Смерч - локальное явление. Однако образование смерчей связано с интенсивными макромасштабными атмосферными процессами - зонами активной конвективной и грозовой деятельности. Эти зоны образуются при большой вертикальной неустойчивости воздушной массы, характеризующейся сходимостью (конвергенцией) теплых и влажных потоков в ее нижней части и расходимостью (дивергенцией) относительно холодных и сухих потоков в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Поэтому сильные смерчи наиболее часто наблюдаются в теплое время года, между 15 и 18 ч, в углубляющихся циклонах, на обостряющихся холодных фронтах и впереди них, под обширными тропосферными депрессиями. Наряду с вышеперечисленными главными макромасштабными процессами, способствующими образованию смерчей, должен выполняться еще целый ряд макромасштабных и мезомасштабных условий. Рассмотрим некоторые из них.

1. Циклоны, в которых могут возникнуть смерчи, обычно быстро движутся. Смерчи отмечаются в юго-посточном квадрате теплого сектора циклона, 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. В макромасштабных циклонических областях, на холодных фронтах и их волнах часто имеют место мезомасштабные цикло нические 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.

Имеется ряд гипотез, объясняющих физические особенности образования смерчей. Согласно [5], образование смерча происходит в два этапа (рис. 1.2). Первый этап - зарождение смерча. Вначале в облачном массиве начинает закручиваться столб восходящего потока воздуха диаметром 10-20 км и в средней тропосфере образуется мезовихрь с пониженным давлением в центре (в США мезовихри в кучево-дождевых облаках называют мезоциклонами). Вращение воздуха начинается на высотах 4-8 км, которое затем передается нижним и верхним слоям тропосферы как бы по трубе . При этом во вращающемся воздухе находятся в равновесии две силы - сила градиента давления, направленная к центру столба воздуха, и центробежная сила, направленная от центра вращения. Возникает так называемый циклострофический баланс, вследствие чего воздух движется вокруг вертикальной оси и в то же время перемещается вдоль нее, радиальные компоненты движения воздуха значительно ослаблены. По мере усиления восходящего потока в нижней части мезоциклона увеличивается конвергенция. Вследствие изменения направления ветра с высотой, втекающий воздух дополнительно закручивается вокруг оси столба вращения. Из-за сохранения углового момента, величина которого пропорциональна массе объема воздуха, его скорости и расстоянию от оси вращения, скорость вращения воздуха, приближающегося к оси, возрастает. Воздух, сходящийся в нижней части мезоциклона, вращаясь поднимается с ускорением. При этом происходит растяжение вращающегося столба воздуха по вертикали, и диаметр мезоциклона уменьшается до 2-6 км. Скорость потоков во вращающемся столбе воздуха может достигнуть 30-35 м/с, однако для наблюдателя смерч продолжает оставаться невидимым.

Второй этап - появление смерча, видимого наблюдателем. Па этом этапе формируется ядро смерча. Физика процесса и причины образование смерча особенно неясны. Предположительно, это происходит тогда, когда внутри мезоциклона, ближе к его периферии, сходимость и расходимость воздушных потоков по вертикали проявляется особенно резко. Диаметр этой области составляет не более 1 км. Здесь, как подтверждают измерения с помощью доплеровского радиолокатора, усиление вращения столба воздуха в средней части тропосферы быстро передается вниз, и вихревая труба вытягивается почти до земли.

В результате перепада давления, возникающего между ядром смерча и его внешней границей, воздух в сравнительно тонком слое вблизи земли втекает внутрь вихря, где он резко изменяет направление движения и начинает подниматься по спирали вверх. В результате зона наиболее сильных ветров принимает форму кольца. Поскольку трение о землю ограничивает радиальную скорость потока, ядро смерча не успевает заполниться воздухом снизу. Если грозовое облако, с которым связан смерч, становится особенно большим и превращается в суперячейку, то имеющийся в нем мезоциклон может рождать несколько смерчей. Иногда наблюдаются целые семейства смерчей - до восьми вихрей.

Имеются и другие физические гипотезы возникновения смерчей. В частности, в [4] предполагается, что вихревое движение, приводящее к образованию смерча, начинается в облаках в зонах крупного града и высокой концентрации градин в зоне падения. Согласно Т. Фуджита [10], образованию смерча способствует сваливание вершины кучево-дождевого облака из стратосферы вниз.