龍卷風(fēng)的小知識(shí)

1、龍卷的監(jiān)測與預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)龍卷風(fēng)是一種由雷暴云底伸展至地面的漏斗狀云產(chǎn)生的強(qiáng)烈旋風(fēng)，是強(qiáng)對流天氣的一種是對流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象，其中心最大風(fēng)速可超過140m/s。龍卷生消迅速，常與雷暴、冰雹和暴雨等強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)相伴出現(xiàn)，可造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是建筑設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)等諸項(xiàng)事業(yè)中應(yīng)予重視的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。龍卷時(shí)空尺度很小，直徑一般在100米以下，強(qiáng)龍卷可達(dá)幾百米到1公里左右，其持續(xù)時(shí)間一般為幾分鐘到幾十分鐘，生命史長的可持續(xù)數(shù)小時(shí)。龍卷的強(qiáng)度與分級(jí)由于觀測手段所限，目前仍然極難甚至無法測到諸如龍卷的實(shí)際風(fēng)速、氣壓等氣象要素值，氣象觀測站中也很少觀測到龍卷，對龍卷

2、最大風(fēng)力的估計(jì)多數(shù)是災(zāi)后災(zāi)情調(diào)查者的估計(jì)值或者車載多普勒雷達(dá)近距離觀測的估計(jì)值。為了界定龍卷強(qiáng)度，氣象學(xué)家基于龍卷路徑上所造成的破壞大小和風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系將龍卷分為了6個(gè)等級(jí)，從EF0級(jí)到EF5級(jí)，其中將EF2級(jí)以上龍卷稱為為強(qiáng)龍卷。中美龍卷概況就全球而言，美國是龍卷發(fā)生頻率最高的國家，19812010年年均可記錄到1122個(gè)龍卷。在中國，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，19612010年50年間共發(fā)生EF2級(jí)以上強(qiáng)龍卷165次，利用20042013年中國氣象災(zāi)害年鑒和其他相關(guān)資料記錄的龍卷資料中EF1級(jí)龍卷和EF2或以上級(jí)強(qiáng)龍卷的發(fā)生數(shù)量之比，以及不完整的EF0級(jí)龍卷與EF1或以上級(jí)龍卷的發(fā)生數(shù)量之比，粗略估計(jì)

3、得到19612010年50年間中國年均發(fā)生龍卷的次數(shù)不低于85次，EF1級(jí)以上龍卷年均發(fā)生21次，不及美國龍卷發(fā)生頻率的十分之一。龍卷的監(jiān)測困難從龍卷觀測手段角度來看，肉眼看到的龍卷是強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)風(fēng)夾卷的降水粒子及各種雜物的整體形象，是最直觀確定龍卷存在的方式，但受視野障礙、能見度等影響明顯，且無法獲得龍卷的氣象要素信息。常規(guī)氣象探測儀器可能觀測到的是龍卷氣柱中某一點(diǎn)的溫度、壓強(qiáng)、風(fēng)向風(fēng)力以及濕度等氣象要素，通過對這些要素的時(shí)空分布可以獲得龍卷的總體特征。但由于龍卷時(shí)空尺度很小，且破壞性強(qiáng)，龍卷恰好經(jīng)過足夠稠密的觀測網(wǎng)絡(luò)又能獲得可靠的觀測數(shù)據(jù)實(shí)際上是幾乎不可能的。目前對龍卷監(jiān)測最有效的手段是多普勒

4、天氣雷達(dá)，它可以一定程度探測到龍卷風(fēng)夾卷起的各種粒子和雜物的速度，從而監(jiān)測龍卷，但天氣雷達(dá)也有其自身的諸多局限。首先是探測原理，以速度探測為例，雷達(dá)圖像上一個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際上是一個(gè)空間區(qū)域中粒子群所表現(xiàn)出的朝向或者遠(yuǎn)離雷達(dá)方向（即徑向）的總體平均速度，這只能一定程度上反映龍卷風(fēng)速，并且，除了徑向外雷達(dá)無法獲得粒子在其它方向的速度。其次，雷達(dá)探測的時(shí)空分辨率局限，業(yè)務(wù)布網(wǎng)的雷達(dá)探測空間分辨率一般在水平方向上分辨率是1度，徑向分辨率是250米到1公里，也就是前述的空間區(qū)域，這個(gè)區(qū)域大小隨著據(jù)雷達(dá)距離而增大，這樣的空間分辨率導(dǎo)致除非與雷達(dá)的距離合適，否則大多數(shù)情況下實(shí)際上是不能直接觀測到龍卷渦旋

5、特征的，而只能觀測到龍卷的更大尺度的特征環(huán)境場如中氣旋（直徑幾公里到幾十公里的渦旋）。業(yè)務(wù)雷達(dá)的時(shí)間分辨率一般為56分鐘，這也會(huì)給監(jiān)測短生命史的龍卷帶來困難。總之，雷達(dá)探測到原理、掃描方式以及業(yè)務(wù)雷達(dá)固定位置等等因素都決定了對龍卷的的監(jiān)測存在各種局限。以本次龍卷過程為例，離沉船地點(diǎn)最近的兩部雷達(dá)分別是湖南岳陽的雷達(dá)（距離約60公里）和湖北荊州的雷達(dá)（距離約90公里），以目前雷達(dá)的最低層觀測仰角0.5度計(jì)算，在考慮標(biāo)準(zhǔn)折射的情況下，岳陽雷達(dá)探測到沉船地點(diǎn)的回波高度離地面約1.1公里，湖北荊州雷達(dá)探測到沉船地點(diǎn)的回波高度離地面約1.7公里，而龍卷風(fēng)的垂直發(fā)展高度約為幾百米，所以，本次龍卷過程，最有

6、效的天氣雷達(dá)都難以準(zhǔn)確捕捉到龍卷的蹤跡。對于我國現(xiàn)有的雷達(dá)網(wǎng)而言，只有龍卷發(fā)生地點(diǎn)離雷達(dá)半徑在30公里以內(nèi)時(shí)，才有可能看到較為明顯的龍卷特征。2015年6月1日21時(shí)13分荊州多普勒雷達(dá)0.5度仰角徑向速度場顯示的中氣旋龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警非常困難，從根本上說，這由龍卷本身的時(shí)空尺度、探測難度和物理成因決定。目前世界上有確切的龍卷預(yù)警的國家極少，只有北美的美國和加拿大。包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家通過預(yù)報(bào)強(qiáng)對流天氣的方式來一定程度上對龍卷做出預(yù)警報(bào)。這與北美地區(qū)龍卷風(fēng)發(fā)生的頻次高和強(qiáng)度大有直接的關(guān)系。美國的龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警大體可分為展望（outlook）、預(yù)警（watch）和警報(bào)（warnin

7、g）三個(gè)階段。龍卷在全國范圍的展望和預(yù)警業(yè)務(wù)是由國家級(jí)業(yè)務(wù)單位即強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報(bào)中心（SPC）開展，警報(bào)由各地方氣象臺(tái)（NWSoffice）發(fā)布。一天以上的龍卷預(yù)報(bào)稱為展望，只能預(yù)報(bào)龍卷等強(qiáng)對流天氣發(fā)生的潛勢，并不能直接預(yù)報(bào)龍卷的發(fā)生。龍卷風(fēng)通常發(fā)生在低層0-1公里垂直切變大值區(qū)、低層暖濕平流區(qū)，并且常伴隨有中氣旋出現(xiàn)。通過分析可能導(dǎo)致龍卷的對流風(fēng)暴所需要水汽、不穩(wěn)定、抬升以及風(fēng)切變等氣象條件可以一定程度上預(yù)報(bào)龍卷發(fā)生的潛勢。但實(shí)際上可能導(dǎo)致強(qiáng)對流風(fēng)暴的這些條件千差萬別，而每一個(gè)條件多大程度才足夠也難以確定，產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)暴同樣的氣象條件下什么強(qiáng)天氣都不出的情況也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)，因此即便是強(qiáng)對流潛勢預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確

8、率也不高。此外數(shù)值預(yù)報(bào)本身的缺陷和誤差也制約著強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)。美國SPC發(fā)布的1天對流展望（左）及龍卷展望（右）龍卷的預(yù)警現(xiàn)階段主要依靠實(shí)時(shí)分析衛(wèi)星、自動(dòng)站、雷達(dá)、風(fēng)廓線儀等多源觀測資料來識(shí)別和判斷可能會(huì)產(chǎn)生龍卷的超級(jí)單體風(fēng)暴等強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，從而在龍卷發(fā)生數(shù)小時(shí)前發(fā)出預(yù)警，但這也不是對龍卷本身的預(yù)報(bào)。美國龍卷的警報(bào)在布設(shè)多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)后得以實(shí)現(xiàn)，但發(fā)布目前只能提前幾分鐘到十幾分鐘，主要是根據(jù)雷達(dá)探測到的達(dá)到一定強(qiáng)度的中氣旋或龍卷渦旋特征來發(fā)布。由于前述雷達(dá)監(jiān)測存在缺陷，中氣旋發(fā)生龍卷的概率并不高（在美國約1020%,在中國不到10%）,以及并不是所有的龍卷都伴隨中氣旋等因素的存

9、在，龍卷警報(bào)在命中率（POD,即成功警報(bào)的龍卷占總發(fā)生龍卷的比率）大大提高的同時(shí)仍然存在較高的虛警率（即空報(bào)龍卷次數(shù)占總警報(bào)次數(shù)的比率）。據(jù)美國2011年的官方數(shù)據(jù)顯示，龍卷警報(bào)的平均命中率0.75，平均虛警率0.74，平均警報(bào)提前時(shí)間14.6分鐘。在近年中，美國曾發(fā)生過成功預(yù)警龍卷的情況下仍然造成數(shù)百人傷亡的慘痛事件，事后的分析研究表明，高虛警率造成的公眾在接到龍卷警報(bào)時(shí)不作為的情況是重要原因。相比美國中國龍卷及預(yù)警報(bào)的不同雖然龍卷的本質(zhì)和發(fā)生條件是同樣的，但除去共同點(diǎn)之外，中國與美國的龍卷天氣總體特征也存在一定的不同之處。中國與美國面積相當(dāng)，但氣候類型截然不同。中國發(fā)生龍卷的地區(qū)是典型的亞

10、熱帶或溫帶季風(fēng)氣候，美國龍卷多發(fā)地是溫帶大陸性氣候?yàn)橹?。美國的龍卷多與超級(jí)單體風(fēng)暴等強(qiáng)對流風(fēng)暴相聯(lián)系，環(huán)境場多表現(xiàn)為有更典型的強(qiáng)垂直風(fēng)切變和強(qiáng)不穩(wěn)定，雷暴結(jié)構(gòu)在雷達(dá)回波上多表現(xiàn)為高質(zhì)心特征，在天氣上多與大冰雹相伴隨，龍卷發(fā)生的頻次更多，強(qiáng)度總體上也更強(qiáng)；相比之下中國的龍卷尤其是南方的龍卷發(fā)生時(shí)多處于暖濕的夏季風(fēng)盛行季節(jié)，環(huán)境場的垂直風(fēng)切變與不穩(wěn)定相對較弱，而整層大氣更濕，雷暴結(jié)構(gòu)多表現(xiàn)為低質(zhì)心的雷達(dá)回波，在天氣上主要與大范圍的暴雨區(qū)相聯(lián)系。這種差異也導(dǎo)致在龍卷的可預(yù)報(bào)性方面可能存在一定的差異。具體來說，很多中國類型的龍卷發(fā)生的環(huán)境場條件與暴雨發(fā)生的環(huán)境場條件區(qū)分度不高，都是整層濕和深層次風(fēng)切變不是很強(qiáng)，這導(dǎo)致展望預(yù)報(bào)難度更大；很多中國類型龍卷以較低少的頻次夾雜在大量的低質(zhì)心暴雨中尺度對流系統(tǒng)中而非明顯的高質(zhì)心超級(jí)單體