Смерч (торнадо, тромб) являє собою атмосферний вихор малої горизонтальної довжини (характерний радіус 50—300 м, рідше до 1 км) і великої інтенсивності. Він виникає в конвективному осередку, позв'язаному з грозовою хмарою, і має вигляд лійки, що опускається з хмари, (серії лійок, стовпа і т.д.). Лійка заповнена повітрям, що повільно рухається вниз. Її поверхня є майже ізобаричною. Смерч супроводжується грозою, дощем, градом, і якщо лійка досягає земли, то викликає значні руйнування.
Торнадо поділяються на: слабкі — зі швидкістю вітру до 50 м/с (близько 70 % усіх торнадо); сильні — зі швидкістю вітру від 50 до 100 м/с (близько 28 %); і шалені — зі швидкістю вітру понад 100 м/с (~ 2 %). У сильних і, можливо, у шалених торнадо висхідний потік піднімається, обертаючись в тонкому шарі, що охоплює лійку. За деякими оцінками, швидкість вітру в торнадо може перевищувати швидкість звуку. Висота смерчу звичайно складає 800—1500 м. Тиск у ядрі смерчу на 10—15 % нижче, ніж на його периферії. Смерч звичайно виникає перед холодним фронтом і рухається приблизно в тім же напрямку, що і фронт, зі швидкістю кілька десятків метрів у секунду (до 60), проходячи за кілька годин свого існування 40—60 км (до 300). У процесі свого виникнення і формування смерч зв'язаний з циклоном мезомасштабу, т.зв. торнадо-циклоном з радіусом 5—25 км, тангенціальною швидкістю 15—25 м/с і завихрюваністю в околиці смерчу порядку (10—20)/с. Смерч звичайно утворюється поблизу осі обертового торнадо-циклону в області між висхідними і спадними потоками в тиловій частині грозового осередку. Зараз не викликає сумнівів роль вертикального збурення вітру у формуванні атмосферних вихрів. Існують різні сценарії утворення смерчу, зв'язані зі зламом спочатку горизонтальних вихрових трубок у висхідному потоці з наступним витягуванням та завихрюванням. Іноді досліджується роль спіральності в стійкості торнадоподібних вихорів, вплив конденсації вологи на ріст спіральності, формування інтенсивного смерчу з первинного торнадо-циклона і його стійкість усвідомлюється виходячи із концепції турбулентного динамо і досліджується зв'язок інтенсифікації атмосферних вихорів із асиметрією навколишнього потоку. Велика кількість робіт і розмаїтість теоретичних підходів не дозволяють, однак, без усяких сумнівів стверджувати про ролі різних фізичних процесів у механізмі утворення і самопідтримки смерчу. Натурні дослідження смерчів ускладнюються, по-перше, великою розмаїтістю атмосферних вихорів і умов їхнього виникнення, що утруднює аналіз експериментальних даних, і, по-друге, відносно малими просторовими розмірами смерчу, що не дозволяє надійно визначити структуру висхідних і спадних потоків. Пропонуються іноді прості фізичні моделі взаємодії різних процесів, що приводять до формування смерчу; проводиться оцінка в наближенні в’язкої нестисливої атмосфери.

Послідовність процесів, що приводять до утворення торнадо в умовах нестійко стратифікованої атмосфери, можна розглядати в такий спосіб.
Нехай у зоні впливу активного холодного фронту склалася сильно нерівновага стратифікація тропосфери: більш холодні і сухі повітряні маси виявилися над більш тепла і вологими, і нехай інтенсифікація обертання в конвективной системі грозової хмари в результаті збурення вітру привела до виникнення мезоциклону і падінню тиску в його приосьовій області, зв'язаному з дією відцентрових сил. Зниження тиску, у свою чергу, приводить, з одного боку, до просідання холодного повітря (просідання верхівки хмари, що породжує смерч, що починається за кілька хвилин до утворення смерчу, і опускання хмарних меж, коли торнадо-циклон досягає основи хмари, а з іншого боку — до розвитку процесів конденсації вологи в приосьовій частині мезоциклону. Ці процеси приводять до збільшення сил плавучості поблизу утвореної лійки і посиленню конвекції. Включається також механізм “конвекції другого роду”, коли відносно холодне повітря периферії мезоциклону витісняє нагору нагріте в результаті конденсації повітря в приосьовій частині. Інтенсифікація конвекції, у свою чергу, збільшує горизонтальну конвергенцію і висхідний потік, що викликає посилення обертання в центрі мезоциклону як за рахунок адвекції завихрюванності до осі, так і за рахунок механізму розтягування вихрових ліній.
Горизонтальні розміри мезоциклону значно більше вертикальних, тому поза смерчем, що зароджується, його можна розглядати як квазі-двомірну структуру, у якій завихренність (ротор швидкості) зберігається, потік же в області смерчу, що зароджується, істотно трьохмірний, тому там можлива генерація завихрюванності. Таким чином, інтенсифікація обертання веде до зниження тиску, а зниження тиску — до подальшої інтенсифікації обертання. Замикається перший виток позитивного зворотного зв'язку. У результаті зниження тиску збільшується глибина просідання холодного повітря.Коли стовп холодного повітря досягає поверхні землі, включається торцовий ефект: вдалині від поверхні радіальний градієнт тиску врівноважується відцентровими силами:

тут р — тиск; r— густина повітря; v — азимутальний компонент швидкості. Неохідно знехтувати адвекцією радіального потоку і силами диссипації у порівнянні з відцентровими силами, а на поверхні, у результаті дії в'язкості, v = 0. Унаслідок теореми Тейлора-Праудмена, умови якої виконані для мезоциклону, радіальний градієнт тиску не залежить від висоти. У результаті виникає радіальний потік, спрямований до осі обертання, швидкість якого забезпечує поява на поверхні сил тертя, що компенсують ослаблення відцентрових сил. Так виникає другий виток позитивного зворотного зв'язку, що приводить до формування смерчу. Ріст радіального потоку за рахунок торцевого ефекту збільшує концентрацію завихрюваності і висхідний потік. Це приводить до зниження приосьового тиску і, отже, до посилення торцевого ефекту. Торнадо-циклон “колапсує”, у результаті якого в нього утворюється ядро, що обертається з великою кутовою швидкістю, радіус якого на два порядки менше радіуса торнадо-циклона. Але тому що зрушення вітру продовжує впливати на конвективні процеси в осередку хмари, то і після формування смерчу торнадо-циклон продовжує існувати. При цьому співвідношення між торнадо-циклоном і смерчем таке ж, як між тропічним циклоном і “оком бурі”: торнадо-циклон поставляє смерчеві тепле вологе повітря, а смерч відіграє роль теплової машини, що перетворює тепло конденсації в кінетичну енергію повітряних потоків. Джерелами енергії для смерчу і торнадо-циклона служать схована теплота конденсації й енергія неоднорідного зовнішнього потоку. У чому принципова роль виділення схованої теплоти конденсації в утворенні смерча? Розглянемо питання про те, чи досить цієї енергії для формування смерчу. Нехай на 1 кг повітря конденсується 12 м вологи (різниця між насиченням при температурі Т1 = 25 °С и тиску р1 = 105 Па і насиченням при температурі Т2 = 10 °С и р2 = 8,5Ч104 Па — тиск на границі лійки і на висоті 1,5 км). Оскільки теплота пароутворення L » 2,5 МДж/кг, теплоємність повітря при постійному тиску порівн » 1 кдж/(кг 1°), то виділиться ~ 30 кдж/кг, а повітря нагріється на 30 °С. Оцінюючи КПД теплової машини по формулі Карно (~1/10), одержуємо, що кінетична енергія в смерчі не може перевищувати 3 кдж/кг, що відповідає швидкості ~50 м/с. Навіть при такій значній різниці між температурами повітряних мас і явно завищеному КПД перетворення теплової енергії в кінетичну модель, в основі якої лежить положення про те, що схована теплота є основним джерелом енергії смерчу, не описує 30 % усіх смерчів. Крім того, варто враховувати, що багато торнадо приходяться не на літній час, тобто Т1, і, отже, відношення суміші (вологовміст) теплої повітряної маси буде значно менше. Таким чином, ми приходимо до висновку, що для формування торнадо необхідно додаткове (крім схованого тепла конденсації) джерело енергії. Очевидно, що більше всього на цю роль підходить неоднорідність основного потоку.