龍捲風為什麼能掀起那麼強的風？
― 積雨雲裡的寬廣渦旋，如何被拉細而越轉越快
積雨雲（發展旺盛、會伴隨打雷的大型雲，也就是常說的雷雨雲）裡，有時會出現寬達數公里、轉動緩慢的渦旋。然而，從這裡向地面延伸的龍捲風，卻可能成為地球上觀測到最快的風之一。同樣是渦旋，為什麼速度會差這麼多呢？
請坐在辦公椅這類可以旋轉的椅子上，雙臂張開，慢慢地轉動。接著把手臂收向身體，你會感覺到轉速突然變快。
只是從手臂伸開的「寬」狀態，變成手臂收攏的「細」狀態，同一個身體就以完全不同的速度轉起來。龍捲風裡發生的，就是非常類似的事。
一般認為，發展旺盛的積雨雲內部，有時會產生寬達數公里、轉動相對緩慢的旋轉（中尺度氣旋）。
當渦旋向地面拉長，寬度縮小到接近數百分之一時，一般認為，由於角動量守恆這項物理性質，旋轉速度會大幅躍升。
接下來，我們依序來看「寬廣的渦旋」，以及「被拉細就會變快」的原理。
積雨雲裡為什麼會形成寬廣的渦旋
在發展旺盛的積雨雲內部，不同高度的風向和風速可能不一樣。一般認為，這種差異會讓空氣形成橫躺的「筒狀渦旋」。積雨雲中強烈的上升氣流把這根橫躺的筒子抬起、立成直的，就會產生寬達數公里、緩慢的垂直旋轉（中尺度氣旋）。
在這個階段，旋轉還不算太快。關鍵在於接下來發生的事。
渦旋被拉細後為什麼會變快：角動量守恆
旋轉中的物體具有一個表示「旋轉勁道」的量（角動量）。只要沒有外力特別介入，這個量大致會維持不變。它大略由「旋轉速度」×「渦旋半徑」決定。
也就是說，渦旋的半徑變小，旋轉速度就得等比例變大，才能保住角動量。當積雨雲中的上升氣流把寬廣的渦旋向上拉長變細，依照這個關係，旋轉會一下子加快。這和花式滑冰選手一邊旋轉、一邊把手臂收向身體就會轉得更快，是同樣的原理。
實際上，一般認為有多個過程同時參與，例如地面附近的下沉氣流（RFD）用冷空氣包圍渦旋的底部。光靠單純的角動量守恆，並不能解釋龍捲風的全部強度。
它是大自然把原本就存在的寬廣渦旋，在一瞬間收緊的結果。
可以自己動手驗證的事
- 坐在可旋轉的椅子（例如辦公椅）上，雙臂向左右大大張開
- 請人輕輕推你轉動，或用腳蹬地，開始慢慢旋轉
- 旋轉的同時，把雙臂收向身體
- 確認轉速突然變快（為了安全，請在周圍沒有物品和人的寬敞地方進行）
只是收起手臂、讓「半徑」變小，轉速就變快，這和渦旋被拉細而形成龍捲風時的關係相同。
如果在戶外，請立刻避難到堅固建築物中沒有窗戶的房間。如果在室內，基本做法是遠離窗戶和外牆，並壓低身體。汽車、倉庫、組合屋和臨時搭建的建築，因為有飛來物和倒塌的危險，一般認為安全性比堅固的建築物低。
總結
龍捲風的猛烈風速，並不是憑空從某處冒出來的。一般認為，這是積雨雲中原本就有、寬數公里的緩慢渦旋，被上升氣流拉細，依照角動量守恆的關係，旋轉速度大幅躍升的結果。
原本寬廣而緩慢的旋轉，只要變細，就會化為地球上最快的風。
旋轉轉換成速度的原理，在貓在空中調整姿勢的動作裡也看得到，詳情請見這篇文章。渦旋被拉細而變快的現象，在河水的流動中也看得到，歡迎一併閱讀談落差下方水圈的文章。至於變快的風能用多大的力量推動物體——「風的力量會隨風速的平方增加」這個可怕的算式，則在這篇文章裡說明。
想知道更多 ― 用語、數值與課本的關聯從國中理化到研究中的議題，都會標明是哪個程度的內容
- 國中國中自然科學會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或課本中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業科目（氣象學、流體力學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者仍在探究的話題
國中用語：與龍捲風有關的詞彙
- 積雨雲：垂直方向發展旺盛、伴隨雷電、強降雨和陣風的雲。
- 中尺度氣旋：積雨雲內部形成、寬數公里的緩慢旋轉。
- 角動量：表示旋轉物體所具有「旋轉勁道」的量。
高中用算式驗證：渦旋縮小到十分之一，風速會怎麼變
我們用簡化後的關係——「半徑」×「旋轉速度」大致維持不變——來估算渦旋被拉細時風速的變化。
拉細後的風速 ≒ 原本的半徑 × 原本的風速 ÷ 拉細後的半徑
| 原本的半徑 | 2000 m（中尺度氣旋的參考值） |
| 原本的風速 | 5 m/s（緩慢旋轉的參考值） |
| 拉細後的半徑 | 200 m（假設縮小到十分之一） |
※ 這是忽略空氣摩擦和上下方向複雜運動的簡化模型概算。一般認為，實際龍捲風的風速並不是只由這些因素決定。
| 半徑×風速（原本） | 2000 × 5 ＝ 10000 |
| 拉細後的風速（m/s） | 10000 ÷ 200 ＝ 50 |
| 換算成時速（km/h） | 50 × 3.6 ＝ 180 |
| 結果 | 在簡化模型中，風速約 50 m/s（時速約 180km） |
時速 180km，相當於接近新幹線行駛速度的風，在地面上肆虐。半徑只縮小到十分之一，就會算出這麼大的變化。一般認為，實際的強烈龍捲風，渦旋可能被拉得更細，或有其他過程疊加，因此也曾記錄到超過這個數值的風速。
高中＋與花式滑冰相同的旋轉物理
旋轉物體的角動量，以質量 × 速度 × 半徑表示（嚴格來說，係數會隨質量分布和旋轉形式而變，但基本概念相同）。花式滑冰選手收攏手臂加快旋轉，與龍捲風的渦旋被拉細而變快，都遵循「半徑變小的部分，由速度來補償」這個相同的關係。
大學氣象學處理的龍捲風生成力學模型
在氣象學和流體力學領域，已經有幾種模型，用來說明中尺度氣旋中，渦旋為什麼、又在哪裡被進一步拉細而成為龍捲風。其中，與積雨雲相伴的下沉氣流（RFD：後側下沉氣流），如何影響渦旋底部的溫度和濕度，被視為重要因素而受到研究。
研究目前仍不清楚的事
- 哪些中尺度氣旋會產生龍捲風、哪些不會，要如何事先精準分辨，至今仍是持續研究的課題。
- 龍捲風生成（tornadogenesis）的詳細過程，被視為氣象學上著名的未解問題之一，各國都在進行使用移動觀測車和都卜勒雷達的野外觀測計畫。
- 氣候變遷會如何改變龍捲風的發生數量、強度和發生地區，也還在研究途中。
龍捲風這種劇烈的現象，蘊含氣象學與流體力學交會、至今仍在研究的豐富主題。
與課本的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學・氣象／雲的形成 | 積雨雲、中尺度氣旋的基本用語 |
| 高中 | 物理基礎・旋轉運動（進階） | 半徑與風速的比例計算 |
| 高中＋ | 物理・角動量（進階） | 與花式滑冰的對應 |
| 大學 | 氣象學・流體力學 | RFD 與龍捲風生成的力學模型 |
| 研究 | 氣象學（研究中） | 龍捲風生成的預測、氣候變遷的影響 |
- 氣象學相關教科書中，關於積雨雲、中尺度氣旋與龍捲風生成的解說。
- 流體力學相關資料中，關於角動量守恆與渦旋力學的解說。
- 日本氣象廳（気象庁）等公家機關，關於龍捲風觀測、警報資訊與安全防護的解說。
- 氣象學領域中，關於龍捲風生成（tornadogenesis）的野外觀測研究回顧。
※ 半徑與風速的數值，是為了幫助理解原理的參考值。實際龍捲風的規模和風速，一般認為會因個案而有很大差異。
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是幫助理解原理的概算。實際的天氣狀況判斷，請依照日本氣象廳等公家機關的發布與警報。