龙卷风的预报难在哪?

发布日期:2017-12-26阅读:259 次

龙卷风究竟能否预报?
  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。
  龙卷风预报难点在于其尺度小、发展快。原中央气象台台长李小泉说,出现龙卷风,就好比手划拨过水面后,水面肯定会出现漩涡,但很难判断出具体在哪个点会出现漩涡。龙卷风预报也是如此。冷空气侵入暖湿气流旺盛的地区,会引起强对流天气,但具体到哪个点会出现龙卷风,则几乎不可预测。
  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,南京大学大气科学学院教授薛明认为,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。
  美国于2015年前后开展了为期十年的项目,通过高分辨率模式做龙卷风集合预报,但业界对此有很大争议,很多科学家认为十年时间几乎不可能完成。这也是为何业界很多科学家认为“提前1小时以上的龙卷预报是气象界中最难的问题之一”的原因——现阶段,它的预报几乎无解。

 

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;雷达6分钟扫描一次,很可能漏掉短寿命龙卷风;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,但此类龙卷相对也较弱,占了每年全世界所发生龙卷的一大半。
  中国气象局气象干部培训学院教授俞小鼎研究龙卷风很多年,他说,通常来说,超级单体包含有持久深厚的尺度为几公里的中气旋,多普勒天气雷达通常都可以通过径向速度图识别距离雷达150公里以内的中气旋,雷达反射率因子图上往往会出现一个“钩型回波”与径向速度图上的中气旋对应;若中气旋强度较大,并且底高较低,则被视为利于产生龙卷的征兆,在江苏、安徽、上海、广东、海南、浙江、湖南、湖北、河南、山东、黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东部、河北等龙卷相对多发区,需要马上发布龙卷警报。
  俞小鼎指出,除了中气旋,有时在超级单体中气旋中还可以识别一种被称为“龙卷式涡旋特征(TVS)”的更小尺度涡旋,当这种TVS出现在靠近地面位置时,意味着龙卷即将发生或已经发生,对应的龙卷发生概率在70%以上。也就是说,中气旋中靠近地面TVS特征识别确实有较大概率确认为龙卷,但已经几乎没有预警时效,对于较长生命史龙卷,仍然具有预警价值。
  只是在中国,绝大多数龙卷生命史都很短,因此在观测到中气旋内靠近地面处出现TVS时,预警为时已晚,因此多数龙卷预警建立在观测到较强中气旋的底部出现在距地面较低位置(通常为1公里以下)基础上,就江苏这些年情况而言,最大限度提前预警时间为10分钟至20分钟。
  还有一组数据值得注意。以江苏为例,一年平均有10个超级单体,其中只有10%至15%的概率会形成龙卷,而且龙卷强度和超级单体强度没有直接关系。也正因为样本如此之少,很多预报员凭自身经验几乎很难判断龙卷。龙卷风预警如何做?
  俞小鼎认为,在江苏、安徽、广东、海南等龙卷相对多发区,当出现超级单体时,就应当盯着其发展情况,并关注有利于龙卷的环境背景条件,一旦发现有龙卷征兆,就应发布预警。而这样平均也就预留出10分钟至20分钟时间。因此建立龙卷和强对流警报快速自动生成和发布系统至关重要,从预报员决定发布龙卷警报,到警报到达用户或各类媒体手中的时间不应超过3分钟。
  在美国,龙卷发生频率是中国的10倍左右,因此龙卷多发区的基层台站预报员对于龙卷预警具有丰富经验。即便如此,其空报率仍然超过70%。自从上世纪90年代初新一代天气雷达在美国布网以来,龙卷预警命中率从原来的不到40%提高到80%以上,预警提前时间从原来的平均4分钟提高到14分钟,但空报率没有降低。专家认为,其继续提升的空间已非常有限。
  此外,俞小鼎指出,预警时,美国预报员会划定一个相当于半个北京市面积大小的多边形预警区域,一旦该区域出现龙卷,视为报准。但由于划定区域面积远超过龙卷实际影响区域,对于预警区域中大多数公众而言仍相当于空报。那么是否可以缩小预警区域大小呢?目前技术上还很难做到。如果硬要缩小预警区域,结果就会是更多的漏报率。
  从监测技术来看,中国并不输给美国,尤其在龙卷相对多发的江苏、广东、安徽、海南等地,多普勒天气雷达网足够密,布网的SA型多普勒天气雷达质量与美国的WSR-88D多普勒天气雷达大致相当。只是,一方面,我国龙卷风数量和影响程度远低于美国,预报员缺乏经验且没有正式的龙卷预警业务流程;另一方面,由于龙卷不同于台风、降雨等灾害,其有最大限度提前预警时间只有10分钟至20分钟,中国基层台站缺乏有效的龙卷警报快速生成和发布业务系统。
  在美国,预报员一旦确定要发布龙卷警报,可以使用警报自动生成和发布业务系统(WarnGen),整个预警只需要2分钟。基层台站首席预报员无需请示可以自主决定发布龙卷警报。
  除基于雷达观测的预警外,现场人员是否能判断龙卷发生呢?在美国,龙卷警报依据60%来自多普勒天气雷达,40%来自经过培训的志愿目击者报告。通过识别积雨云底部一种称为“墙云”的下坠云系的旋转可以判断龙卷即将发生,或者直接目击到漏斗云触地确认龙卷发生。但并非所有的云底旋转都会出现龙卷风。  
如何提升龙卷风防范能力?
  纵观全球,尽管预警的有效性并不高,但在龙卷风防范能力提升上,仍有空间。
  南京信息工程大学教授智协飞认为,要继续加强极端天气监测,建设好基于多普勒雷达的监测网络,进一步减少监测盲区。这一观点得到很多专家认同,他们认为在统一的气象业务观测规划基础上应针对重点地区建立特种观测体系,不能头疼了再吃药。
  俞小鼎提议,最要紧的是对预报员进行培训。要让年轻、没有经验甚至没有遇到过龙卷风的预报员,学会通过雷达进行判断,并在脑海中形成“查验清单”,即在完成降水等常规预报的同时,还要对龙卷等其他灾害天气的可能进行判断。龙卷多发区的预报员需要通过“预报模拟系统”使用多个龙卷个例进行实际分析,才能快速提高龙卷预警经验。
  中国气象局气象干部培训学院教师与美国国家大气研究中心NCAR的临近预报专家合作,已经建立了多个类似的“天气预报模拟”强对流天气临近预报实习模块。江苏省气象局团队研发了结合中气旋和TVS以及环境条件的龙卷自动报警系统,结合预报员主观分析,可以明显提高龙卷预警的效率。
  此外,南京信息工程大学教授缪启龙认为,在龙卷风中损坏的多是居民自建房,抗风能力较差,因此要提高建筑标准。江苏省已在建设重大工程设施时论证龙卷风发生概率和抗风情况。


来源:中国气象报

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