為什么龍卷風(fēng)難以預(yù)報(bào)

Vamei

現(xiàn)實(shí)世界尚且如此復(fù)雜，電腦模型就更容易犯錯(cuò)了。預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)時(shí)，模型可能會(huì)因?yàn)樾?shù)點(diǎn)十位以后的一個(gè)細(xì)微差別，導(dǎo)致完全不同的結(jié)果

江蘇省鹽城市阜寧縣6月23日遭遇史上罕見(jiàn)威力龍卷風(fēng)冰雹特大災(zāi)害，截至6月26日，共造成99人死亡，846人受傷，傷亡人數(shù)是近10年來(lái)全球之最，

相較于有龍卷風(fēng)之鄉(xiāng)稱(chēng)呼的美國(guó)，中國(guó)的確屬于龍卷風(fēng)比較少見(jiàn)的國(guó)家，但是并非沒(méi)有。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)東部地區(qū)每年發(fā)生龍卷風(fēng)大約有200-300個(gè)，其中災(zāi)害性龍卷風(fēng)大概有10-15個(gè)。我國(guó)有兩個(gè)龍卷風(fēng)高發(fā)帶，一個(gè)是長(zhǎng)江三角洲-蘇北平原-黃淮海平原；另一個(gè)是廣西-廣東-海南。

龍卷風(fēng)造成的傷害如此之大，卻至今難以有效預(yù)測(cè)。

用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)

在以前沒(méi)有計(jì)算機(jī)的時(shí)代，天氣預(yù)報(bào)員就能通過(guò)匯總上來(lái)的風(fēng)力、氣壓、溫度、降水等觀測(cè)，在地圖上畫(huà)出天氣系統(tǒng)，預(yù)報(bào)出幾天后的寒潮或降水。其中最重要的是識(shí)別出一些明顯的天氣系統(tǒng)，如鋒面等，然后根據(jù)氣流情況來(lái)判斷出走勢(shì)，看它們未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。但這些氣象數(shù)據(jù)是通過(guò)相距幾十上百千米的氣象站收集上來(lái)的，所以只能反映一些尺度大的氣象系統(tǒng)，比如綿延上千千米的峰面。與鋒面相比，龍卷風(fēng)平均只有幾百米寬，最大也只有三四千米。想要借助相距幾十千米的氣象網(wǎng)絡(luò)來(lái)了解龍卷風(fēng)，就好像用捕大魚(yú)的網(wǎng)來(lái)?yè)菩〗痿~(yú)，完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

那龍卷風(fēng)是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？用雷達(dá)。地面站點(diǎn)只是觀測(cè)固定的一個(gè)點(diǎn)，但雷達(dá)可以覆蓋周?chē)鷶?shù)百千米的距離。一旦龍卷風(fēng)進(jìn)入覆蓋區(qū)域，那么它的一些特征會(huì)影響雷達(dá)的信號(hào)，就可以發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)了。最常見(jiàn)的雷達(dá)是降水雷達(dá)。它的信號(hào)遇到空氣中的水滴衰弱，從而能在雷達(dá)屏幕上顯示出周?chē)慕邓闆r。由于帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn)，龍卷風(fēng)會(huì)在降水雷達(dá)上顯示出一個(gè)“鉤形”。但許多強(qiáng)龍卷風(fēng)并不會(huì)在雷達(dá)屏幕上顯示出這一特征。為了檢測(cè)這些龍卷風(fēng)，需要用多普勒雷達(dá)。這種雷達(dá)可以測(cè)量靠近或遠(yuǎn)離雷達(dá)站的風(fēng)速。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)是環(huán)形的，能在很短的距離內(nèi)從靠近變成遠(yuǎn)離。因此，多普勒雷達(dá)上貼在一起的兩個(gè)紅綠色塊兒（分別代表遠(yuǎn)離和靠近），就很有可能是龍卷風(fēng)。

美國(guó)也只能提前十分鐘預(yù)測(cè)

然而，相對(duì)于檢測(cè)龍卷風(fēng)所需要的網(wǎng)絡(luò)密度，多普勒雷達(dá)站還很稀少。我們前面說(shuō)了，雷達(dá)站覆蓋面積是數(shù)百千米，而城市與城市的間隔也大概是這個(gè)距離。聽(tīng)起來(lái)，在每個(gè)城市建一個(gè)雷達(dá)站并不是特別難的事情。但我們要考慮到，地球是一個(gè)彎曲的球體，雷達(dá)看不到遠(yuǎn)處的低空。這就好像船只遠(yuǎn)航時(shí)，船身先消失在地平線，我們只能看到聳立得比較高的船帆。同樣的道理，雷達(dá)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)處的天空時(shí)，也只能看到中高層的天空?？墒驱埦盹L(fēng)最強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的部分是在從地面到3千米高度的低空，高空特征并不明顯。因此，對(duì)于龍卷風(fēng)這一低空現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，雷達(dá)的有效監(jiān)控范圍只有幾十千米。僅僅是為了看到龍卷風(fēng)，我們就需要更大密度地建立雷達(dá)站。

美國(guó)在中部平原上建了一個(gè)密集的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。畢竟這個(gè)地區(qū)的龍卷風(fēng)太過(guò)頻繁，每年有超過(guò)1000次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)每年幾十次的頻率。氣象員一旦在雷達(dá)上看到龍卷風(fēng)，能根據(jù)基本的氣象狀況和地形，相對(duì)準(zhǔn)確地對(duì)龍卷風(fēng)的走向作出預(yù)判。警報(bào)會(huì)通過(guò)電視、無(wú)線電、網(wǎng)絡(luò)向公眾傳播。警報(bào)只能比龍卷風(fēng)早到十分鐘左右的時(shí)間，但民眾可以利用這短暫的時(shí)機(jī)前往地下室或避難所躲避龍卷風(fēng)。然而，美國(guó)的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)也沒(méi)能覆蓋整個(gè)區(qū)域，所以每年依然有不少“野生”龍卷風(fēng)沒(méi)有被記錄。

但對(duì)于戶(hù)外的交通工具來(lái)說(shuō)，短暫的警報(bào)時(shí)間可能起不了什么作用。戶(hù)外的汽車(chē)很難在短時(shí)間內(nèi)找到一個(gè)合格的避難所。曾經(jīng)有這樣的案例，車(chē)主把車(chē)停在水泥橋洞下，自以為安全。但橋洞實(shí)際上充當(dāng)了一個(gè)風(fēng)洞。龍卷風(fēng)原本超過(guò)每小時(shí)100千米的風(fēng)速在這個(gè)風(fēng)洞中進(jìn)一步加速，把汽車(chē)甩出去更遠(yuǎn)。

龍卷風(fēng)的尺寸太小了

除了對(duì)大型的天氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判，我們現(xiàn)在也可以用電腦程序來(lái)計(jì)算未來(lái)的天氣。這樣的程序被稱(chēng)為天氣模型。天氣模型的原理很簡(jiǎn)單，就是利用已知的物理規(guī)律，在電腦中模擬氣象狀況。這些程序至少需要知道當(dāng)前天氣狀況，特別是基本的物理量：風(fēng)速、氣壓、溫度和濕度。我們已經(jīng)知道，對(duì)于龍卷風(fēng)這樣的“小魚(yú)”來(lái)說(shuō)，這些輸入量是很難觀測(cè)的。

此外還有計(jì)算成本的問(wèn)題。模型實(shí)際上把世界分割成許多小格點(diǎn)。格點(diǎn)必須足夠小，模型才有能力代表真實(shí)世界。這就好像許多電腦圖片，你不斷放大，總能看到許多小點(diǎn)和鋸齒，它們同樣是數(shù)字格點(diǎn)化的產(chǎn)物。電腦需要計(jì)算和儲(chǔ)存格點(diǎn)上的信息。格點(diǎn)越小，計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)越重。但如果格點(diǎn)過(guò)大，那么模型就像是那些“粗糙”的圖片，完全無(wú)法代表真實(shí)世界。對(duì)于龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)，它的尺寸很小，就好像是照片拍到的一個(gè)遠(yuǎn)方小身影。為了看清這個(gè)人的臉，我們必須要很高的分辨率，也就是非常密集的格點(diǎn)。為了能模擬幾百米寬的龍卷風(fēng)，模型格點(diǎn)距離可能要在百米甚至更小的量級(jí)。即使最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也負(fù)擔(dān)不起這樣精度的全球模型。

即使我們能遍地撒網(wǎng)地建立觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，電腦的運(yùn)算能力不是問(wèn)題，龍卷風(fēng)的警報(bào)時(shí)間也很難達(dá)到一個(gè)小時(shí)以上。天氣是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，有所謂的“蝴蝶效應(yīng)”。就拿龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)，它經(jīng)常與中尺度的雷暴伴生。美國(guó)氣象局看到大面積雷暴時(shí)，就會(huì)發(fā)出“龍卷風(fēng)預(yù)警” （Tornado Watch）。但兩次看起來(lái)幾乎一模一樣的雷暴，一個(gè)造成龍卷風(fēng)，另一個(gè)就可能沒(méi)有龍卷風(fēng)的蹤影。因此收到預(yù)警的地區(qū)，真正發(fā)生龍卷風(fēng)的概率不到千分之一?，F(xiàn)實(shí)世界尚且如此復(fù)雜，電腦模型就更容易犯錯(cuò)了。預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)時(shí)，模型可能會(huì)因?yàn)樾?shù)點(diǎn)十位以后的一個(gè)細(xì)微差別，導(dǎo)致完全不同的結(jié)果。

其實(shí)對(duì)于天氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，地球自轉(zhuǎn)是最重要的線性項(xiàng)，能限制誤差的增長(zhǎng)。但地球自轉(zhuǎn)對(duì)天氣的影響與天氣系統(tǒng)的尺度相關(guān)。那些成功的天氣預(yù)報(bào)，都局限于特定的大尺度天氣系統(tǒng)，比如延伸數(shù)千千米的鋒面，或者持續(xù)數(shù)星期的中緯度風(fēng)暴。在這些相對(duì)持久天氣系統(tǒng)中，地球的自轉(zhuǎn)能發(fā)揮作用，把這些天氣現(xiàn)象組織成有規(guī)律的天氣系統(tǒng)。但龍卷風(fēng)尺度小，發(fā)生時(shí)間短，其“蝴蝶效應(yīng)”也越發(fā)明顯，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)難以實(shí)現(xiàn)。

其實(shí)在討論龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)問(wèn)題時(shí)，已經(jīng)觸到了現(xiàn)代科學(xué)的極限。復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)報(bào)，無(wú)論是龍卷風(fēng)、地震、金融，都將是短時(shí)期內(nèi)難以解決的問(wèn)題。