS）雖然沒有參加這項在田納西對金翅蟲森鶯的研究，但最先將次聲和鳥類聯系起來。2013年初，USGS喬納森·哈格斯特朗姆博士的研究表明，鴿子創建了它們周圍環境的“聲覺地圖”，利用次聲導航。“鴿子使用一個羅盤和一張‘地圖進行導航。羅盤通常是太陽的位置或者是地球的磁場，但是‘地圖數十年來都是一個謎。”他解釋道，“現在我們發現它們使用聲音作為‘地圖，聲音會告訴它們家園位于哪個方向。”

當鴿子在不熟悉的地點放飛時，它們用聽到的來自家園的次聲波信號來確定方位，哈格斯特朗姆博士舉的一個例子充分地說明這一點。從澤西山上放飛的鴿子，無論何時都會迷路而且毫無目標地亂飛，這種情況一次又一次地發生。究其原因，原來是大氣的溫度和風結構導致聲音向上彎曲并且越過了這座山，因此使得鴿子無法聽到聲音而迷失了方向。但是在1969年8月13日，由于大氣中發生亂流或者溫度逆增導致聲音傳播發生了向下彎曲回到澤西山，因此鴿子就可以憑借聽到的次聲信號確定方位，飛回了自己的“鴿房”。就這樣，信鴿迷失方向的疑團從次聲的破壞得到了解釋。

“這些研究結果呈現出鳥兒運用低頻音的另一種方式，它們不僅用它導航，還能用它偵測并躲開劇烈天氣。一切都說得通。”哈格斯特朗姆博士指出，“生物學家從未用這種方式看待過次聲的使用方法，但它對我們而言很有作用。”

提供災難預警

全世界75%的龍卷風發生在美國，每年多達1000～2000多個，有時一天之內便可發生幾個甚至幾十或上百個龍卷風。一般把一天發生6個以上龍卷風的情況稱為龍卷風“暴發”或“大暴發”。歷史上曾經多次出現一天發生上百個龍卷風的情況，如1974年4月3日一天產生了148個龍卷風。這種情況稱為“龍卷風超級暴發”。 2011年4月25日至28日4天內也出現類似上述規模的龍卷風暴發，經確認的龍卷風多達330個。1925年3月18日，橫掃密蘇里州東南部、伊利諾伊州南部和印地安那州北部的“三州大龍卷風”導致695人死亡。

美國之所以容易出現龍卷風，與它的特殊地理、地形和氣流等特點有關。美國大陸的西部有落基山脈，東部有阿巴拉契亞山脈，由于受大山脈的阻擋，來自南方墨西哥灣的暖濕氣流就積聚在兩個大山脈之間的中部大平原地區，低層非常潮濕，而其高層則有來自西部沙漠或半沙漠地區上空的干燥氣流，這種上干下濕的大氣很不穩定，只要有一定的抬升力就會暴發猛烈的對流運動，形成強大的對流云。龍卷風就是由這種強對流云產生的。抬升力可以有多種，常見的抬升力之一就是冷鋒，也就是冷空氣的前鋒。由于落基山呈南北走向，北邊的冷空氣很容易侵入，所以受到冷鋒的抬升，就容易產生強對流。

龍卷風是強對流的產物，發展強對流需要有強大的不穩定能量，這種不穩定能量是在一定的天氣形勢下積累起來的。當不穩定大氣受到抬升后，不穩定能量就釋放出來，形成強烈的對流運動，從而產生一系列的劇烈天氣現象，具有極大破壞力。據美國國家強風暴實驗室的專家們估計，它釋放的能量大約為廣島原子彈能量的600倍。不過這只是就釋放能量大小而言的，而兩者的破壞方式并不完全相同，所以不能對它們的破壞力做簡單比較。一般來說龍卷風的破壞力主要是機械性的，而原子彈的破壞力或危害性可能來自更多方面。

龍卷風從無到有，生成極快，往往只有十幾分鐘。要把這樣范圍很小、發展迅速、生命短暫的系統確切的發生地點和時間預報出來，看起來就像是“大海撈針”。以2014年5月20日發生在美國南部俄克拉何馬城摩爾鎮附近的強龍卷風為例，它是EF5級（最強級）的龍卷風，但它所經路徑的寬度只有2千米，長度只有27千米，持續時間只有40分鐘。像這樣小尺度的天氣系統只有依靠短期預報和臨近預報方法才能將它們準確地預報出來。具體說，就是小的天氣系統總是在較大的天氣系統的背景下發生的，可以首先分析大系統的特征，然后逐級細致分析較小的和更小的系統特征，最后做出某個確定時間和確定地點的天氣預報，這種預報思路叫做“預報漏斗”。龍卷風產生于更小的天氣系統，預測時不僅需要整合這些小天氣系統的精確數據，還要結合當地特殊的自然和地理等因素，在多變而龐雜的數據中尋求答案，難度之大可想而知。

科學家發現，對于鳥類來說，聽覺是它們檢測周圍環境極為重要的手段。就像在了解周圍環境時，人類靠的是視覺，而犬類則離不開嗅覺。“在此之前，從來沒有鳥類能通過次聲察覺到劇烈天氣即將來襲而趕緊逃避的記錄。”岡納·克雷默感嘆道，“我們真的被震撼了，對金翅蟲森鶯佩服得五體投地，原來鳥類的能力遠比我們想象的強大。”雖然目前科學家還不知道如何利用鳥類的行為來幫助人類預測可怕的龍卷風，但是隨著研究的不斷深入，相信不久的將來會有所突破。