互动科普

随着极端天气事件越来越频繁，为了挽救人民的生命财产安全，必须将龙卷风和飓风的预警时间大幅提前，新的雷达和卫星技术也许能做到这一点。

撰文 简·卢布琴科（Jane Lubchenco） 杰克·海斯（Jack Hayes） 翻译 冉隆华

2011年5月22日晚上，大概在龙卷风来袭之前的20多分钟，当地政府的预测人员已经发出了警告。实际上，在这之前几个小时，预警就已经发出；甚至在几天前，天气预报就已经提示，最近会出现恶劣天气。警告信息的发布已经早于往常，但显然还是不够早。虽然负责处理紧急情况的部门高度警戒，但许多当地居民却不以为然。

乔普林市的遭遇仅仅是2011年春天，由龙卷风导致的众多悲剧之一。此前一个月，破纪录的一系列龙卷风摧毁了美国南方部分地区，300多人丧身。2011年4月是有史以来美国龙卷风最多的一个月，大约发生了750次龙卷风。

2011年，龙卷风导致551人死亡，是美国历史上死亡人数第4多的龙卷风年。这个龙卷风年损失惨重：美国共发生了14次极端天气和气候事件，包括乔普林龙卷风、洪水和暴风雪，每次损失都超过10亿美元。2012年初，极端天气事件强度依然不减——3月2日，在美国中西部和南部11个州，龙卷风夺去了40多人的生命。

过去几十年，极端天气预测工具已经得到改进，但美国国家海洋与大气管理局的研究人员和工程师还在致力于革新雷达、人造卫星和超级计算机，进一步提前龙卷风的预警时间，跟踪飓风，预测洪水以及其他极端天气。如果研究成功，今后10年内，居民将提前一个小时得到破坏性龙卷风将要发生的警告；这样，他们就有充足的时间去关注新闻，集合家人，进行避难。

雷达的威力

在大多数天气预报中，雷达都起着重要作用，而现在，气象学家道格·福赛斯（Doug Forsyth）正在领头改良雷达。福赛斯是美国国家海洋与大气管理局强风暴国家实验室雷达研发部的负责人，他现在最关心的，就是把龙卷风的预警时间提前，因为狂暴的龙卷风形成速度快，而雷达是预报人员判断新生龙卷风的主要工具。

雷达的工作原理是：雷达发送无线电波，电波遇到大气粒子（如雨滴、冰，甚至昆虫和灰尘）反射回雷达。预报人员测定返回雷达的电波强度和电波往还时间，可以知晓风暴的位置和强度。全美天气服务中心目前使用的多普勒雷达还能测量返回电波的频率变化，从而提供风暴变动方向和速度的信息。根据这些关键信息，预报人员在龙卷风形成之前，就能看到雷暴内部的旋转情况。

1973年，美国国家海洋与大气管理局的气象学家罗杰·布朗（Rodger Brown）、莱斯·莱蒙（Les Lemon）和唐·伯吉斯（Don Burgess）在分析袭击俄克拉何马州尤宁城的龙卷风的有关数据时，他们发现根据电波频率的变化，可以对龙卷风的情况作出预测。他们注意到，在雷达数据中，非常巨大的内旋速度（inbound velocities）之后，紧接着就是非常巨大的外旋速度（outbound velocities）。那些数据表现得如此不同寻常，研究人员最初不知道它们意味着什么。然而，把那些数据和龙卷风的位置进行比对之后，他们将该数据命名为“龙卷涡旋特征”（Tornadic Vortex Signature，TVS）。现在，龙卷涡旋特征是最重要和最广泛认可的衡量标准，这种特征可以表明，一场龙卷风正在逼近，或龙卷风将很快袭来。这些数据使龙卷风预警时间提前了很多，从1987年的平均3.5分钟提早到今天的14分钟。

虽然多普勒天气雷达一直在改进，但它并不完美。采用多普勒雷达，福赛斯等气象学家没办法看到特定粒子的形状，就不能区分暴风雨和沙尘暴。巧合的是，就是因为视力检测不合格，改变了福赛斯的人生轨迹，让他没能当上飞行员，转而从事气象事业。从此，福赛思一直专注于雷达革新，让预报人员能够更准确地把握天气变化。

一项关键的革新叫做双极化（dual polarization），这项技术可以同时监测两个呈90度方向上的信号（例如水平及垂直方向），使预测人员更有把握区分风暴的类型和大小。虽然有时雨滴和冰雹颗粒的水平宽度可能相同——因而在多普勒天气雷达中显示的图像也相同，但雨滴更平滑。了解空气中颗粒物的形状差异，可以减少推测工作，让预报人员更直观地分析雷达扫描图。这样就有助于作出更准确的天气预报，让居民知道他们要应对的是冰雹而不是雨水。

颗粒物大小和形状的信息也有助于区分由龙卷风和强雷暴卷入空中的碎片，这样气象学家就可以知道，正在逼近的风暴有多大的破坏力。在示踪器处理肉眼不可见龙卷风的时候，颗粒物数据尤其重要。如果龙卷风被大雨掩盖或者发生在夜间，双极化雷达仍然可以探测到空气中的碎片。

双极化技术还有助于监测飓风和暴风雪的强度，美国气象服务中心正在把该项技术应用于全美各地的160个多普勒雷达上，这项工作预计2013年中期完成。与此同时，美国国家海洋与大气管理局人员正在培训预报人员，让他们学会解读这种新的雷达扫描图。2011年，艾琳飓风登陆北卡罗来纳州的时候，该州纽波特/莫尔黑德城的天气预报办公室首先使用了双极化雷达扫描热带气旋。结果证明，在检测降水率和预测洪水上，双极化雷达的准确率高于更北区域的常规多普勒雷达。预测能力的提升确实挽救了很多南北卡罗来纳人的生命。在离海岸更远的地区，虽然也发出了预警，但没有采用双极化技术，艾琳飓风的危害更严重，夺去了近30人的生命。

美国国家海洋与大气管理局的气象学家帕姆·海因斯尔曼（Pam Heinselman）认为，美国海军用于探测、跟踪敌方船只和导弹的一项先进雷达技术，在改进天气预报上也有巨大潜力。海因斯尔曼领导着一个由美国国家天气雷达测试平台的电气工程师、预报人员和社会科学家组成的小组，专注于研究相控阵雷达技术（phased-array radar）。

目前的多普勒雷达配置了一个机械转动的抛物碟面，一次只能扫描一个仰角。碟面完成360度扫描后，又倾斜到天空的另一小部分进行采样。完成了从最低高度到最高高度的采样（在恶劣天气期间相当于扫描14个不同部分）之后，雷达返回最低高度，开始又一次工作流程。恶劣天气期间，多普勒天气雷达扫描完整个空间，需要4～6分钟。

与此相比，相控阵雷达同时发出多束电波，无需倾斜天线，能把风暴扫描时间减少到1分钟以下。这一改良使气象学家能迅速“看到”雷暴环流的持续变化，更迅速地检测到会引起龙卷风的相关变化。海茵瑟尔曼小组已经证明，相控阵雷达还可以收集当前不可用的信息，例如风场的快速变化，这些信息可以预测风暴强度。

海茵瑟尔曼等人认为，仅相控阵技术就可以把龙卷风的预警时间提早18分钟以上，只不过还需要对这项技术进行更多的研究和开发。理想情形是，相控阵系统能配置4个无线电波发射和接收面板，东南西北各一个，对大气进行360度的观测。美国国家天气雷达测试平台的研究人员现在只开发出了单面板系统用于天气监测，相控阵技术成为标准配置可能至少需要10年时间。

卫星监测

当然，即使最好的雷达也无法“看穿”高山或者大海——也就是形成飓风的地方。为此，预报人员需要依靠卫星来观测高山或者大海，获取更广泛的数据，作为特定雷达获得的局部信息的补充。每日天气预报和长期天气预报所需的数据中，90％以上都是由美国国家海洋与大气管理局的气象卫星提供，根据这些数据，预报人员通常能提前数天发出恶劣天气预警。为了改进重要环境情报的传送状况，美国国家海洋与大气管理局将在未来5年采用大量新技术。

如果没有更详细的卫星观测数据，提高天气预报准确度——尤其是飓风等极端天气事件的预报准确度，将受到严重限制。监测天气需要两种卫星——地球静止卫星和极地轨道卫星。地球静止卫星停留在35 000多千米高空的一个固定位置，不断发送对地球表面的观测数据。该卫星每15分钟就会拍摄一次照片，预报人员可以根据照片，监测到正在迅速恶化的雷雨或雪灾天气，或探测到飓风（但不包括龙卷风）的变化。

极地轨道卫星在大约830千米的高空围绕地球作轨道运动，从一极运动到另一极，可以为预报人员提供大气层各层中，更准确、更详细的温度和湿度观测数据。世界各地的低轨卫星（LEOS）每12小时观测整个地球一次。

美国国家海洋与大气管理局计划10年内发射新的系列低轨卫星，这些卫星是联合极地卫星系统（Joint Polar Satellite System）的组成部分。新型卫星配备了更精密的仪器，系统硬件也进行了升级。新型卫星得到的数据将用于计算机模型，以改善天气预报，包括飓风轨迹、飓风强度、强雷暴和洪水。先进的配套微波和红外传感器将传送更有价值的大气温度、压力和湿度三维信息，这些信息可以用来预测特定风暴的强度（如果温度和湿度变化较快，而且气压较低，则意味着强烈的风暴将来临）。红外传感器提供无云区域的观测信息，微波传感器可以“看透云层”，全方位跟踪测量地球表面的情况，而当前的主流卫星还不具备这样的功能。

2011年4月，猛烈的雷暴席卷美国南部6州之前的5天，美国国家海洋与大气管理局正在使用的极地轨道卫星提供数据，这些数据输入计算机模型后，美国国家海洋与大气管理局风暴预测中心预测到“可能暴发历史性的龙卷风”。龙卷风暴发前的午夜，该中心把预警风险提高到最高级别。这个级别的预报是为最极端情形设定的，不确定性最小，只有可能暴发极端猛烈的风暴时，才会发出这一级别的预报。新型低轨卫星可以把预测时间提前到暴风雨暴发前的5～7天。

地球静止卫星也将进行改良。定于2015年发射的GOES-R系列卫星将搭载先进仪器，这些仪器同时使用可见光和红外波段，每5分钟拍摄一次地球图像。这些仪器将大幅提高观测密度——时间间隔从现在的15分钟降到5分钟甚至更短，让科学家可以监控到变化迅速的强风暴。GOES-R卫星还将在西半球提供全世界首个闪电空间观测数据。闪电测绘仪将有助于预报人员探测云内和云－地间电闪频率是否在迅速升高。研究表明，电闪频率升高会出现在冰雹、强风甚至龙卷风发生之前20分钟或更早时间。

虚拟网格

每项雷达或卫星新技术都可以把预警时间提前几分钟，而计算机预测模型若使用了所有系统的数据，则可以提前更长时间。例如，可以提前一个小时发出龙卷风预警。如果有了这样长的预警时间，美国乔普林龙卷风造成的危害将大大减少。

预测模型以决定大气运动、化学反应和其他科学关系的物理定律为基础。它们把代表当前天气和其他环境条件——如温度、压力、风的海量数据进行处理，从而预测大气未来状态。想象一下，有一层包围地球表面的网格。再想象一下，该网格上方几百米处有另一层网格，而在这层网格之上又有一层，一直到地球上方大约48千米的平流层顶部。处于监控中的网格节点数以十亿计，需要数百万行代码来进行分析。

在如今典型的预测模型中，每个网格使用的地球表面网格面积大约为13～78平方千米。网格越小，模型分辨率越高，检测导致风暴的小范围大气变化的效果就越好。然而，要处理的数据点也就越多，就需要处理速度更快的超级计算机。

改进模型也需要人才把所有数据整合在一起，并进行阐释。美国国家海洋与大气管理局环境模拟中心代理主任比尔·拉朋塔（Bill Lapenta）就负责数据阐释，给出未来12、24、36、48、72小时以及更长时间的数值预报。通过比较美国国家海洋与大气管理局及其他国际模拟中心的模型数据，气象学家就可以得出人们在互联网或晚间新闻节目看到的预报结果。

美国国家海洋与大气管理局西弗吉尼亚州费尔蒙特的超级计算机每秒运算73.1万亿次。但拉朋塔认为，速度还可能更快，使模型能在更小尺度下进行运算。例如，有的网格仅2.6平方千米，让模型能够模拟小尺度条件，这些条件会使常见雷雨或风暴变得威力巨大。美国国家海洋与大气管理局打算利用美国橡树岭国家实验室的新型超级计算机建立这样的模型。拉朋塔希望，这种具有极高准确度的模型能在2020年问世。

拉朋塔预测，今后10年，随着新型雷达和卫星性能不断增强，天气预测模型将越来越完善，研究人员可以在运算速度超过每秒1×1018次的计算机上，实时输入监测数据，运行模型，得到预测结果。为了让这些设想成为现实，拉朋塔等科学家正在研究这些数据的数学、物理和生物地球化学关系，通过计算机编码，把这些关系融合在一起。

如果美国国家海洋与大气管理局在这方面的投入取得成功，预测人员就不必等待雷达在风暴发生14～18分钟之前传来图像，再发布预警。而是能够根据高精度模型的预测结果，提前发出龙卷风、强雷暴和洪水警报，给公众30～60分钟时间去采取预防措施。

更好的决策

气象灾害可以让很多城市陷于瘫痪，而有了上述技术革新，气象学家就能提前更长时间、更准确地预测冰雪、风暴等气象灾害——恶劣天气预报将提前5天，飓风预报将提前7天，冰雪融化引起的春洪威胁预报将提前好几个星期，有了充裕的预防时间，人们就能把恶劣天气的损害降到最低。

我们的目标是，到2021年，重建复兴的乔普林市能提前一个小时以上收到强龙卷风预警。这样，家人就有更多的时间会合，然后转移到安全的地方；疗养院和医院可以把医生和患者转移到避难所；商店则有时间把雇员转移到安全之处。当地气象学家在电视台和电台发布类似警告的时候，人们能用手机接收多渠道的消息，寻找庇护场所；龙卷风警报器鸣叫能强化这些警告的紧迫性——这样，哪怕自然界最强大的龙卷风经过城镇，也不会有任何人丧命。