По определению метеорологического словаря, торнадо (смерч) – это вращающаяся колонна воздуха, распространяющаяся от основания кучево-дождевого облака вниз часто до самой поверхности земли, в виде хобота или воронки. Развитие смерча из облака отличает его от некоторых внешне подобных и также отличных по природе явлений, например пыльных, снежных вихрей и так называемых «Gustnado». Обычно видимый поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5—4 км. Вращение торнадо, как правило, происходит против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. И только 1% от всех смерчей вращаются наоборот. Это связано с действием силы Кориолиса, которая отклоняет воздушный или водный поток вправо от первоначального его движения. Смерчи могут встречаться практически в любых регионах Земного шара, за исключением полярных и субполярных областей, а также экваториальной зоны (поскольку здесь действие силы Кориолиса практически равно нулю). Однако максимальная повторяемость смерчей наблюдается на территории центральной и восточной части США, особенно в районе Великих равнин (Аллея торнадо).
Образование смерчей в большой степени обусловлено неустойчивостью стратификации атмосферы. Чем больше неустойчивость в атмосфере, тем они более вероятны. Однако образование смерчей даже при большой неустойчивости атмосферы происходит не всегда. Это говорит о том, что в атмосфере должны существовать и другие благоприятные для их образования условия. С точки зрения синоптической метеорологии, можно выделить три ситуации в тропосфере, которые благоприятствуют возникновению торнадо:
1. Быстродвижущиеся циклоны. В таких циклонах смерчи часто отмечаются в юго-восточном квадранте теплого сектора, впереди линии разрыва точки росы у земли, а также впереди быстро движущихся холодных фронтов, где часто образуются линии неустойчивости и линии шквалов с облачными валами, вращающимися вокруг горизонтальной оси, сильно изогнутой в вертикальной плоскости.
2. Макромасштабные циклонические области и на холодных фронтах с волнами часто имеют место мезомасштабные циклонические вихри. Массивы грозовой облачности здесь нередко имеют слабое вращательное движение вокруг вертикальной оси. Оно ускоряется при наличии в тропосфере больших горизонтальных и вертикальных сдвигов ветра. В этих условиях сильные вертикальные потоки внутри мощного массива кучево-дождевых облаков могут обусловить значительные сдвиги ветра на границе этих потоков и облачного массива, что и дает первоначальный момент вращения. Его передача по сужающемуся каналу, как хорошо известно, дает резкое ускорение вращения, что при соответствую щей начальной интенсивности процессов может привести к возникновению смерча.
3. Развитие внутримассовых гроз в малоградиентных барических полях (барические болота) в жаркую летнюю погоду. В таких условиях в достаточно мощном облаке может спонтанно возникнуть завихрение с вертикальной осью с постепенной передачей момента количества движения нижним слоям воздуха. Чаще всего при таких условиях развиваются смерчи по типу Landspout.
В Национальном центре по прогнозу сильных штормов в США для прогноза смерчей используются полученные на большом статистическом материале пять синоптических признаков атмосферных процессов, способствующих образованию интенсивных конвективных явлений, в том числе и смерчей:
1) наличие динамического фактора, обеспечивающего подъем теплого и влажного воздуха нижней тропосферы вверх, что имеет место в волновых возмущениях, циклонах, на фронтах и на разделах воздушных масс с различной влажностью.
2) большая конвективная неустойчивость в атмосфере, характеризующаяся вертикальными градиентами температуры значительно больше влажноадиабатических;
3) сильные с большим вертикальным сдвигом юго-западные ветры в средней и верхней тропосфере (наличие мощного струйного течения) и существование в пограничном слое атмосферы струйного течения нижних уровней, имеющего юго-восточное или южное направление;
4) подток с юга и юго-востока влажного воздуха в слое земля—1000 м и сухого воздуха с запада и юго-запада в слое 1000—2500 м;
5) наличие задерживающего слоя выше пограничного слоя, вследствие чего образование мощных кучево-дождевых облаков происходит взрывным образом.