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尺度之战与特殊难点
——我国龙卷风科研业务如何寻找突破口

发布时间:2022年05月09日 来源:中国气象报社

采访专家:

国家气象中心强天气预报中心高级工程师曹艳察,

工程师周晓敏,副主任蓝渝

中国气象局气象探测中心(雷达气象中心)副研究员

姚聃,高级工程师杨金红

中国气象科学研究院副研究员吴翀

中国气象局气象干部培训学院教授俞小鼎

江苏省气象台副台长王啸华

佛山市龙卷风研究中心工程师蔡康龙

成都信息工程大学电子工程学院副院长张福贵

某种程度上说,龙卷风是最难研究和捕捉的天气现象,门槛很高,以至于业内也有“谁能把龙卷风报好了,那就是攻破了世界级难题”的说法。

而得益于中国气象观测站网尤其是新一代天气雷达网以及现场调查、数值模式等的发展进步,中国龙卷风研究也已经在路上,并开始探索相关业务建设。

小尺度的难题

在气象领域,尺度很重要。这也是龙卷风科研业务难点最初的源头和关键——它太小了。尽管在公众看来,龙卷风“巨大”的风柱接天连地,宛若魔幻大片,但对比上千公里的台风系统,龙卷风的个头实在太小。这是一种少见的局地性、小尺度、突发性强对流天气,直径一般只有几十米至数百米,最大的也只有1公里左右;持续时间短,一般为几分钟到几十分钟;其发生发展相当“任性”——如果从高空能看到的话,几乎就是一闪即灭。

如此微小又转瞬即逝的龙卷风,在气象观测与数值模式中能否“被看见”?即使地面气象观测站间距已部分实现公里级,也难以直接“捕捉”到龙卷风;天气雷达则受限于探测范围、分辨率和地球曲率及地形遮挡等而无法直接探测到龙卷风本身。这也就解释了为什么龙卷风相关文献常常出现“不完全统计”这个词,因为难以被关注和观察到,相当数量的龙卷风就“无声无息”了。即便是目前全球最先进的观测系统,也几乎无法真正“看到”龙卷风(美国龙卷风试验中,采用车载多普勒天气雷达追踪龙卷风,可以在距离其几百米的地方探测到龙卷风本身,尽管这样的机会并不多);即使采用世界上最先进的高分辨率、快速扫描的移动雷达系统,对于龙卷风精细化结构和演变的观测、分析仍然十分困难。现实中,一场龙卷风发生了,通常只能依靠龙卷风母体系统的发展去寻找一些信号。

对于龙卷风,人类对其机理认识尚浅,这也制约了相关预报预警业务的建立。即便是在龙卷风灾害严重、研究较为充分的美国,其有效预警时间也仅有短短的十几分钟,且预报准确率有限。

通常情况下,冷空气到来前一周,人们就可以根据气象信息准备衣物;台风到来前几天,可以根据气象预报安排行程;就连预报预警时效要求很高的冰雹,即使预警迟到15分钟,由于很多产生大冰雹的对流系统生命史可达2-3个小时,剩下的时间里也可能依然有效。然而,对于时间尺度仅有几分钟到几十分钟的龙卷风,预警时效要求堪称苛刻。

龙卷风发生概率低,生消迅速,影响范围较小,但问题在于,它破坏力强,在极高风速的冲击作用下,可对包括建筑物在内的任何物体产生极强的瞬时荷载。此外,龙卷风发生过程中,常伴随有冰雹、暴雨、直线型雷暴大风等强对流灾害性天气,往往会加重灾情。很多人可能还记得2021年底那场席卷美国中南部多个州的罕见龙卷风,那次事件后,亲历者称其感受是“一种无法形容的恐惧”。

特殊难点

与每年龙卷风发生频次超过1200个的美国相比,我国的情况截然不同。我国龙卷风发生环境复杂,多发生在暴雨、雷雨大风或者台风等环境中,不同天气背景下龙卷风形成的环境条件存在诸多差异。通常龙卷风与强降水、雷暴、冰雹等多种类型天气现象共生并存,使得对我国龙卷风的预报预警和研究更加困难。另外,我国幅员辽阔,不同区域的龙卷风发生环境条件也存在诸多差异。

我国龙卷风发生概率低的现实以及精细化观测的限制,使得分析研究龙卷风在我国的发生机理和活动规律缺少足够样本,相关科学认识还不够深入和全面,尚未建立起科学准确的中国龙卷风概念模型。随着中国气象事业的进步,我国目前已建立起点网面体和直接间接各种丰富的监测手段来对付强对流天气,这给了中国气象工作者冲击这道世界级难题一定基础。

在当下气象观测网已经较过去密得多的情况下,如果说捕捉强对流还是如同大网捞小鱼,那么龙卷风可算最小的那一类。我国业务运行的236部新一代天气雷达,1千米高度的覆盖率仅为31%,而从近地层到1千米高度区域是龙卷风等小尺度灾害性强对流天气的易发区;现有雷达6分钟一次体扫的观测模式加上雷达中远距离处低层覆盖不足,以及其他因素相关限制,也难以观测到龙卷风的一些特征;龙卷风识别算法需要进一步优化完善。

横亘在数值预报面前的问题则更如鸿沟,我国现有业务数值预报模式水平分辨率一般为3-5公里,而龙卷风预报需要精细到百米级甚至米级,此中差距一望便知。

而延伸到关键的“最后一公里”,龙卷风预警、应急响应机制和民众应对等多个方面也需要完善。以公众认知科学普及为例,如果现在随机问某位市民龙卷风来临时如何避险,恐怕很多人会有点懵吧。

寻找突破口

要探寻风从何时吹起,时常要追溯到千丝万缕“青萍之末”。

大约千禧年之前,我国的龙卷风研究大多基于少数研究者对个例的分析;2000年左右,随着我国新一代天气雷达网布设,龙卷风开始引起部分研究者的关注。

2009年,国家气象中心强天气预报中心组建,强对流业务逐渐得到加强。2013年,广东省佛山市气象局成立国内首个龙卷风研究中心。2017年,中国气象局组织龙卷风高发的江苏、浙江、安徽、湖北和广东等省气象部门,由国家气象中心牵头中国气象科学研究院等单位共同开展龙卷风监测预警业务试验。2019年,中国龙卷风强度等级气象行业标准正式发布实施;2021年,龙卷风强度等级国家标准发布实施。

2021年,中国气象局启动《龙卷风监测预报预警能力建设专项工作方案(2021-2025年)》……

不过,龙卷风这块“骨头”太硬了,无论是科研还是业务都很难一步到位,需要一步一步脚踏实地。具体到监测、预报、预警和机理研究等各个环境各处细节,都需要开展种种新探索。

比如在监测与预警方面,如果说大范围织密观测网成本过高,那么在龙卷风高发区,针对不同区域不同特点局地织密“小网”,可能更具有可操作性。例如,成都信息工程大学通过国家重点研发计划项目“龙卷风探测雷达研制及业务化应用研究”,探索“三重雷达网”协同探测技术,即龙卷风探测雷达网、协同观测网、综合观测业务网,其中在龙卷风雷达探测网的布设中针对龙卷风等小尺度天气过程观测,开展高时空分辨率相控阵天气雷达机反射面多波束天气雷达研制。一场龙卷风探测专项科学试验已经在龙卷风多发地苏北、皖北开展,探索龙卷风生消过程的精细化观测。而在建设雷达硬件的同时,提升雷达应用水平也十分急迫。据悉,今年,中国气象局气象探测中心(雷达气象中心)也将统筹在试点省市开展多波段雷达协同观测试验和算法中试,着力提升强对流雷达监测预警能力。

比如在预报模式方面,近年来已有团队引入资料同化和集合预报思想开展更为精细的数值模拟,有研究者认为在当前条件下,通过理想模拟与实际模拟相结合的研究手段,开展针对我国龙卷风个例的数值模拟研究具有较大可行性。具体在业务中,有人认为除了走“正规军事阵地战硬碰硬路线”,也要探索更加精巧的手段,根据有利于龙卷风的环境条件场分析,尝试开展龙卷风潜势预报,就像在大平原上要捉一只兔子很难,但或许可以先锁定兔子洞,即使“狡兔三窟”,也可以在洞口下夹子等待。

各环节的联系与互动被置于更重要的位置,比如国家级与省市县级的互动,监测与预报预警部门不断的互相反馈,科研与业务部门的深度融合等。实际上,这种能够深入互动、举全行业乃至全国之力开展科研和业务探索,也被认为是我国探索龙卷科研业务的优势所在。

除了“正面战场”,其实,在龙卷风科研业务中还有一条隐藏的“战线”,由专业部门、各地政府,甚至每一个你和我组成。这条隐秘战线在预警和灾害调查方面至关重要。

比如,与其他天气研究业务相比,很多龙卷风研究者都需要“跑现场”,现场灾害调查是必要手段,能够为确定灾害的成因和强度,提供最重要和最直接的证据。比如2016年至2021年,佛山龙卷风研究中心参与了国内59次龙卷等致灾雷暴大风的灾害调查,建立了一套详细的龙卷风灾害调查资料库。在建立中国龙卷风数据库尤其是强龙卷风数据库方面,除了加强气象业务部门的龙卷风现场调查能力和气象信息员队伍建设,实现更为可靠的龙卷风观测和调查以外,在保证安全的前提下,公众参与记录和分享龙卷风的视频,也受到专业人员的欢迎。

随着新媒体的发展,龙卷风作为一种奇观吸引着越来越多的人关注,带给专业人员的,有压力,更多的是激励。而带给我们每一个普通人的,除了视觉上的震撼,也应该有防灾减灾技能上的提升。

是的,龙卷风,这是我们都要严肃对待的天气现象。

(作者:刘钊 赵晓妮 卢健 谷星月 责任编辑:张明禄)