据广东省气象局消息,6月16日晚19时25分左右,广州市从化区太平镇出现龙卷风,距离龙卷风最近的(约700米)太平二中气象站,录得6级阵风(12.6米/秒)。经现场目击者反馈,此次龙卷风的生命史为3分钟左右。目前,受灾现场部分区域出现停电,临时棚架倒塌,绿化树损毁堵塞交通等情况。
从6月13日起,黑龙江、河南等地频繁出现龙卷风。那么,当前龙卷风已更为频繁出没吗?
据不完全统计,2020年,全国记录到9次中等强度以上龙卷风;2021年,记录到16次。作为对比,我国年平均出现中等强度以上龙卷风14次左右。近年来龙卷风的发生次数和强度,都与历史平均值相近。
如果将范围限定到产生严重灾害影响的强龙卷风,发生次数则更为稀少。同样是据不完全统计,1961年到2010年,我国共记录到强龙卷风165次,年均3.3次。与美国动辄每年上千次龙卷侵袭相比,无疑是“小巫见大巫”。
既然龙卷风的发生次数与强度并没有明显增加或增强的趋势,那么为什么它在公众心中的分量却与日俱增呢?
其实,很大程度上并不是因为龙卷更频繁了,而是由于人们更容易“看到”它了。无论是气象部门观测手段的进步,还是社交媒体的发达,以及经济社会发展使得龙卷风的破坏力更加明显,客观上都增加了龙卷风的“曝光度”。
这个问题的答案,同样也是气象部门要集中力量开展龙卷风监测预报预警能力建设的契机之一。因为“捕获”龙卷风本身,正是开展龙卷风科研攻关,发展预报预警服务的重要前提。
事实上,关于龙卷的研究数据并不存在“完全统计”,因为其来去太过匆匆,个头又太小,要想巨细靡遗地将每一个发生的龙卷风都一一登记在案,实在是一项不可能完成的任务。
“捕获”龙卷风的困难,同时也提升了研究乃至预报龙卷风的难度。极端缺乏龙卷风案例,使得气象工作者不由生出“巧妇难为无米之炊”的感慨。
今天,“捕获龙卷风”这件事情出现了转机。
一方面,气象部门的观测、识别手段正在不断进步。另一方面,由于公众高度关注,通过手机等设备记录的龙卷风视频、照片等资料越来越多,这有利于气象部门更充分地获取实况信息,进而锁定更多的龙卷风天气。
这些关于龙卷风的线索和信息,经过气象部门专业的灾情调查,可以还原成真实可靠的龙卷风个例记录。而这些个例积少成多,可以形成龙卷风历史个例库,成为开展龙卷风科研攻关乃至预报预警的基础——无论是依照传统方法尽可能地将数值模式做精做细,还是辅以人工智能,一个权威、可靠、规模庞大的个例库都是不可或缺的数据“地基”。
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。
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。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。
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。
2000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。2021年,龙卷风强度等级国家标准发布实施,《龙卷风监测预报预警能力建设专项工作方案(2021-2025年)》发布……
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”,可能更具有可行性。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。龙卷风探测专项科学试验已在龙卷风多发地苏北、皖北开展。
在建设雷达硬件的同时,提升雷达应用水平也十分急迫。今年,中国气象局气象探测中心(雷达气象中心)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。譬如,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。
现场灾害调查则是必要手段,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。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。
来源 | 中国气象局气象宣传与科普中心(中国气象报社)
作者 | 刘钊 赵晓妮 卢健(谷星月对本文有贡献)
编辑 | 中国气象局气象宣传与科普中心(中国气象报社)全媒体记者 亭喃 刘钊