唐駁虎：龍捲風究竟要如何才能預報和報警？

知識 06-24

龍捲風，一個你所不知道的陌生惡魔（上）

鳳凰新聞客戶端主筆唐駁虎

2016 年 6 月 23 日下午14時30分左右，江蘇鹽城市阜寧縣、射陽縣部分地區突然遭受了約20分鐘的強龍捲風襲擊，截止當日晚上22點，已有78人死亡，500人受傷，是一起極其慘痛的氣象災害。我們為逝者致哀！為生者祈福！

【龍捲風一般是怎麼形成的？】

龍捲風是一種猛烈的、小範圍的空氣渦旋，通常是在伴有雷雨、冰雹的空氣強烈對流天氣下產生的。而冷暖空氣碰撞時容易產生雷雨、大風、龍捲風等強對流天氣。

（當然，也有在晴天發生的超小尺度的偶發氣流渦旋，但一般不列入龍捲風範疇。）

在雷雨雲里，空氣擾動十分厲害，上下溫差懸殊。在地面，氣溫是攝氏20多度，越往高空，溫度越低。在積雨雲頂部8000多米的高空，溫度低到攝氏零下30度。

這樣，雲系對流旺盛，極不穩定，上面冷的氣流急速下降，下面熱的空氣猛烈上升。由於上下空氣交替擾動，產生旋轉作用，互相摩擦，形成許多小渦旋。

這些小渦旋逐漸擴大。上下激蕩越發強烈，形成大渦旋。大渦旋先是繞水平軸旋轉，形成了一個呈水平方向的空氣旋轉柱。然後，這個空氣旋轉柱的兩端漸漸彎曲，並且從雲底慢慢垂了下來。這樣，龍捲風就形成了。

它象魔鬼一樣帶著轟鳴猛撲過來，一般上部是一塊烏黑或濃灰的積雨雲，下部是下垂著的、高速旋轉的漏斗狀雲柱。從對流云云底盤旋而下。有的能伸達地面，在地面引起災害性的風被稱為龍捲；有的未及地面或未在地面產生災害性風的被稱為空中漏斗。

它的底部寬度不大，在接觸地面時，直徑在幾米到1公里不等，平均在幾百米，但影響範圍可達路徑左右的1-2公里。

當然，呈現「漏斗」形狀的龍捲上部直徑大一些，通常可達3-4千米，最大可達10千米。而它的「身高」一般都超過10千米，最高可達15千米。

由於龍捲風風速大，光風本身帶來的災害就比颱風的破壞力還要強大。而更為可怕的是是龍捲內部的低氣壓。

這種低氣壓可以低到400毫巴，甚至200毫巴，而一個標準大氣壓是1013毫巴。所以，在龍捲風掃過的地方，猶如一個特殊的吸泵一樣，往往把它所觸及的水和沙塵、樹木，乃至人、汽車、房屋等等吸卷而起。

【龍捲風有多可怕？】

常用的龍捲風定強分級方法是藤田級數，「藤田級數」是由已經逝世的美籍日裔氣象學家藤田哲也於1971年提出的，被全球各地用作衡量龍捲風規模的數值指標。美國國家氣象局2006年提出了改進版的「藤田級數」，並於2007年啟用：

EF-0級：最大風速29-38米/秒（每小時105至137公里），相當於11-13級颱風；破壞程度輕微，可導致部分屋頂表皮被剝落，一些樹枝被風吹落，根系較淺的樹木被吹倒。

EF-1級：最大風速39-49米/秒（每小時138至178公里），相當於13-15級颱風；破壞力屬中等，可造成大片屋頂掀起，移動房屋被吹翻或損毀嚴重，窗戶或其他建築物的玻璃爆裂。

EF-2級：最大風速50-60米/秒（每小時179至218公里），相當於15-17級颱風；破壞程度較大，足以令建築質量良好的房屋屋頂被掀翻；木製房屋的地基移動；移動房屋完全摧毀，大樹被吹折或連根拔起。

EF-3級：最大風速61-73米/秒（每小時219至266公里），相當於17級以上颱風；破壞程度嚴重，可以令較結實的房屋屋頂牆壁吹走，列車出軌甚或翻轉，森林中大半樹木連根拔起，重型車輛離地或捲走。

EF-4級：最大風速73-89米/秒（每小時267至322公里）；屬破壞性災害，如果房屋地基不十分堅固，將被捲走一段距離，汽車有如導彈般飛起。

EF-5級：最大風速90米/秒或以上，超越一切超強颱風，無堅不摧，屬於毀滅性災難。堅固的鋼筋混凝土建築建築物也能颳起，大型汽車能掀出超過百里，是讓人難以想像的巨災，被其橫掃之處無所倖免。

美國1999年的Bridge Creek–Moore龍捲風根據雷達測速估計最大風速達134米/秒（每小時482公里）。不過，EF-5級發生的機率極低。80%的龍捲風是EF0級和EF1級，4級及以上龍捲風僅佔1%。

龍捲風的中心附近風力極大，但是不好精確測量，因為龍捲風中心範圍很小，很難與氣象觀測站相遇，即使偶然相遇，風速計乃至氣象站也會被大風損毀。能用雷達對中心風力測速也需滿足條件。實際往往採用對風毀的事後勘測來判斷級數。

據目前災害測報，此次江蘇的龍捲風等級為EF-3級，即相當於17級以上超強颱風。

【為什麼美國的龍捲風特別多？】

龍捲風出現在世界很多地方，如歐洲北部、巴西南部和阿根廷以及亞洲東部，但是生成最集中的地方還是在美國。

美國是世界上遭遇龍捲風最多的國家，平均每年有1200～1300個龍捲風襲擊美國。這與美國的地形以及地理位置有關。

首先，美國東臨大西洋，西瀕太平洋，南面為墨西哥灣，水汽條件非常好。特別是中部靠南方的地區，墨西哥灣向內陸輸送大量的暖濕氣流；而美國北面為加拿大，是冷空氣的發源地。

其次，美國的主要山脈如落基山、阿巴拉契亞山都為南北走向，不能起到阻擋作用，而美國平原面積廣大且連成一體，冷暖空氣都能長驅直入到內陸地區，二者容易交匯、碰撞，生成強對流天氣。

乾冷空氣和暖濕空氣在美國中部交匯，這就是美國中西部的龍捲風走廊。冷空氣位於高空中5千至6千米處，下層則是來自墨西哥灣的暖濕空氣。冷暖兩支空氣狹路相逢、勢均力敵，同一垂直高度中大氣溫度存在著巨大差異，這就為風暴發展成龍捲風創造了條件。

每年的春季是美國龍捲風的多發季，主要集中在2-6月。因為此時冷、暖空氣勢均力敵，相遇時容易引發龍捲風。到盛夏時節，暖濕氣流比較旺盛，而冷空氣很弱，龍捲風的發生頻次相對較低。

也就是說，龍捲風最易發生在冷暖空氣激烈交匯的大平原上。遠離海洋的內陸乾燥地區，就很少有龍捲風出現。

【龍捲風在美國造成什麼樣的損害？】

美國有些州幾乎年年都有龍捲風肆虐，死人的、損壞房屋及公共設施的每年也都會發生，常常每年致使近百人喪生。

傷亡最重的一次是1925年3月18日，當日下午，貫穿密西西比河流域的一個大龍捲，在3個半小時內，以火車般的速度掃過352公里長、400-800米寬的一片鄉村城鎮，造成695人死亡、2027人受傷。

規模最大的龍捲風群爆發是在1974年4月3日上午9點起的24小時內，在美國中西部和南部的12個州，共發生龍捲風148場，包括6個F5級和24個F4級的龍捲風，綽號「超級爆發」（Super Outbreak）。累計死亡315人，受傷5484人。

2011年4月25日至28日四天內也出現類似上述規模的龍捲風爆發，經確認的龍捲風達330個，並造成344人死亡。在27日就出現190個龍捲風，包括4個EF5級和11個EF4級龍捲風，被稱之為「超級爆發Ⅱ」。

這次龍捲風所過之處幾乎都是亞拉巴馬州重要商業區，這對該州的商業造成了很大損失，同時也導致成千上萬人因此失去工作。

【中國龍捲風有什麼時空特徵？】

中國的確屬於龍捲風比較少見的國家。一方面，中國東部地區的水汽條件不如美國充沛；另一方面，不少地區地形崎嶇，山地眾多。

特別大山脈很多是東西走向（如燕山、秦嶺、南嶺等），對北上的暖濕氣流和南下的乾冷空氣都形成了攔截，就算冷暖兩支氣流跨越重重阻隔終於相遇，也已經被消磨掉大半，難以支持龍捲風那麼劇烈的衝突。

所以，中國的龍捲風數量總體比美國少很多。但是並非沒有。據估計，我國東部地區每年發生龍捲風大約有200-300個，其中災害性龍捲風大概在10-15個左右。

特別是水汽條件和地形條件與美國類似的地區，如長江三角洲、江蘇北部、山東西南部、河南東部的平原和湖沼區，東北平原、華北平原是龍捲風的易發區。

另外，珠江三角洲、雷州半島等南方沿海地區，颱風過境前後也有因颱風誘發的龍捲風出現。

因與美國中西部大平原條件相似，江蘇可謂是我國的「龍捲風走廊」，這裡既有開闊低洼的大平原，地勢平坦、江河湖泊水網交織，也正處於亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶，有冷渦切變、南下的冷空氣、干空氣，還往往有副高邊緣的強盛暖濕氣流。這些條件都有助於龍捲生成。

強龍捲主要集中在3-9月發生，其中7月最多，4月次之。

一天中，70%的強龍捲發生在12-20時之間，經過白天太陽輻射，強對流天氣最易發生；此外，凌晨0-2時也是龍捲發生的一個小高峰。

另外，龍捲風的持續影響時間一般少於10分鐘，多數為1至3分鐘。

【龍捲風在中國造成什麼樣的損害？】

相對來說，江蘇是我國強龍捲發生次數最多的省份，尤其是蘇北地區。像鹽城就曾在1966年，也就是整整50年前，曾出現過EF3-4級別的龍捲風。

1966年3月3日凌晨一點左右，鹽城、射陽、大豐出現特大龍捲風，從生成到消失長達一個多小時，移動路徑約30餘公里。

造成87人死亡，1246人受傷，其中重傷275人；毀壞房屋32903間，其中全部倒塌的10414間。

上世紀60年代後期，曾是中國龍捲風相對多發的時期。

除1966年鹽城外，1967年3月26日浙江省嘉興地區龍捲風死亡87人，傷510人；1969年8月29日河北霸縣-天津龍捲風死亡98人，重傷240人，輕傷523人。是三起造成大規模傷亡的龍捲風災害。

而1977年4月16日傍晚，因冷空氣快速南移，與暖濕氣流遭遇，湖北黃岡團風縣總路咀鄉發生龍捲風，歷時僅20分鐘，中心寬度僅20～50米。

但因恰逢黃岡中學生運動會在總路咀中學(黃岡三中)舉行，學校放電影招待。結果龍捲風吹塌學校禮堂，許多14-15歲的運動員不幸死亡。導致此次龍捲風在湖北造成的死亡人數高達103人，傷1173人，一片人間慘象。

另一起類似的事故一年後發生在陝西乾縣。1978年4月14日，乾縣周城公社突發龍捲風。風災範圍雖然只限於公社的學校商店醫院機關和周西、周北村，方圓不過三里，但人員財產損失嚴重。公社商店醫院完全成為廢墟。

最嚴重的是小學，校舍倒塌，師生們被埋在廢墟下面。造成84人死亡，173人重傷，161人輕傷。

1983年4月27日，洞庭湖畔的湖南湘陰縣遭遇龍捲襲擊，8所學校和650個農戶房屋全部倒塌，造成81人死亡，970人受傷。

在這兩段高發期之後，在長達30多年的時間裡，龍捲風在中國各地雖然時有發生，但終因規模較小，死傷人數不多。未形成轟動性的新聞事件，龍捲風淡出了公眾視野。

像去年的長江東方之星號客輪翻沉事件（事後證明是與龍捲風同屬強對流風暴的颮線所致）之後，一片疑惑詢問「中國/長江真的有龍捲風嗎？」的問題滿天飛，可見廣大公眾對中國的龍捲風並不了解。

但連同鹽城龍捲風，這兩起事件，可能預示著強對流天氣災害對中國的影響重新進入高發期，值得引發政府和公眾的重視。

【美國的龍捲風預警是怎麼回事？】

美國作為世界上遭受龍捲風襲擊最多的國家，對於龍捲風形成及預警的研究已有半個多世紀。

美國國家強風暴實驗室始建於1964年，1973年5月，該實驗室的10cm波段（S波段）多普勒氣象雷達第一次記錄下了龍捲風整個生命周期。

但由於龍捲風是一種中小尺度的渦旋系統，生成和發展具有很大的隨機性，發生時間短、空間尺度小、移動速度快，但即使在美國這樣氣象技術最為先進、予以高度重視、投入巨大的龍捲風最高發國，對龍捲風也只能做到密切監測而不是生成之前就做出預報。

預報和預警是有區別的，理論上說，龍捲風發生之前就報，這叫預報。要想定時、定點精確預報，這個現在做不到，以後估計也很難做到。

因為大氣氣象的尺度和複雜程度超出普通人的想像。

簡單地說，混沌現象、蝴蝶效應（一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可能在兩周後在美國德克薩斯引起一場龍捲風）這些複雜而神秘莫測的「玄學」理論，都是源自氣象科學。

所以，只能做出趨勢預測，也就是概率估計。而這些預測，成功率也不高，比蒙好不了多少。

而預警大多是在龍捲風發生後。有些人說都發生了，誰還要你來預警？

這是因為，龍捲風雖然持續時間短，一般十幾到幾十分鐘，但是也有發展和消亡過程，一開始破壞力有限，可以爭取時間躲避。

另外龍捲風移動迅速，此時在此地，轉眼到別處，預警能讓一大片範圍內的人都躲避。

現階段的龍捲風預警，本質上是打時間差。已經出現了龍捲風，根據大氣情況，結合預報員的經驗來判斷其影響範圍和移動路徑，發出警報，通知民眾躲避。

在這一點上，龍捲風警報就和地震警報的關係很類似。

地震現階段無法準確預報，但是可以在震中爆發之後，迅速用光速的通信網路，通知到地震波尚未傳導到的其他地區，為人們爭取到15-30秒的提前警報，可以做出躲避動作。

【美國大片中的「追風者」是怎麼回事？】

美國的龍捲預警發布分兩個層面：一是在國家級的預警中心，美國國家氣象局（NWS）的各個辦公室會發布1至3天的風險預測趨勢性預報。根據天氣形勢的發展，預估出某個地區範圍內生成龍捲風的可能性較大，讓各地氣象台提高警惕。

二是在美國各個地區的預報台。如果氣象雷達發現龍捲風的「初級胚胎」——強對流天氣即將生成，氣象工作人員就會加強監視和跟蹤，一旦監測龍捲風出現，就發布及時預警，並根據各種資料分析這個龍捲風可能會向哪個方位移動。

由於雷達的監測距離、精度、更新率和解析度都有限，採用雷達和目視相配合的方法常常更可靠一些。

一些業餘愛好者、居民和新聞媒體在龍捲風出現後開車跟蹤，用手機隨時向氣象台報告龍捲風的具體位置，這也有利於校準雷達上的龍捲風位置和動向。

這就是美國大片中常見的「追風者」們——業餘、自願、大膽的天氣愛好者。他們構成了風暴監測網路的重要一環，也就是移動的「人肉氣象站」。

這些自願風暴觀測員們包括郡行政司法長官、州警官、消防隊員、救護車司機等等。

美國國家氣象局還開展了一項SKYWARN計劃，教會人們如何觀測龍捲風、漏斗雲、雲牆以及其他極端天氣現象。

自願觀測員一旦發現這種天氣現象，就會報告當地氣象部門。然後結合多普勒雷達的監測資料進行分析，可以提前發現龍捲風的蹤跡，並發布相關預警。

近些年來，美國氣象部門在監測龍捲風時，綜合運用了靜止衛星、多普勒天氣雷達，包括部分軍用氣象雷達，自動氣象站網和自願氣象站（由業餘愛好者自己設立的氣象站），觀測的空間和時間解析度都很高。

目前美國大概能提前平均8-10分鐘，通過電視、電話、手機、網路以及高音喇叭等方式，對一大片地區特別是龍捲風可能移動路徑上的居民和單位發出預警，可以讓民眾採取有效的躲避措施。

同時美國也已經有一些手機應用（APP），可以通過官方數據和用戶的地址信息給出龍捲風預警。

監測技術的進步以及預警傳播手段的廣泛化較大程度地降低了美國因龍捲風死亡人數。儘管如此，在美國龍捲風還是繼颶風之後破壞力第二大的自然災害。

最主要的原因還是龍捲風的難以預報性。同時龍捲風的移速極快，往往是人們剛剛收到警報，龍捲風就已殺到身邊。

這與地震警報類似——可以打個時間差，給居民一定的時間在堅固的牆角蹲下來，卻無法有足夠的時間安全逃離樓宇。

【做預警監測的系統設備是什麼？】

業餘、勇敢、無畏、奉獻的「追風者」們有助於提高龍捲風檢測的精度，但氣象雷達監測網卻仍然是最基本的保障。

天氣雷達的探測原理是利用雲雨目標物對雷達所發射電磁波的散射回波來測定其空間位置、強弱分布、垂直結構等，用於定位天氣系統位置及探測降水強度。

美國於1988年正式進行下一代氣象雷達（NEXRDA）的布網建設，這套稱之為WSR-88D (Weather Service Radar 1988 Doppler)的S波段雷達採用多普勒體制。

除能起到常規天氣雷達的作用外，還可以利用物理學上的多普勒效應來測定降水粒子的徑向運動速度，推斷降水雲體的移動速度、風場結構特徵、垂直氣流速度等。可以監測暴雨、雷暴、冰雹、龍捲、風切變、下擊暴流、鋒面、湍流、冰雹等中小尺度災害性天氣的發生、發展。

至1997年，美國在本土及海外布網了165台NEXRDA，大幅提高了對重大災害性天氣的監測和預報能力。其他西方國家也在90年代末開始逐步建設現代化氣象雷達網路系統。

中國在21世紀初也開始部署新一代天氣雷達系統建設，經過10年時間，在全國建成164部S波段和C波段多普勒天氣雷達構成的基本天氣雷達網。

C波段雷達（波長3.75-7.5厘米）主要分布在內陸地區，可對150公里半徑範圍內的降雨進行較準確估測。

C波段波長短，直線性越好，越精確，但是很容易被衰減。

S波段雷達（波長7.5-15厘米）的穿透性更好，主要分布在沿海地區及主要降雨流域。可以監視半徑為400公里範圍的地區內颱風、暴雨、颮線、冰雹、龍捲等大範圍強降水天氣。

S波段波長更長，在大氣中的衰減率低，可以傳播得更遠，尤其是雨水穿透性更佳。

但波長增長的代價就是精度降低，在150公里距離上，空間解析度為1公里。可識別雹雲中尺度為2～3公里的核區，或判別尺度為10公里左右的龍捲氣旋。

雷達系統會根據需要來掃描不同角度，不同方位。通常情況下，探測方圓250公里、高度15千米範圍內的大氣需要5到10分鐘的時間。平均更新周期在6分鐘左右。

所以，無論是從空間解析度，還是時間解析度來說，像S波段這樣的雷達還是遠遠不足的。和「然並卵」差不多。

這也就是為什麼發達先進如美國，實時檢測龍捲風也還要依賴於「人肉觀測員」的根本原因。

【根本的解決之道是更先進的設備，或者說：錢】

那麼，怎麼辦？

解決之道就是採用波長更短的X波段雷達（波長2.5 - 3.75毫米），這樣的雷達主要用於強對流天氣的精細結構探測，最高解析度可達75米。可以精確識別百米級別的龍捲風，並在暴雨、冰雹等強對流天氣的監測和預警上佔有更大的優勢。

並且，X波段雷達的掃描周期更短，完成一周體掃只要三分半鐘。無論空間解析度還是時間解析度都大幅提升，能更加有快速地捕捉到龍捲風。

當然，根據前面對C波段雷達介紹和評述，我們可以知道，X波段雷達的波長更短，在雨中衰減得更厲害。有效探測範圍也就70公里到100公里。

也就是說，覆蓋同一片地區，所需的雷達數量陡增。只有財政寬裕的發達地區才能裝備得起。

2013年8月，廣東佛山市政府正式發文，成立全國首個龍捲風專門研究機構佛山市龍捲風研究中心，並要求龍捲風預警水平領先全國。

在財政的支持下，佛山氣象部門在南海區安裝了一台X波段雷達，還將在三水、高明和順德三個區，安裝另外三台X波段雷達，計劃用四台雷達實現對佛山市域的基本覆蓋。

可見無論是美國還是佛山，只有發達的經濟、充裕的財政，才有精細尺度天氣預警的基本硬體條件。

另外，佛山氣象部門安裝的還只是雙偏振雷達，信息更新周期仍需三分多鐘，相對尺度小，強度大，生命周期短的龍捲風還是有諸多不足。

如果能採用更先進的電控相控陣體制雷達，掃描周期壓縮到40秒乃至20秒以內，才真正對龍捲風的預警和實時監測有較大的幫助。

無論是探測、監測、預警系統，背後都是科技投入和財政投入，也就是，錢，錢，錢。

人命無價，人命有價。發達國家各環節的相對低意外死亡率，既有體制上的制度保證，也有技術環節的設備保證。兩者結合起來，才能在社會宏觀尺度上降低人員傷亡。

也就是說，只有社會經濟的全面進步，才能給我們從根本上帶來一個更加安全的世界。

（未完待續）

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