1、龙卷的监测与预报龙卷风龙卷风是一种由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云产生的强烈旋风，是强对流天气的一种，是对流风暴产生的最猛烈的天气现象，其中心最大风速可超过 140 m/s。龙卷生消迅速，常与雷暴、冰雹和暴雨等强对流天气系统相伴出现，可造成重大的人员伤亡和财产损失，是建筑设计、防灾减灾、工农业生产和财产保险等诸项事业中应予重视的灾害性天气现象。龙卷时空尺度很小，直径一般在 100 米以下，强龙卷可达几百米到 1 公里左右，其持续时间一般为几分钟到几十分钟，生命史长的可持续数小时。龙卷的强度与分级由于观测手段所限，目前仍然极难甚至无法测到诸如龙卷的实际风速、气压等气象要素值，气象观测站中也很少观测
2、到龙卷，对龙卷最大风力的估计多数是灾后灾情调查者的估计值或者车载多普勒雷达近距离观测的估计值。为了界定龙卷强度，气象学家基于龙卷路径上所造成的破坏大小和风速的对应关系将龙卷分为了 6 个等级，从 EF0 级到 EF5 级，其中将 EF2 级以上龙卷称为为强龙卷。中美龙卷概况就全球而言，美国是龙卷发生频率最高的国家，19812010 年年均可记录到 1122 个龙卷。在中国，据不完全统计，19612010 年 50 年间共发生 EF2 级以上强龙卷 165 次，利用 20042013 年中国气象灾害年鉴和其他相关资料记录的龙卷资料中 EF1 级龙卷和EF2 或以上级强龙卷的发生数量之比，以及不完
3、整的 EF0 级龙卷与 EF1 或以上级龙卷的发生数量之比，粗略估计得到 19612010 年 50 年间中国年均发生龙卷的次数不低于 85 次，EF1 级以上龙卷年均发生 21 次，不及美国龙卷发生频率的十分之一。龙卷的监测困难从龙卷观测手段角度来看，肉眼看到的龙卷是强烈旋转风夹卷的降水粒子及各种杂物的整体形象，是最直观确定龙卷存在的方式，但受视野障碍、能见度等影响明显，且无法获得龙卷的气象要素信息。常规气象探测仪器可能观测到的是龙卷气柱中某一点的温度、压强、风向风力以及湿度等气象要素，通过对这些要素的时空分布可以获得龙卷的总体特征。但由于龙卷时空尺度很小，且破坏性强，龙卷恰好经过足够稠密的
4、观测网络又能获得可靠的观测数据实际上是几乎不可能的。目前对龙卷监测最有效的手段是多普勒天气雷达，它可以一定程度探测到龙卷风夹卷起的各种粒子和杂物的速度，从而监测龙卷，但天气雷达也有其自身的诸多局限。首先是探测原理，以速度探测为例，雷达图像上一个像素点所代表的实际上是一个空间区域中粒子群所表现出的朝向或者远离雷达方向（即径向）的总体平均速度，这只能一定程度上反映龙卷风速，并且，除了径向外雷达无法获得粒子在其它方向的速度。其次，雷达探测的时空分辨率局限，业务布网的雷达探测空间分辨率一般在水平方向上分辨率是 1 度，径向分辨率是 250 米到 1 公里，也就是前述的空间区域，这个区域大小随着据雷达距
5、离而增大，这样的空间分辨率导致除非与雷达的距离合适，否则大多数情况下实际上是不能直接观测到龙卷涡旋特征的，而只能观测到龙卷的更大尺度的特征环境场如中气旋（直径几公里到几十公里的涡旋） 。业务雷达的时间分辨率一般为 56 分钟，这也会给监测短生命史的龙卷带来困难。总之，雷达探测到原理、扫描方式以及业务雷达固定位置等等因素都决定了对龙卷的的监测存在各种局限。以本次龙卷过程为例，离沉船地点最近的两部雷达分别是湖南岳阳的雷达（距离约 60公里）和湖北荆州的雷达（距离约 90 公里） ，以目前雷达的最低层观测仰角 0.5 度计算，在考虑标准折射的情况下，岳阳雷达探测到沉船地点的回波高度离地面约 1.1
6、公里，湖北荆州雷达探测到沉船地点的回波高度离地面约 1.7 公里，而龙卷风的垂直发展高度约为几百米，所以，本次龙卷过程，最有效的天气雷达都难以准确捕捉到龙卷的踪迹。对于我国现有的雷达网而言，只有龙卷发生地点离雷达半径在 30 公里以内时，才有可能看到较为明显的龙卷特征。2015 年 6 月 1 日 21 时 13 分荆州多普勒雷达 0.5 度仰角径向速度场显示的中气旋龙卷的预报预警龙卷的预报预警非常困难，从根本上说，这由龙卷本身的时空尺度、探测难度和物理成因决定。目前世界上有确切的龙卷预警的国家极少，只有北美的美国和加拿大。包括中国在内的大多数国家通过预报强对流天气的方式来一定程度上对龙卷做出
7、预警报。这与北美地区龙卷风发生的频次高和强度大有直接的关系。美国的龙卷预报预警大体可分为展望（outlook） 、预警（watch ）和警报（warning）三个阶段。龙卷在全国范围的展望和预警业务是由国家级业务单位即强风暴预报中心（SPC）开展，警报由各地方气象台（NWS office）发布。一天以上的龙卷预报称为展望，只能预报龙卷等强对流天气发生的潜势，并不能直接预报龙卷的发生。龙卷风通常发生在低层 0-1 公里垂直切变大值区、低层暖湿平流区，并且常伴随有中气旋出现。通过分析可能导致龙卷的对流风暴所需要水汽、不稳定、抬升以及风切变等气象条件可以一定程度上预报龙卷发生的潜势。但实际上可能导致
8、强对流风暴的这些条件千差万别，而每一个条件多大程度才足够也难以确定，产生强风暴同样的气象条件下什么强天气都不出的情况也时常会出现，因此即便是强对流潜势预报的准确率也不高。此外数值预报本身的缺陷和误差也制约着强对流天气的预报。美国 SPC 发布的 1 天对流展望（左）及龙卷展望（右）龙卷的预警现阶段主要依靠实时分析卫星、自动站、雷达、风廓线仪等多源观测资料来识别和判断可能会产生龙卷的超级单体风暴等强对流天气系统的发生发展，从而在龙卷发生数小时前发出预警，但这也不是对龙卷本身的预报。美国龙卷的警报在布设多普勒天气雷达网后得以实现，但发布目前只能提前几分钟到十几分钟，主要是根据雷达探测到的达到一定强
9、度的中气旋或龙卷涡旋特征来发布。由于前述雷达监测存在缺陷，中气旋发生龙卷的概率并不高（在美国约 1020%，在中国不到10%） ，以及并不是所有的龙卷都伴随中气旋等因素的存在，龙卷警报在命中率（POD，即成功警报的龙卷占总发生龙卷的比率）大大提高的同时仍然存在较高的虚警率（即空报龙卷次数占总警报次数的比率） 。据美国 2011 年的官方数据显示，龙卷警报的平均命中率0.75，平均虚警率 0.74，平均警报提前时间 14.6 分钟。在近年中，美国曾发生过成功预警龙卷的情况下仍然造成数百人伤亡的惨痛事件，事后的分析研究表明，高虚警率造成的公众在接到龙卷警报时不作为的情况是重要原因。相比美国中国龙卷
10、及预警报的不同 虽然龙卷的本质和发生条件是同样的，但除去共同点之外，中国与美国的龙卷天气总体特征也存在一定的不同之处。中国与美国面积相当，但气候类型截然不同。中国发生龙卷的地区是典型的亚热带或温带季风气候，美国龙卷多发地是温带大陆性气候为主。美国的龙卷多与超级单体风暴等强对流风暴相联系，环境场多表现为有更典型的强垂直风切变和强不稳定，雷暴结构在雷达回波上多表现为高质心特征，在天气上多与大冰雹相伴随，龙卷发生的频次更多，强度总体上也更强；相比之下中国的龙卷尤其是南方的龙卷发生时多处于暖湿的夏季风盛行季节，环境场的垂直风切变与不稳定相对较弱，而整层大气更湿，雷暴结构多表现为低质心的雷达回波，在天气
11、上主要与大范围的暴雨区相联系。这种差异也导致在龙卷的可预报性方面可能存在一定的差异。具体来说，很多中国类型的龙卷发生的环境场条件与暴雨发生的环境场条件区分度不高，都是整层湿和深层次风切变不是很强，这导致展望预报难度更大；很多中国类型龙卷以较低少的频次夹杂在大量的低质心暴雨中尺度对流系统中而非明显的高质心超级单体风暴，因此龙卷的预警难度更大；此外，统计显示中国的中气旋中产生龙卷的比例相对美国更小，这导致以监测中气旋或龙卷涡旋特征为核心技术手段的龙卷的警报更难。不考虑其它因素，仅在这种天气差异下推测，假使中国达到美国的技术水准和手段，在一定程度上可以及时准确发布龙卷预警报的同时极有可能伴随而来的是比美国更高的虚警率和更低的命中率。
