无法精准预测的龙卷风

□谢文先   2016-11-25 05:22:21

龙卷风是随机性很强的天气现象,根据现有的知识水平和技术条件,要在龙卷风出现之前准确地预报其生成地点和移动路径几乎是不可能的

□谢文先

谢文先国家空间天气监测预警中心副研究员在很多人眼里,龙卷风仿佛是一种遥远的壮观景象,然而当它近在眼前时,带来的却是破坏性极大的灾难。2016年6月23日14时许,江苏盐城市阜宁县、射阳县部分地区突发龙卷风和冰雹严重灾害,多个乡镇受灾,造成大量民房、厂房、学校教室倒塌,部分道路交通受阻。目击者眼见汽车被风卷起抛入河中,普遍称当时情景如同世界末日。

什么是龙卷风

龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋,是在不稳定的天气条件下,由空气强烈对流运动产生。从雷暴云底向下伸展并且到达地面的漏斗状涡旋云柱叫做“龙卷”,龙卷伸展到地面时引起强烈的旋风叫做“龙卷风”。龙卷有时悬挂在空中,有时延伸到地面(悬挂在空中的漏斗云不是龙卷,必须触地才能称为龙卷)。出现在陆地上的,称为陆龙卷(landspout,美国国家气象局称dust-tube tornado);出现在海面上的,称为海龙卷(或称“水龙卷”,waterspout)。

龙卷风的寿命很短,往往只有几分钟到几十分钟,最长不会超过几小时。其移动速度为平均15米/秒,最快可达70米/秒。龙卷风的平均直径为200-300米,直径最小的不过几十米,只有极少数直径能达到1000米以上。移动路径的长度大多在10公里左右,短的只有几十米,长的可达几百公里以上。

龙卷风是怎样形成的

这可以从日常能看到的一种现象中得到启示:一阵风刮来,突然在空地中间出现了一个气流涡旋,它卷起了沙土和树叶随着气流旋转,而且越转越快地在移动着,过了一会,又迅速慢了下来,突然消失了。这就是由很小尺度的气流不稳定性造成的。

龙卷风则是由中尺度的气流不稳定性造成,其形成与强雷暴云中强烈的升降气流有关。当升降气流之间形成很强切变时,就会发生强烈的水平轴涡旋。涡旋越转越细越快,产生一个漩涡形的上升气流,并开始向下伸展,形成龙卷核心。当向下发展的涡旋到达地面高度时,地面气压急剧下降,风速急剧上升,形成了完整的龙卷风。龙卷中心为下沉气流,四壁为极强的上升气流。

虽然龙卷风是最小尺度的天气现象(中国通常将此类水平范围在20千米以下的天气现象称作小尺度天气现象),但威力惊人。2016年6月24日,在盐城遭受龙卷风的多个受灾点的路边,都横七竖八地停着一辆辆小汽车,很多都被扭成了麻花状。龙卷风瞬间产生的巨大威力可见一斑。这是因为龙卷风中心气压很低,其中心附近风速可达100-200米/秒以上,最高甚至达到300米,这比台风(产生于海上)近中心最大风速还大好几倍,破坏性极强。龙卷风强度大,来去匆匆,使其难以被精确预测,预测到了也无足够时间应对,这是造成龙卷风导致严重损失的重要原因。

2016年7月13日,摄影师连续追拍美国龙卷风,壮观如奇幻大片。CFP供图龙卷风强度如何划定

龙卷风按照破坏程度不同,分为0-5增强藤田级数,简单来说就是EF级数(藤田级数是由已经逝世的美籍日裔气象学家藤田哲也于1971年提出的,被全球各地用作衡量龙卷风规模的数值指标)。其中,人员伤亡主要由EF2级以上的较强龙卷风造成。

EF-0级:最大风速29-37米/秒(每小时105-137公里),虽然较弱,但还是足以把树枝吹断,根系较浅的树木被吹倒,把较轻的碎片卷起来击碎玻璃,一些烟囱会被吹断。

EF-1级:最大风速38-49米/秒(每小时138-178公里),破坏力属中等,能把屋顶吹走,把活动板房吹翻,一些较轻的汽车会被吹翻或刮离地面。

EF-2级:最大风速50-60米/秒(每小时179-218公里),破坏程度较大,能把沉重的物体吹出去几百米远,把一棵大树连根拔起,货车可以刮离地面。

EF-3级:最大风速61-73米/秒(每小时219-266公里),破坏程度严重,可以令较结实的房屋屋顶墙壁吹走,列车出轨甚或翻转,森林中大半树木连根拔起,重型车辆离地或卷走。

EF-4级:最大风速73-89米/秒(每小时267至322公里);属破坏性灾害,可以把一辆汽车刮飞,把一幢牢固的房屋夷为平地,树木被刮到几百米高空。

EF-5级:最大风速90米/秒或以上(每小时大于322公里),超越一切超强台风,无坚不摧,属于毁灭性灾难。坚固的钢筋混凝土建筑物也能刮起,大型汽车能掀出超过百里,是让人难以想象的巨灾,被其横扫之处无所幸免。

中国不是没有龙卷风

很多人都觉得中国并不存在龙卷风现象,其实不然。龙卷风主要发生在20°—50°的中纬度地区。中国大部省份都有龙卷风发生,主要集中在东部平原地区,以春季、夏季多发(4-8月龙卷风个数占全年的92%,4月占18.5%,7月占29.5%),又以午后到傍晚最为多见。

不过,中国龙卷风的发生有明显年际变化。中国在20世纪90年代中期至21世纪初龙卷风相对多发,近十年以来发生龙卷风相对较少。根据1991-2015年记录到的龙卷风统计资料,中国平均每年有42个龙卷风,其中2005年最多,达75个;2014年和2015年最少,均为19个。长江三角洲是中国龙卷风发生最多地区,江苏高邮市被称为中国的“龙卷风之乡”。

美国的龙卷风为什么多

美国是龙卷风发生最多的国家,美国国家海洋和大气管理局数据显示,美国年均发生1250次龙卷风,是中国的10倍,堪称“龙卷风王国”。美国的龙卷风不仅数量多,而且强度大,发生最多的是中西部和南部的广阔区域,有人将美国这一常发生龙卷风的区域称为“龙卷风道”。

这主要与美国的地理位置、气候条件以及大气环流特征有关。美国东濒大西洋,西靠太平洋,南面又有墨西哥湾,大量的水汽不断从东、西、南三面流向美国大陆。美国主要处在中纬度,春夏季常受副热带高压控制,即使在秋冬季,也常受其边缘影响。副热带高压把大西洋和墨西哥湾的大量暖湿空气源源不断地向美国大陆输送,这是产生雷雨云的充分条件。雷雨云不断地强烈发展,龙卷风就伴随而来。7月份副热带高压移动到加拿大,美国的龙卷数量就会大大减少。

相比之下,虽然中国与美国纬度相似,但中国龙卷风发生的概率比美国低得多。这主要是因为:中国大陆东临太平洋,但西、北面均为欧亚大陆,水汽条件没有美国好;其次,中国的主要山脉,如秦岭、天山、大小兴安岭都是东西走向,对南上的暖湿气流和北下的冷空气起到了很好的阻隔作用,使得它们的“冲突”不会那么剧烈。

预报龙卷风难在哪

龙卷风是一种非常小的涡旋系统,发生时间短、空间尺度小、移动速度快,生成和发展具有很大的随机性,因此定时、定点的龙卷风预报是世界性的难题。现阶段,科学家关于龙卷风预报的共识是:在现有技术基础上,不可能提前1小时以上定时、定点预报。目前世界上只有美国和加拿大发布龙卷风预警,也仅能提前几分钟到十几分钟,并没有特别有效的精确预测龙卷风办法。而且,现阶段的预警大多是打时间差,通常是已经出现了龙卷风,结合气象预报员的经验来判断其影响范围和移动路径,发出警报。同时龙卷风的移动速度极快,往往是人们刚刚收到警报,龙卷风就已杀到身边。美国一名气象专家格雷格•卡宾(Greg Carbin)就曾说,“预警可以给居民足够的时间蹲下来,却无法有足够的时间安全逃离灾区”。

那么,能不能用数值模式,通过物理方程反映龙卷风的生成和消亡,从而进行预报呢?答案也是否定的。龙卷风形成机理研究目前尚不成熟。从文献上看,即便在美国,科学家仍然在分析机理,甚至刚刚找到能够“自圆其说”的科学假设。

另一方面,由于尺度过于精细,龙卷风预报所需要的数值模式分辨率要比当前高一个量级,现有的计算机根本不可能做到。

能够实时监测龙卷风吗

龙卷风不能预报,监测也同样困难。当前观测龙卷风的主要手段为雷达,但地球是圆的,雷达观测会产生仰角,存在近地面层的盲区。而且,针对中国实际情况来看,尽管中国新一代多普勒天气雷达在硬件和监测技术方面和美国都差不多,但中国监测站点的密度还不够大,在雷达周围会形成一个监测盲区,很难监测到龙卷风。此外,雷达6分钟扫描一次,很可能漏掉短寿命龙卷风;而且,其分辨精度不足以捕捉小尺度的龙卷风。

不可能直接观测,只能通过观测龙卷风形成的征兆,进行判别。龙卷风分为两种,由超级单体引起的龙卷风的征兆是可能被雷达“抓住”的;另一类是地面切变线附近生成的龙卷,雷达基本监测不到,但此类龙卷风相对也较弱,占了每年全世界所发生龙卷风的一大半。

美国的龙卷风预警机制

美国的龙卷预警发布分两个层面:一是国家级的预警中心,发布1-3天的趋势性预报。二是美国各个地区的预报台。龙卷风一旦监测出现,就发布及时预警。一般情况,龙卷风警报会提前15分钟发出,个别情况下可在一个小时内提前预警。

近几十年来,美国气象部门在监测龙卷风时,运用了静止卫星、多普勒天气雷达,包括部分军用气象雷达,自动气象站网和自愿气象站(由业余爱好者自己设立的气象站),观测的空间和时间的分辨率都很高。一些业余爱好者、居民和新闻媒体会在龙卷风出现后开车跟踪,用手机随时向气象台报告龙卷风的具体位置,这也有利于校准雷达上的龙卷风位置和动向。

在警报方面,气象人员可以在气象台的预报室内启动用户警报器,这种警报器(收音机)被自动打开后就播送龙卷风警报;他们还可以在预报室直接播预报和警报,由电视台和广播电台进行直播,无需写成文字稿,由主持人播出,这样就节省了不少时间。

美国国家气象局还开展了一项Skywarn计划,旨在教会人们如何观测龙卷风、漏斗云、云墙以及其他极端天气现象。观测员一旦发现这种天气现象,就会报告当地气象部门,然后结合多普勒雷达的监测资料进行分析,可以提前发现龙卷风的踪迹,并发布相关预警。

监测技术的进步以及预警传播手段的广泛化大大降低了美国因龙卷风死亡人数。1925年,美国龙卷风死亡率为每百万人1.8人,到了2000年,已下降至每百万人0.11人。

遭遇龙卷风时怎样自救

因为每年发生数量较少,中国并没有针对龙卷风的单独预警。因此,对于中国公众而言,更应该掌握相关防御知识,才能在遭遇灾害时有效开展自救互救。

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