我國龍卷預警試驗的前沿陣地
——訪佛山市龍卷風研究中心炎利軍主任

■ 張萌

張萌：請用通俗易懂的語言簡單描述一下龍卷所代表的小尺度強對流天氣，并針對2018年總體情況，給出龍卷和小尺度災害“年景”的準確解讀。

炎利軍：龍卷等小尺度強對流天氣的監(jiān)測預警是世界性難題。這也是由它們自身的特點決定的。以小尺度災害天氣的典型代表——龍卷為例，至少具有5個特點：個頭小、壽命短、脾氣大、出生環(huán)境復雜，還喜歡玩快閃。所謂“個頭小”，是指它的尺度小，它影響的范圍一般在100 m以下，強龍卷可達幾百米到1 km；“壽命短”，是指它的持續(xù)時間短，它的持續(xù)時間一般是幾分鐘到十幾分鐘，短的只有幾秒到幾十秒，當然也有極少數(shù)持續(xù)時間可達到幾十分鐘，最長一般不超過1 h；“脾氣大”，是指它的破壞力極大，它雖然影響范圍小，持續(xù)時間短，但一旦發(fā)生，往往會造成嚴重的災害，龍卷有極強的破壞力，強龍卷常常在短時間內(nèi)造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，其危害很大的原因主要在于以下幾個方面：風速極大，其中心最大風速可達100～200 m/s，旋轉(zhuǎn)性強、風向變化大，強龍卷能將大量物體卷起拋出；“出生環(huán)境復雜”，是指龍卷可以發(fā)生在臺風的環(huán)境中，也可以發(fā)生在暴雨的環(huán)境中，有時候還伴有冰雹、雷暴等極端天氣；所謂龍卷的“快閃”，主要是指龍卷的突發(fā)性強、移動速度快，龍卷移動速度一般為40～50 km/h，最快可達100 km/h。也正是龍卷自身這些獨特特點，使得我們對龍卷的“習性”還了解得很不夠，對龍卷形成的機理也還不清楚。所以，目前對龍卷的監(jiān)測和預警仍極為困難。

圖1 本刊編輯采訪炎利軍主任（攝影：李兆明）

2018年，在上級單位和廣東省內(nèi)外兄弟氣象部門的幫助和支持下，佛山市龍卷風研究中心（以下簡稱“龍卷中心”）參與了國內(nèi)16次疑似龍卷天氣過程的災情調(diào)查，經(jīng)現(xiàn)場勘察、航拍、采訪目擊者等，最后確定，2018年可以確認的龍卷有22個，天氣過程有10次。需要說明的是，實際龍卷發(fā)生次數(shù)應大于該數(shù)，因為龍卷中心是根據(jù)新聞媒體報道或內(nèi)部資訊得知龍卷發(fā)生后到現(xiàn)場進行災情調(diào)研，因此并不全面。2018年國內(nèi)至少有19個EF1級或以上強度的龍卷發(fā)生，跟氣象干部培訓學院范雯杰和俞小鼎老師所統(tǒng)計的，2004—2013年中國EF1級或以上強度龍卷的平均情況相比，是略偏多的，其中臺風外圍龍卷偏多起到一定作用，2018年應該是龍卷等小尺度災害偏多年景。

張萌：近5～10年中國龍卷發(fā)生頻率是否有增加趨勢？有人說龍卷和颮線等災害天氣多發(fā)趨勢與人口覆蓋更廣泛和氣象探測網(wǎng)覆蓋更加密集有關，是否有一定道理？

炎利軍：近幾年中國由于出現(xiàn)了幾次持續(xù)時間長、強度大的龍卷，包括2015年臺風彩虹外圍佛山EF3級龍卷、2016年江蘇鹽城阜寧EF4級龍卷、2017年內(nèi)蒙古赤峰EF4級龍卷，從而提高了人們對龍卷的關注度，也引發(fā)了中國龍卷發(fā)生頻率是否增加的思考。相對統(tǒng)計數(shù)據(jù)而言，近5年來我國EF3級及以上強度的龍卷有多發(fā)趨勢。

一方面，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展、人口增長以及城市建設加快，氣象災害對人們生命財產(chǎn)的影響越來越大，使得人們對龍卷等災害性天氣的關注度提高；另一方面，智能手機、互聯(lián)網(wǎng)等通信技術的發(fā)展，越來越多災害性天氣更容易被人們發(fā)現(xiàn)并呈現(xiàn)于大眾媒體上，得到更廣泛的報道和宣傳，讓更多的人關注和了解；同時隨著氣象現(xiàn)代化建設的推進，天氣雷達、自動氣象站等氣象探測網(wǎng)的加密也使得觀測網(wǎng)越來越精細，龍卷的蹤影和蛛絲馬跡也可能會被捕捉到。因此，龍卷和颮線等災害性天氣多發(fā)趨勢或與人口分布更廣泛和氣象探測網(wǎng)覆蓋更加密集有關。

張萌：如果增加，您認為是由于儀器精細化發(fā)展能夠捕捉到的龍卷變多了，還是因為氣候變化等原因確實使龍卷數(shù)量增加了？

炎利軍：可以比較肯定的是，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，智能手機和社會視頻進一步普及，以及探測儀器的技術革新，讓我們有機會發(fā)現(xiàn)更多的龍卷。以前大家不大了解龍卷的時候，可能會把龍卷災害歸到普通雷雨大風造成，或者強度較弱的龍卷由于無人發(fā)現(xiàn)或沒有造成很大災害，而沒有被報道或記錄。對于氣候變化如何影響我國龍卷的活動，我們還需要收集更長時間序列的龍卷發(fā)生情況，做進一步的分析。

張萌：中國的龍卷相比其他龍卷多發(fā)國家，例如美國，具有什么特色？

炎利軍：美國是世界上龍卷發(fā)生頻率最高的國家（年平均超過1000個），因此對龍卷的研究開始早且較為深入。中國年平均龍卷發(fā)生頻率不到美國的十分之一，對龍卷的研究處于初級階段。

中國龍卷相比美國龍卷，發(fā)生頻率低，發(fā)生時間相對集中，大都發(fā)生在春夏兩季；發(fā)生地域性強，主要集中在長江三角洲經(jīng)蘇北平原至黃淮平原、廣東和廣西、東北等地勢平坦地區(qū)；強龍卷具有在某地頻發(fā)的特點，比如蘇北地區(qū)等。美國龍卷發(fā)生頻率高，全年可能發(fā)生龍卷，主要集中在春夏秋季；有兩個龍卷高發(fā)區(qū)，一個是佛羅里達州，另一個是美國中南部的“龍卷走廊”，強龍卷主要集中在“龍卷走廊”。

張萌：近年來我國很多地方出現(xiàn)龍卷，在不同地區(qū)，龍卷生成的機理有何差異？

炎利軍：龍卷的形成機理大致是：大氣不穩(wěn)定產(chǎn)生強烈的上升氣流，上升氣流在對流層的中部開始旋轉(zhuǎn)，形成中尺度氣旋。中尺度氣旋向地面發(fā)展和向上伸展，變細增強，在氣旋內(nèi)部形成龍卷核心。當發(fā)展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風速急劇上升，形成龍卷。

在我國，龍卷在不同的地區(qū)有不同的影響系統(tǒng)，東北地區(qū)主要為東北冷渦，江淮流域主要是副高西側(cè)的西風帶中的對流系統(tǒng)，而華南則主要為臺風以及華南前汛期冷暖空氣對峙引發(fā)的鋒面和颮線系統(tǒng)引起的。另外，華南地區(qū)強龍卷超過一半發(fā)生在臺風外圍環(huán)流中，屬于淺對流龍卷，或者微型超級單體龍卷，華南前汛期冷暖空氣交匯形成的對流系統(tǒng)中出現(xiàn)的龍卷多為弱龍卷。

張萌：伴隨臺風生成的龍卷呈什么趨勢？帶來龍卷的臺風是否變多？是否有一個臺風帶來多個龍卷的情況？如果說未來影響我國的臺風可能增多，那么是否預示著相關龍卷活動也更多？

炎利軍：早在20世紀50年代，美國學者開始對颶風外圍龍卷有所研究，研究表明：1948—1986年登陸美國的大約59%颶風產(chǎn)生龍卷；1961—1982年登陸日本的臺風中，大約有40%產(chǎn)生龍卷。國內(nèi)由于龍卷研究剛處于起步階段，龍卷個例較少，目前大部分臺風龍卷的研究主要為個例分析，尚無臺風龍卷發(fā)生概率方面的統(tǒng)計。陳聯(lián)壽等指出,臺風龍卷大多出現(xiàn)在相對臺風移動方向的右前側(cè), 距離臺風中心300～400 km發(fā)生概率高。

有一個臺風引起多個龍卷的情況。據(jù)記錄，美國1967年颶風Beulah的外圍雨帶上產(chǎn)生了超過100個龍卷；2004年9月15—17日颶風Ivan的外圍雨帶上產(chǎn)生了118個龍卷，其中多數(shù)發(fā)生在颶風中心的東北部。在我國，2018年也有多次臺風外圍引發(fā)多個龍卷出現(xiàn)的情況。如：2018年6月8日，在1804號臺風艾云尼進入廣東境內(nèi)逐漸減弱過程中，其外圍廣州南沙區(qū)、佛山南海區(qū)先后出現(xiàn)龍卷天氣；2018年8月14日，1814號臺風摩羯登陸深入內(nèi)陸后，受其外圍螺旋雨帶影響，山東棗莊、東營、濱州、濰坊等地先后出現(xiàn)了多個龍卷；2018年9月17日上午，1822號臺風山竹進入廣西境內(nèi)逐漸減弱，受其外圍螺旋云系影響廣東佛山三水區(qū)、肇慶鼎湖區(qū)先后出現(xiàn)龍卷天氣。

如果未來影響我國的臺風可能增多，那么預示著臺風外圍龍卷活動的可能性會增大。

張萌：請您談談龍卷研究和業(yè)務之間的關系。

炎利軍：根據(jù)國家氣象中心鄭永光、張小玲等專家的研究論文和反饋信息，目前只有美國、加拿大等少數(shù)國家有開展龍卷預警業(yè)務，我國還沒有正式開展龍卷預警業(yè)務。龍卷研究是一種基礎性工作。特別是，2016年6月23日江蘇鹽城龍卷造成了嚴重災害之后，2016年10月起中國氣象局預報司啟動為期3年的龍卷預警試驗，2017年初，減災司選取佛山、鹽城開展龍卷群策群防和聯(lián)動試驗。目的是探索龍卷預報預警業(yè)務建設所需要的基礎支撐條件、業(yè)務技術體系和預警服務體系，為在我國大范圍地區(qū)建立龍卷監(jiān)測預報預警業(yè)務提供經(jīng)驗，逐步提升致災性強對流天氣的監(jiān)測預報預警、防災能力。廣東省氣象局是試點省份之一，佛山市是廣東省的試點市，過去兩年我們不斷加強研究、凝煉指標，2018年開始龍卷預警試驗。

但是目前我國龍卷研究還處于起步階段，龍卷監(jiān)測能力與美國等已開展龍卷業(yè)務的國家相比仍存在較大差距，龍卷研究亟待加強，可考慮先在龍卷高發(fā)地進行龍卷試驗。在龍卷試驗期間，至少需要加強以下幾方面工作：1）龍卷歷史資料不全面，需要通過普查收集更完整的歷史龍卷資料，建立完整規(guī)范、質(zhì)量可靠、長時間序列的龍卷數(shù)據(jù)庫，進行我國龍卷天氣個例和氣候特征的研究；2）加強雷達、自動氣象站等觀測資料對龍卷的分析與應用，目前我國建成了多部雙偏振雷達，相控陣雷達也處于規(guī)劃中，發(fā)展好雙偏振雷達和相控陣雷達技術，加強利用天氣雷達和自動氣象站等設備監(jiān)測龍卷的科學研究和技術累積；3）加強業(yè)務人員對龍卷形成機理、龍卷識別、風災災害調(diào)查等方面技術的培訓，提高龍卷監(jiān)測能力；4）開展龍卷數(shù)值模擬研究。

張萌：2018年龍卷中心成功進行了龍卷預報，請您介紹當時決定發(fā)布預警的最主要的判斷依據(jù)。未來類似準確的龍卷預報是否可以期待？

炎利軍：2018年6月8日是基于大尺度環(huán)境條件利于佛山龍卷發(fā)生，如臺風的強度、移動路徑和歷史統(tǒng)計的易發(fā)臺風龍卷的路徑相似，臺風登陸后強的西南風和東南風急流在珠江口匯合，珠三角是低的抬升凝結(jié)高度，強的0～1 km垂直風切變等條件利于龍卷的發(fā)生，在短時臨近上監(jiān)測到有多個中氣旋加強發(fā)展，移動路徑可能經(jīng)過佛山市地勢相對平坦的區(qū)域，這些區(qū)域也是佛山歷史上龍卷多發(fā)區(qū)，因此進行了龍卷預警。

過去5年，龍卷中心重點加強了龍卷大尺度環(huán)境條件、災情調(diào)查分析和雷達識別等方面的研究，特別是對臺風外圍龍卷進行了深入分析，總結(jié)出龍卷易發(fā)的大尺度環(huán)流形勢和從雷達圖快速判斷龍卷的技術指標。開發(fā)了《佛山市龍卷風及雷雨大風等災害預警靶向發(fā)布系統(tǒng)》，通過該發(fā)布系統(tǒng)可以監(jiān)測到臺風外圍龍卷發(fā)生的大尺度環(huán)境條件，物理量參數(shù)等是否利于龍卷的發(fā)生。臺風外圍龍卷的發(fā)生雖有一定規(guī)律性，但目前的儀器監(jiān)測仍存在很大的難度，特別是弱龍卷可能會出現(xiàn)很多的漏報和空報，可以繼續(xù)開展龍卷預警試驗。

張萌：對于未來氣象部門實現(xiàn)龍卷預報業(yè)務化的必要性和可行性方面，您有什么看法或建議？

炎利軍：龍卷監(jiān)測預警是世界性難題，盡管目前我國開展龍卷預警預報業(yè)務還存在很大的困難，但是出于防災減災的需要，還需大力推進包括龍卷等極端強對流天氣的短時臨近監(jiān)測預警業(yè)務建設。對于龍卷而言，至少還需要在三個方面做出努力：一是觀測技術的變革，如使用相控陣雷達技術，提升雷達的時空監(jiān)測分辨率、流場的快速探測能力，更好更快地反演三維風場動態(tài)演變特征等；二是分析技術的變革，如使用高分辨率集合數(shù)值預報模式實時預報中小尺度天氣系統(tǒng)的活動、人工智能預測龍卷技術等；三是借助第三方的力量，這包括公共視頻的龍卷圖像自動識別和公眾快速報告制度的建立。我國在公眾報告制度方面以往重視不夠，美國龍卷預警提前14.6 min，就包括了龍卷追蹤志愿者及時報告所貢獻的部分時效，而不僅僅是雷達監(jiān)測預警貢獻的預警提前量。

張萌：過去幾年我國也發(fā)生過嚴重的龍卷災害，那么我國開展龍卷預警業(yè)務的難處在哪里？

炎利軍：我國龍卷天氣預報預警相較美國更具有挑戰(zhàn)性。首先是數(shù)量上不及美國的十分之一，發(fā)生概率很低，研究樣本很少。其次是我國很多致災龍卷多發(fā)生在暴雨、雷雨大風或者臺風等環(huán)境中，這種強降水、雷暴、冰雹、龍卷等多種類型天氣現(xiàn)象共生的情況下，使得我國龍卷預報預警更加困難。即使對于臺風龍卷，雖然發(fā)生發(fā)展需要特定的環(huán)境條件，但是具備這些條件的區(qū)域并非都有龍卷發(fā)生，而且龍卷尺度小、突發(fā)性強、持續(xù)時間短、發(fā)生概率低，因此業(yè)務上對于龍卷的具體發(fā)生時間和落區(qū)進行預報預警存在極大的困難。

2018年佛山市對兩次臺風龍卷過程進行預警試驗，雖然取得比較好的效果，但在實際預警發(fā)布過程中仍存在一些問題。比如：并不是具備產(chǎn)生龍卷條件的區(qū)域都會出現(xiàn)龍卷、龍卷空報率較高等，這也說明龍卷預警技術還不成熟、還不具備業(yè)務化的能力，這主要是因為孕育龍卷的母體風暴所處環(huán)境極為復雜，對龍卷的發(fā)生發(fā)展機理還缺乏深入研究，加上龍卷本身尺度小、突發(fā)性強、持續(xù)時間短、發(fā)生概率極低等特點，使得業(yè)務上對龍卷發(fā)生時間和地點等的臨近監(jiān)測識別和預報預警還存在諸多問題和困難。

張萌：本刊在2018年第2期和第3期，在包括龍卷中心等機構(gòu)的支持下出版了兩期針對龍卷和局地強對流的專輯，也請您評價和提出意見和建議。

炎利軍：話題很好，實用性很強，而且如前面所言，2018年龍卷是比較高發(fā)的了，專輯很貼近業(yè)務需求和現(xiàn)實情況。兩期針對龍卷的專輯主題包括“龍卷預報與研究”“強對流天氣研究與業(yè)務”，內(nèi)容包括了龍卷的統(tǒng)計特征、動力分析、數(shù)值模擬、預報預警，以及強對流天氣預報預警業(yè)務等，內(nèi)容豐富全面，為基層開展龍卷研究等方面提供了很好的專版內(nèi)容。

建議可增加國外龍卷業(yè)務開展情況介紹，比如國外龍卷預警業(yè)務系統(tǒng)以及國外龍卷形成機理研究成果、龍卷識別技巧、龍卷預報預警如何開展等內(nèi)容的介紹。

鏈接：專家點評

國家氣象中心強天氣預報中心首席鄭永光

龍卷是地球大氣中最強烈的對流風暴。美國是發(fā)生龍卷最多的國家，中國年龍卷發(fā)生數(shù)目不到美國的十分之一。龍卷通常分為兩類，一類為中氣旋龍卷，另一類為非中氣旋龍卷。非中氣旋龍卷的監(jiān)測和預警十分困難；依靠新一代多普勒天氣雷達有可能對中氣旋龍卷進行有效預警，比如2016年6月23日江蘇阜寧EF4級龍卷和2018年佛山的兩次龍卷。EF2級及以上中氣旋龍卷的發(fā)展環(huán)境條件包括一定的對流有效位能、強的0～6 km垂直風切變、低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層垂直風切變。從天氣形勢來看，我國龍卷易于發(fā)生在暴雨或者臺風這樣的天氣背景下，比如2015年10月4日廣東彩虹臺風龍卷、2016年6月23日江蘇鹽城龍卷（暴雨背景）、2018年的摩羯臺風龍卷等個例，這增加了我國龍卷監(jiān)測識別和預報的難度。

災后現(xiàn)場天氣調(diào)查工作依然是確認龍卷的最重要手段之一，但目前尚未有經(jīng)過災調(diào)確認的中國龍卷年度報告發(fā)布，因此《2018年中國龍卷活動特征》一文能夠為進一步深入認識中國的龍卷提供較好的研究和業(yè)務基礎資料。2018年是中國的龍卷多發(fā)年，雖然其總體災害不強，但從該年的這些龍卷個例中可看到，龍卷的監(jiān)測識別和預報預警都有非常大的難度，因此未來需要在部分重點區(qū)域布設具有高空間分辨率的雙偏振雷達和其他設備來提高對龍卷的綜合探測能力，以加深對龍卷尤其是強致災龍卷的認識，并發(fā)展監(jiān)測識別算法和精細數(shù)值模式來提高對強龍卷的預報預警能力。