|
上文书我们讲到了混沌系统和蝴蝶效应这些概念都是怎么来的。这些发现都和气象科学有非常紧密的联系，正因为蝴蝶效应的存在，所以长期预报就变得没有多少参考价值，误差随着时间的推移会变得越来越大。一个礼拜之内的天气预报还是比较准的，两个礼拜的天气预报也有比较好的参考性，但是再往后就够呛了，大致看看就行，不能当真。有些天气现象实在是太复杂了，所以到现在也无法精确预测。比如说龙卷风。几天前，广东刚好发生了两次龙卷风，一次是6月16号，出现在广州从化太平镇，属于EF2级龙卷风，持续了5分钟。另一次是6月19号，出现在佛山大沥镇，大约是EF1级龙卷风，持续了仅仅1分钟。咱们国家的龙卷风一般来讲规模不大，EF2级以上称为超强龙卷。咱们这边出现超强龙卷的概率不算高，美国就经常出现超强龙卷，美国几乎就是龙卷风的老窝。
广州从化区太平镇出现了龙卷风 那么，龙卷风能不能预测呢?到现在为止，很难。首先是数据的分辨率问题。龙卷风的尺度不大，这次从化的龙卷风直径不过200米左右。超强龙卷，直径不过也才1公里左右，这种尺度实在太小了。像台风啦，副热带高压啦，这些天气现象的尺度弄不好就是几个省的面积。另一方面，龙卷风的持续时间也很短。这次从化的龙卷风不过持续了5分钟，佛山的才1分钟。台风最长的能持续一个月，这就没法比了。所以，龙卷风无论是空间尺度还是时间尺度都太小了。现在收集数据的密度根本不够。咱们国家的自动气象站大概是6万多个，密度算是世界领先的了。但是你跟这么庞大的国土相比，依然很稀疏。就算是城市里的密度高一点，也高不到哪里去。记录气团、气旋这种大尺度的天气现象，分辨率真的是很高了。但是对龙卷风来讲，那是完全不够。
佛山龙卷风场景 比如佛山这一次龙卷风，距离龙卷风最近的气象站在200米之外。记录到的阵风是5级，也就是每秒10.5米。其他的气象站距离更远，很可能都没有感觉到有龙卷风发生，更别说预测了。你可能会说啊，不是有气象卫星嘛，气象卫星的分辨率也是有限的，一个龙卷风，可能在卫星照片上连一个像素都不到。况且，你还得顾及时间分辨率，气象卫星路过某地上空，一天能有几次啊？很可能第一次来的时候龙卷风还没发生，第二次来的时候龙卷风都刮完了。卫星也没能留下什么记录。
让广州从化出现龙卷风的那团回波已减弱东移
现在我们知道，越是大尺度的预报越容易，越是微小尺度的预报越难。尽管我们不能预报龙卷风这种极端天气现象，但是孕育龙卷风的气象环境，我们是可以预测的。一般来讲，龙卷风都跟强烈的对流密不可分，往往伴随着雷雨大风。美国人对龙卷风就特别关心，毕竟美国号称是龙卷风的故乡，每年都被龙卷风折腾得够呛。在1991~2010年间，平均每年发生大约1200次龙卷风。1995年5月，美国在1个月内就发生了408场龙卷风，平均每天发生超过13次龙卷风。美国人对龙卷风的记忆是非常深刻的，童话故事《绿野仙踪》讲述的就是堪萨斯州的小女孩桃乐丝被一场龙卷风连人带房子一起刮到了奥兹国。可见龙卷风已经成了美国文化的一部分。2021年的12月份，美国曾经出现了一次龙卷风集中爆发的情况，一口气出现了几十个龙卷风，横扫了美国中部的阿肯色、密西西比、伊利诺伊、肯塔基、田纳西和密苏里这几个州，可以说是损失惨重。
那么美国为什么会成为龙卷风的故乡？还是跟美国特殊的地形环境有关系。美国西边是太平洋，东边是大西洋，南面是墨西哥湾，可以说是被海洋包围着，水汽非常充足。水汽充足就为形成规模庞大的雷雨云提供了有利条件，而雷雨云正是龙卷风的温床。另一个条件，那就是北美大陆的地形。美国东部有一条阿巴拉契亚山脉，平均海拔才900米。西部有一连串的崇山峻岭，中间是一望无际的大平原，更要命的是北美的山脉全是南北走向。如果冷空气从加拿大一路杀向南方，中间一点阻碍都没有。我国的地形就不一样了，我国有一条非常重要的山脉就是秦岭。秦岭是横着的，一下就把中国分成了南方和北方，气候就完全不一样了。所以每年到了春夏季节，从温暖的墨西哥湾来的暖湿气流，就和来自落基山脉的冷空气在大平原上迎面相撞了。这一撞可不要紧，就会在中部大平原上形成大片的雷雨云。
那么强烈的雷雨云为什么会成为龙卷风的温床呢？因为雷雨往往伴随着剧烈的上下温差。夏天雷雨季节靠近地面的地方气温非常高，怎么也有二三十度。可是在雷雨云的顶端，也就是距离地面8千米的地方，温度是零下二三十度，这个温差实在太大了。热空气要上升，冷空气要下降，所以就会形成强烈的对流，这一搅和，气流就变得乱七八糟。比如说某个地方气温特别高，所以这里就形成了强烈的上升气流，周围的空气都要补充过来。就好比四面八方的人群都向中心汇聚一样。但是大家是从四面八方来的，方向各不相同。而且不同的高度上风向可能也是不一样的，这种现象叫做风切变。打个粗糙的比方，大家见过交通环岛吧，从各个方向来的车辆都汇集到了环岛周围，都在沿着同一个方向开始转圈圈。所以空气就转起来了，一边绕圈一边上升，旋风就刮起来了。其实空气开始旋转的时候，人眼睛根本就看不到，毕竟空气是完全透明的。但是很快天上的云层里就会有一个像鼻子一样的漏斗云柱开始往地面延伸。随着空气旋转速度的加快。会从地面上吸起大量的泥土和砖头瓦块之类的碎颗粒。于是你就看见从地面附近升起一股烟。和天上伸下来的象鼻子汇合，最后就形成了一个通天通地的龙卷风。这个过程我们说起来简单，但是实际上龙卷风的成因是非常复杂的。靠近地面的风速往往比较慢，高空的风速往往会比较快，方向也不一定是一致的。这种情况叫做风切变。所以靠近地面的气流实际上呈现出“卷地毯”的模式，一路是打着滚着往前走，一边滚动，一边还扭七扭八的。科学家们根据探测器采集到的数据，用超级计算机模拟了一个龙卷风。正因为是在计算机里面模拟计算的，所以我们能够通过图像看到每一个细节。我们可以清晰的看到周围的空气是怎么样拧成一个麻花一样，补充到龙卷风的中心。我们看到的超级龙卷风的那个巨大的管子，实际上内部的空气也是像一根一根的麻花辫一样，分成好几股，然后再扭在一起。所以一个强烈的雷雨，产生的龙卷风还不一定是一个，有可能同时产生了好几个，最后这些龙卷风全部汇合在一起，拧成了一个超大号的龙卷风。里面自然是乱七八糟的。有上升就会有下降，高空的冷空气实际上是从龙卷风的周围落下来。因为比较分散，从图像上看就有点像下雨，实际上龙卷风也往往伴随着倾盆大雨，不下雨叫哪门子雷雨云嘛？相比之下，我国发生龙卷风的概率就低多了，只有美国的10%吧，而且也不像美国动辄就是EF5级龙卷风。一般都是EF0级，这次从化的EF2级就已经算是大的了。说到龙卷风的定级，就不得不谈到一个日裔美国气象学家藤田哲也。这个藤田出生在1920年，家乡是九州的小仓，要不说藤田哲也命大呢。本来1945年，美国人已经在广岛扔了一颗原子弹了，要日本人投降，结果日本高层没啥反应。美国人一看，不行啊，再扔一颗吧。结果就派遣B29轰炸机直奔当时预定的目标，九州岛的小仓，要是这颗代号胖子的原子弹真的在小仓爆炸，藤田君肯定是活不成啦。结果，这天小仓上空云太多了，B29轰炸机一拐弯奔着长崎去了，后来嘛，长崎挨了一颗原子弹。
当时的日本政府都懵了，不知道美国人有几颗原子弹。藤田哲也是学气象的，他也跟着调查组去了长崎。经过他的研究，长崎的惨状是一颗巨型炸弹在100米空中爆炸引起的后果，这次调查对他日后的科学研究多多少少是有影响的。战后嘛，藤田写了一篇对雷暴微观分析研究论文，然后把这篇文章寄给了芝加哥大学气象系的拜尔斯。这拜尔斯参与创建了芝加哥大学气象系，而且还参与过第一次人工降雨实验。而且他对雷暴很有研究，他对藤田哲也的文章印象很深刻，于是就邀请藤田到美国来。在1953年，藤田就跑到芝加哥大学当教授去了。理论上，他也算是芝加哥学派的一员吧。日本人嘛，工作特别的勤恳特别努力，所以当时学生在背后都叫他“超级藤田”，当然这都是私下里叫的。藤田对1957年在北达科他州的法戈地区爆发的龙卷风进行了非常细致的研究，这个研究成了中尺度分析中的经典。我们说的这个中尺度，主要是指比天气气象学的大陆尺度小，也比数值计算机模型的分辨率小的风暴，这是个新领域。
藤田哲也 1971年，他和妻子藤田纯子一起，根据风速和破坏力对龙卷风的强度进行分类。这就是著名的“藤田级数”。这时候，大家都不管他叫“超级藤田”了，改叫他“龙卷风先生”。藤田级数一般都用F来标识，当一个龙卷风的强度达到F5级，就已经很不得了了。后来大家改用增强型藤田级数来表示龙卷风强度，也就是我们常见的EF级数。比如佛山的这次龙卷风就是EF1级的。用藤田的名字来命名也算是对藤田两口子的肯定。
同型号的波音727-200 1975年的7月24日，美国东方航空的66号航班正从新奥尔良飞往纽约肯尼迪国际机场。当时纽约地区有雷雨，下午4点多，这架波音727客机准备降落。当时的风不大，能见度很差，需要使用仪表盲降，不过呢，反正前面就是机场跑道，应该问题不大。就在这架727客机对准跑道准别降落的时候，突然之间来了一阵狂风暴雨，本来飞机降落，机头都是略略上翘的，这倒好，飞机就像是被一股巨大的力量砸了一下，突然头一低，直接砸向地面。结果，这架飞机在距离跑道只有800米地方摔成了个大火球。飞机上124人，只有11人生还。这次事故成了那年最严重的一次空难。后来，国家航空安全委员会得出的结论是机组明知气候恶劣，依然选择降落，塔台也没有坚决制止，他们都有责任。但是，还是有人觉得奇怪，为什么飞机会砸向地面，事故调查结果是飞机遇上了强雷暴导致的逆风，而且还有很强的风切变。但是这不足以解释66号航班遇到的情况。坠毁地点就在跑到尽头不远处最终大家找到了藤田，希望他能解开这个谜团。藤田看了很多照片，他想起了以前看到的一些奇怪现象。1974年4月美国遭遇了一场龙卷风风灾，席卷了中西部11个州。有些情况下，树木都被连根拔起，但是按理说龙卷风是旋风，是高速旋转的气流，树木的倒向应该排列成一个螺旋形。但是藤田看到，有些地方出现了放射形。树冠冲外，树根冲里。这是怎么回事呢？如来神掌拍出来的？不会吧。藤田回忆起30年前，他在日本查看长崎原子弹爆炸现场的情景。各种痕迹都是指向爆心的。原子弹的强大爆炸造成了冲击气流，留下了这些痕迹。藤田来了灵感，他觉得66号客机遭遇的天气现象是一种前所未见的情况，气流就像是爆炸一样，从中心向四周扩散。
藤田在做实验 从1975年圣诞节开始，他开始分析那天的各种气象数据。雷达图、卫星云图、传统绘制的天气图。等搜集的资料他全看了。到了1976年的3月份，他拿出了一个推测结果。他认定66号航班遭遇了一种前所未见的雷暴新特征，叫做“下击暴流”。说起来道理很简单，一股干冷空气窜进了正在发展的雷雨云之中，和潮湿的空气相遇，变成了又冷又湿的空气，这种空气特别重。下边的热空气轻，上边的冷空气重，上边的冷空气很有可能会找个薄弱环节漏下去。就像水龙头放水一样，一股冷空气柱子就砸下去了。到了近地面附近冷空气炸开，流向四面八方。这个过程有点像龙卷风上下颠倒过来，只是不拧麻花不旋转罢了。藤田判断，当时在这块巨大的雷暴云里，出现了好几股下击暴流。每一股都不宽，飞机要是运气好，从空隙里钻过去，那就问题不大，你要是从中间穿过去，就跟直接走进瀑布的效果差不多，直接被气流给往地下砸。66号航班就是吃了这亏嘛。当然，在气象学界，大家都是半信半疑，是不是藤田把以前司空见惯的下沉流现象当成新现象了呢？这可不一定哦。但是广大飞行员觉得藤田的说法有道理，因为他们有切身感受。有时候他们穿过某些风不大。雨也不算大的地区就曾经被突然砸了一下。就在那个时代，平均每18个月就会有一架飞机因为风切变而坠毁。所以大家都很头痛，也搞不清楚这到底是怎么一回事。到了1978年的5月29日，藤田和威尔逊在伊利诺伊州的约克威尔附近从多普勒雷达上第一次观察到了微下击暴流。说是叫微下击暴流，其实一点都不好惹，只是范围小，但是下砸的风速一点都不慢。有三台多普勒雷达在芝加哥周围摆成了一个三角形。1978年的整个夏天，他们探测到50个微下击暴流。原本藤田他们估计，下击暴流很罕见，为了广撒网，他们的探测网络范围太大了，以至于分辨率不够。所以航空部门看气象数据以后，还是有点将信将疑。1982年，藤田和其他科学家们在丹佛机场周围布置了更加稠密的多普勒雷达。这一次，他们抓到186个微下击暴流。这说明这种现象不仅存在，而且很常见。
微下击暴流示意图 微下击暴流的直径在4公里以下，这是藤田定下的标准，再大的就叫巨暴流。下击暴流对处于起降阶段的飞机特别危险。你想啊，下击暴流是一股冷空气柱直接砸向地面，近地面附近，气流向四面八方扩散。飞机飞到这儿，猛地被砸了一下，高度立刻就降低了一大截。这还不算完，飞机高度下降了，在往前飞，恰好飞进了下击暴流扩散向四面八方的水平气流里，飞机就变成顺风飞行，顺风飞行，导致机翼和空气的相对速度大大下降，升力也就大大下降，飞行员这时候拼命想把飞机拉起来，飞机都力不从心，结果就被拍在地上了，美国东方航空的66号班机就是这么坠毁的。1983年，一个强下击暴流袭击了安德鲁斯空军基地，速度达到了240公里/小时，这是观察到的最强的一个下击暴流。安德鲁斯空军基地可是美国总统空军一号座机的专用机场。好在里根总统在6分钟以前降落了，不然就悲剧啦，好险啊。1985年，一家洛克希德L1011客机遭遇下击暴流，在达拉斯机场坠毁，死亡137人。从此各家航空公司都学乖了，加强对飞行员应对下击暴流的培训。另一方面，机场气象部门加大检测力度，空气无法被看见，但是用雷达可以监视空气之中的水滴，形成回波信号，这就是气象雷达的而基本原理。
还记得2015年6月1日的东方之星号翻覆事故吗？当时湖北监利县长江水域遭遇了暴风雨袭击。现在专家得出的结论就是东方之星号遭遇了下击暴流，瞬间风速达到了每小时110公里，船一下就被吹翻了，造成了重大灾难事故。尽管现在还经常出现因为下击暴流造成的事故，但是毕竟比以前少了好多。人类总是吃了大亏才长记性。如果不是藤田发现了下击暴流，人类还不知道要遭受多大损失呢。所以，藤田也算是为人类做出了巨大的贡献。1998年，藤田在芝加哥的家中去世了，享年78岁。有些灾难是瞬间发生，瞬间结束的，快得让人无法应对。但是有些事却是非常缓慢的，甚至缓慢的让你感觉不到危险的来临，下次我们就讲讲气候变化。这里面还有我们中国人的贡献呢。我们下次再说。
|
