唐驳虎：究竟为什么龙卷风难以做出预报和报警？

龙卷风，一个你所不知道的陌生恶魔（上）

凤凰新闻客户端主笔 唐驳虎

2016 年 6 月 23 日下午14时30分左右，江苏盐城市阜宁县、射阳县部分地区突然遭受了约20分钟的强龙卷风袭击，截止当日晚上22点，已有78人死亡，500人受伤，是一起极其惨痛的气象灾害。我们为逝者致哀！为生者祈福！

【龙卷风一般是怎么形成的？】

龙卷风是一种猛烈的、小范围的空气涡旋，通常是在伴有雷雨、冰雹的空气强烈对流天气下产生的。而冷暖空气碰撞时容易产生雷雨、大风、龙卷风等强对流天气。

（当然，也有在晴天发生的超小尺度的偶发气流涡旋，但一般不列入龙卷风范畴。）

在雷雨云里，空气扰动十分厉害，上下温差悬殊。在地面，气温是摄氏20多度，越往高空，温度越低。在积雨云顶部8000多米的高空，温度低到摄氏零下30度。

这样，云系对流旺盛，极不稳定，上面冷的气流急速下降，下面热的空气猛烈上升。由于上下空气交替扰动，产生旋转作用，互相摩擦，形成许多小涡旋。

这些小涡旋逐渐扩大。上下激荡越发强烈，形成大涡旋。大涡旋先是绕水平轴旋转，形成了一个呈水平方向的空气旋转柱。然后，这个空气旋转柱的两端渐渐弯曲，并且从云底慢慢垂了下来。这样，龙卷风就形成了。

它象魔鬼一样带着轰鸣猛扑过来，一般上部是一块乌黑或浓灰的积雨云，下部是下垂着的、高速旋转的漏斗状云柱。从对流云云底盘旋而下。有的能伸达地面，在地面引起灾害性的风被称为龙卷；有的未及地面或未在地面产生灾害性风的被称为空中漏斗。

它的底部宽度不大，在接触地面时，直径在几米到1公里不等，平均在几百米，但影响范围可达路径左右的1-2公里。

当然，呈现“漏斗”形状的龙卷上部直径大一些，通常可达3-4千米，最大可达10千米。而它的“身高”一般都超过10千米，最高可达15千米。

由于龙卷风风速大，光风本身带来的灾害就比台风的破坏力还要强大。而更为可怕的是是龙卷内部的低气压。

这种低气压可以低到400毫巴，甚至200毫巴，而一个标准大气压是1013毫巴。所以，在龙卷风扫过的地方，犹如一个特殊的吸泵一样，往往把它所触及的水和沙尘、树木，乃至人、汽车、房屋等等吸卷而起。

【龙卷风有多可怕？】

常用的龙卷风定强分级方法是藤田级数，“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。美国国家气象局2006年提出了改进版的“藤田级数”，并于2007年启用：

EF-0级：最大风速29-38米/秒（每小时105至137公里），相当于11-13级台风；破坏程度轻微，可导致部分屋顶表皮被剥落，一些树枝被风吹落，根系较浅的树木被吹倒。

EF-1级：最大风速39-49米/秒（每小时138至178公里），相当于13-15级台风；破坏力属中等，可造成大片屋顶掀起，移动房屋被吹翻或损毁严重，窗户或其他建筑物的玻璃爆裂。

EF-2级：最大风速50-60米/秒（每小时179至218公里），相当于15-17级台风；破坏程度较大，足以令建筑质量良好的房屋屋顶被掀翻；木制房屋的地基移动；移动房屋完全摧毁，大树被吹折或连根拔起。

EF-3级：最大风速61-73米/秒（每小时219至266公里），相当于17级以上台风；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，如果房屋地基不十分坚固，将被卷走一段距离，汽车有如导弹般飞起。

EF-5级：最大风速90米/秒或以上，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。

美国1999年的Bridge Creek–Moore龙卷风根据雷达测速估计最大风速达134米/秒（每小时482公里）。不过，EF-5级发生的机率极低。80%的龙卷风是EF0级和EF1级，4级及以上龙卷风仅占1%。

龙卷风的中心附近风力极大，但是不好精确测量，因为龙卷风中心范围很小，很难与气象观测站相遇，即使偶然相遇，风速计乃至气象站也会被大风损毁。能用雷达对中心风力测速也需满足条件。实际往往采用对风毁的事后勘测来判断级数。

据目前灾害测报，此次江苏的龙卷风等级为EF-3级，即相当于17级以上超强台风。

【为什么美国的龙卷风特别多？】

龙卷风出现在世界很多地方，如欧洲北部、巴西南部和阿根廷以及亚洲东部，但是生成最集中的地方还是在美国。

美国是世界上遭遇龙卷风最多的国家，平均每年有1200～1300个龙卷风袭击美国。这与美国的地形以及地理位置有关。

首先，美国东临大西洋，西濒太平洋，南面为墨西哥湾，水汽条件非常好。特别是中部靠南方的地区，墨西哥湾向内陆输送大量的暖湿气流；而美国北面为加拿大，是冷空气的发源地。

其次，美国的主要山脉如落基山、阿巴拉契亚山都为南北走向，不能起到阻挡作用，而美国平原面积广大且连成一体，冷暖空气都能长驱直入到内陆地区，二者容易交汇、碰撞，生成强对流天气。

干冷空气和暖湿空气在美国中部交汇，这就是美国中西部的龙卷风走廊。冷空气位于高空中5千至6千米处，下层则是来自墨西哥湾的暖湿空气。冷暖两支空气狭路相逢、势均力敌，同一垂直高度中大气温度存在着巨大差异，这就为风暴发展成龙卷风创造了条件。

每年的春季是美国龙卷风的多发季，主要集中在2-6月。因为此时冷、暖空气势均力敌，相遇时容易引发龙卷风。到盛夏时节，暖湿气流比较旺盛，而冷空气很弱，龙卷风的发生频次相对较低。

也就是说，龙卷风最易发生在冷暖空气激烈交汇的大平原上。远离海洋的内陆干燥地区，就很少有龙卷风出现。

【龙卷风在美国造成什么样的损害？】

美国有些州几乎年年都有龙卷风肆虐，死人的、损坏房屋及公共设施的每年也都会发生，常常每年致使近百人丧生。

伤亡最重的一次是1925年3月18日，当日下午，贯穿密西西比河流域的一个大龙卷，在3个半小时内，以火车般的速度扫过352公里长、400-800米宽的一片乡村城镇，造成695人死亡、2027人受伤。

规模最大的龙卷风群爆发是在1974年4月3日上午9点起的24小时内，在美国中西部和南部的12个州，共发生龙卷风148场，包括6个F5级和24个F4级的龙卷风，绰号“超级爆发”（Super Outbreak）。累计死亡315人，受伤5484人。

2011年4月25日至28日四天内也出现类似上述规模的龙卷风爆发，经确认的龙卷风达330个，并造成344人死亡。在27日就出现190个龙卷风，包括4个EF5级和11个EF4级龙卷风，被称之为“超级爆发Ⅱ” 。

这次龙卷风所过之处几乎都是亚拉巴马州重要商业区，这对该州的商业造成了很大损失，同时也导致成千上万人因此失去工作。

【中国龙卷风有什么时空特征？】

中国的确属于龙卷风比较少见的国家。一方面，中国东部地区的水汽条件不如美国充沛；另一方面，不少地区地形崎岖，山地众多。

特别大山脉很多是东西走向（如燕山、秦岭、南岭等），对北上的暖湿气流和南下的干冷空气都形成了拦截，就算冷暖两支气流跨越重重阻隔终于相遇，也已经被消磨掉大半，难以支持龙卷风那么剧烈的冲突。

所以，中国的龙卷风数量总体比美国少很多。但是并非没有。据估计，我国东部地区每年发生龙卷风大约有200-300个，其中灾害性龙卷风大概在10-15个左右。

特别是水汽条件和地形条件与美国类似的地区，如长江三角洲、江苏北部、山东西南部、河南东部的平原和湖沼区，东北平原、华北平原是龙卷风的易发区。

另外，珠江三角洲、雷州半岛等南方沿海地区，台风过境前后也有因台风诱发的龙卷风出现。

因与美国中西部大平原条件相似，江苏可谓是我国的“龙卷风走廊”，这里既有开阔低洼的大平原，地势平坦、江河湖泊水网交织，也正处于亚热带和暖温带的气候过渡地带，有冷涡切变、南下的冷空气、干空气，还往往有副高边缘的强盛暖湿气流。这些条件都有助于龙卷生成。

强龙卷主要集中在3-9月发生，其中7月最多，4月次之。

一天中，70%的强龙卷发生在12-20时之间，经过白天太阳辐射，强对流天气最易发生；此外，凌晨0-2时也是龙卷发生的一个小高峰。

另外，龙卷风的持续影响时间一般少于10分钟，多数为1至3分钟。

【龙卷风在中国造成什么样的损害？】

相对来说，江苏是我国强龙卷发生次数最多的省份，尤其是苏北地区。像盐城就曾在1966年，也就是整整50年前，曾出现过EF3-4级别的龙卷风。

1966年3月3日凌晨一点左右，盐城、射阳、大丰出现特大龙卷风，从生成到消失长达一个多小时，移动路径约30余公里。

造成87人死亡，1246人受伤，其中重伤275人；毁坏房屋32903间，其中全部倒塌的10414间。

上世纪60年代后期，曾是中国龙卷风相对多发的时期。

除1966年盐城外，1967年3月26日浙江省嘉兴地区龙卷风死亡87人，伤510人；1969年8月29日河北霸县-天津龙卷风死亡98人，重伤240人，轻伤523人。是三起造成大规模伤亡的龙卷风灾害。

而1977年4月16日傍晚，因冷空气快速南移，与暖湿气流遭遇，湖北黄冈团风县总路咀乡发生龙卷风，历时仅20分钟，中心宽度仅20～50米。

但因恰逢黄冈中学生运动会在总路咀中学(黄冈三中)举行，学校放电影招待。结果龙卷风吹塌学校礼堂，许多14-15岁的运动员不幸死亡。导致此次龙卷风在湖北造成的死亡人数高达103人，伤1173人，一片人间惨象。

另一起类似的事故一年后发生在陕西乾县。1978年4月14日，乾县周城公社突发龙卷风。风灾范围虽然只限于公社的学校商店医院机关和周西、周北村，方圆不过三里，但人员财产损失严重。公社商店医院完全成为废墟。

最严重的是小学，校舍倒塌，师生们被埋在废墟下面。造成84人死亡，173人重伤，161人轻伤。

1983年4月27日，洞庭湖畔的湖南湘阴县遭遇龙卷袭击，8所学校和650个农户房屋全部倒塌，造成81人死亡，970人受伤。

在这两段高发期之后，在长达30多年的时间里，龙卷风在中国各地虽然时有发生，但终因规模较小，死伤人数不多。未形成轰动性的新闻事件，龙卷风淡出了公众视野。

像去年的长江东方之星号客轮翻沉事件（事后证明是与龙卷风同属强对流风暴的飑线所致）之后，一片疑惑询问“中国/长江真的有龙卷风吗？”的问题满天飞，可见广大公众对中国的龙卷风并不了解。

但连同盐城龙卷风，这两起事件，可能预示着强对流天气灾害对中国的影响重新进入高发期，值得引发政府和公众的重视。

【美国的龙卷风预警是怎么回事？】

美国作为世界上遭受龙卷风袭击最多的国家，对于龙卷风形成及预警的研究已有半个多世纪。

美国国家强风暴实验室始建于1964年，1973年5月，该实验室的10cm波段（S波段）多普勒气象雷达第一次记录下了龙卷风整个生命周期。

但由于龙卷风是一种中小尺度的涡旋系统，生成和发展具有很大的随机性，发生时间短、空间尺度小、移动速度快，但即使在美国这样气象技术最为先进、予以高度重视、投入巨大的龙卷风最高发国，对龙卷风也只能做到密切监测而不是生成之前就做出预报。

预报和预警是有区别的，理论上说，龙卷风发生之前就报，这叫预报。要想定时、定点精确预报，这个现在做不到，以后估计也很难做到。

因为大气气象的尺度和复杂程度超出普通人的想象。

简单地说，混沌现象、蝴蝶效应（一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后在美国德克萨斯引起一场龙卷风）这些复杂而神秘莫测的“玄学”理论，都是源自气象科学。

所以，只能做出趋势预测，也就是概率估计。而这些预测，成功率也不高，比蒙好不了多少。

而预警大多是在龙卷风发生后。有些人说都发生了，谁还要你来预警？

这是因为，龙卷风虽然持续时间短，一般十几到几十分钟，但是也有发展和消亡过程，一开始破坏力有限，可以争取时间躲避。

另外龙卷风移动迅速，此时在此地，转眼到别处，预警能让一大片范围内的人都躲避。

现阶段的龙卷风预警，本质上是打时间差。已经出现了龙卷风，根据大气情况，结合预报员的经验来判断其影响范围和移动路径，发出警报，通知民众躲避。

在这一点上，龙卷风警报就和地震警报的关系很类似。

地震现阶段无法准确预报，但是可以在震中爆发之后，迅速用光速的通信网络，通知到地震波尚未传导到的其他地区，为人们争取到15-30秒的提前警报，可以做出躲避动作。

【美国大片中的“追风者”是怎么回事？】

美国的龙卷预警发布分两个层面：一是在国家级的预警中心，美国国家气象局（NWS）的各个办公室会发布1至3天的风险预测趋势性预报。根据天气形势的发展，预估出某个地区范围内生成龙卷风的可能性较大，让各地气象台提高警惕。

二是在美国各个地区的预报台。如果气象雷达发现龙卷风的“初级胚胎”——强对流天气即将生成，气象工作人员就会加强监视和跟踪，一旦监测龙卷风出现，就发布及时预警，并根据各种资料分析这个龙卷风可能会向哪个方位移动。

由于雷达的监测距离、精度、更新率和分辨率都有限，采用雷达和目视相配合的方法常常更可靠一些。

一些业余爱好者、居民和新闻媒体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。

这就是美国大片中常见的“追风者”们——业余、自愿、大胆的天气爱好者。他们构成了风暴监测网络的重要一环，也就是移动的“人肉气象站”。

这些自愿风暴观测员们包括郡行政司法长官、州警官、消防队员、救护车司机等等。

美国国家气象局还开展了一项SKYWARN计划，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。

自愿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。

近些年来，美国气象部门在监测龙卷风时，综合运用了静止卫星、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），观测的空间和时间分辨率都很高。

目前美国大概能提前平均8-10分钟，通过电视、电话、手机、网络以及高音喇叭等方式，对一大片地区特别是龙卷风可能移动路径上的居民和单位发出预警，可以让民众采取有效的躲避措施。

同时美国也已经有一些手机应用（APP），可以通过官方数据和用户的地址信息给出龙卷风预警。

监测技术的进步以及预警传播手段的广泛化较大程度地降低了美国因龙卷风死亡人数。尽管如此，在美国龙卷风还是继飓风之后破坏力第二大的自然灾害。

最主要的原因还是龙卷风的难以预报性。同时龙卷风的移速极快，往往是人们刚刚收到警报，龙卷风就已杀到身边。

这与地震警报类似——可以打个时间差，给居民一定的时间在坚固的墙角蹲下来，却无法有足够的时间安全逃离楼宇。

【做预警监测的系统设备是什么？】

业余、勇敢、无畏、奉献的“追风者”们有助于提高龙卷风检测的精度，但气象雷达监测网却仍然是最基本的保障。

天气雷达的探测原理是利用云雨目标物对雷达所发射电磁波的散射回波来测定其空间位置、强弱分布、垂直结构等，用于定位天气系统位置及探测降水强度。

美国于1988年正式进行下一代气象雷达（NEXRDA）的布网建设，这套称之为WSR-88D (Weather Service Radar 1988 Doppler)的S波段雷达采用多普勒体制。

除能起到常规天气雷达的作用外，还可以利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，推断降水云体的移动速度、风场结构特征、垂直气流速度等。可以监测暴雨、雷暴、冰雹、龙卷、风切变、下击暴流、锋面、湍流、冰雹等中小尺度灾害性天气的发生、发展。

至1997年，美国在本土及海外布网了165台NEXRDA，大幅提高了对重大灾害性天气的监测和预报能力。其他西方国家也在90年代末开始逐步建设现代化气象雷达网络系统。

中国在21世纪初也开始部署新一代天气雷达系统建设，经过10年时间，在全国建成164部S波段和C波段多普勒天气雷达构成的基本天气雷达网。

C波段雷达（波长3.75-7.5厘米）主要分布在内陆地区，可对150公里半径范围内的降雨进行较准确估测。

C波段波长短，直线性越好，越精确，但是很容易被衰减。

S波段雷达（波长7.5-15厘米）的穿透性更好，主要分布在沿海地区及主要降雨流域。可以监视半径为400公里范围的地区内台风、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等大范围强降水天气。

S波段波长更长，在大气中的衰减率低，可以传播得更远，尤其是雨水穿透性更佳。

但波长增长的代价就是精度降低，在150公里距离上，空间分辨率为1公里。可识别雹云中尺度为2～3公里的核区，或判别尺度为10公里左右的龙卷气旋。

雷达系统会根据需要来扫描不同角度，不同方位。通常情况下，探测方圆250公里、高度15千米范围内的大气需要5到10分钟的时间。平均更新周期在6分钟左右。

所以，无论是从空间分辨率，还是时间分辨率来说，像S波段这样的雷达还是远远不足的。和“然并卵”差不多。

这也就是为什么发达先进如美国，实时检测龙卷风也还要依赖于“人肉观测员”的根本原因。

【根本的解决之道是更先进的设备，或者说：钱】

那么，怎么办？

解决之道就是采用波长更短的X波段雷达（波长2.5 - 3.75毫米），这样的雷达主要用于强对流天气的精细结构探测，最高分辨率可达75米。可以精确识别百米级别的龙卷风，并在暴雨、冰雹等强对流天气的监测和预警上占有更大的优势。

并且，X波段雷达的扫描周期更短，完成一周体扫只要三分半钟。无论空间分辨率还是时间分辨率都大幅提升，能更加有快速地捕捉到龙卷风。

当然，根据前面对C波段雷达介绍和评述，我们可以知道，X波段雷达的波长更短，在雨中衰减得更厉害。有效探测范围也就70公里到100公里。

也就是说，覆盖同一片地区，所需的雷达数量陡增。只有财政宽裕的发达地区才能装备得起。

2013年8月，广东佛山市政府正式发文，成立全国首个龙卷风专门研究机构佛山市龙卷风研究中心，并要求龙卷风预警水平领先全国。

在财政的支持下，佛山气象部门在南海区安装了一台X波段雷达，还将在三水、高明和顺德三个区，安装另外三台X波段雷达，计划用四台雷达实现对佛山市域的基本覆盖。

可见无论是美国还是佛山，只有发达的经济、充裕的财政，才有精细尺度天气预警的基本硬件条件。

另外，佛山气象部门安装的还只是双偏振雷达，信息更新周期仍需三分多钟，相对尺度小，强度大，生命周期短的龙卷风还是有诸多不足。

如果能采用更先进的电控相控阵体制雷达，扫描周期压缩到40秒乃至20秒以内，才真正对龙卷风的预警和实时监测有较大的帮助。

无论是探测、监测、预警系统，背后都是科技投入和财政投入，也就是，钱，钱，钱。

人命无价，人命有价。发达国家各环节的相对低意外死亡率，既有体制上的制度保证，也有技术环节的设备保证。两者结合起来，才能在社会宏观尺度上降低人员伤亡。

也就是说，只有社会经济的全面进步，才能给我们从根本上带来一个更加安全的世界。

（未完待续）