为什么预测龙卷风将袭击哪里仍然很难 _龙卷风

2011年6月20日，来自龙卷风超级单体的龙卷风从内布拉斯加州约克以西的南部接近。图片来源：Mike Hollingshead/盖蒂图片社
据《对话》（克里斯·诺沃塔尔斯基）：气象学家开始警告说，在2025年3月龙卷风席卷美国东南部和中部的一天前，可能会出现极其危险的风暴。但是，准确确定龙卷风将在哪里登陆——就像3月14日和15日袭击印第安纳州、密苏里州、阿肯色州、密西西比州和阿拉巴马州等州的龙卷风一样——在很大程度上仍然依赖于雷达上看到风暴的发展。大气科学家Chris Nowotarski解释了为什么以及预测技术是如何改进的。
为什么龙卷风仍然如此难以预测？
气象学家在预测更有可能发生龙卷风的条件方面已经做得更好了。但准确预测哪些雷暴会产生龙卷风以及何时会产生龙卷风更为困难，这也是当今许多恶劣天气研究的重点。
通常，在一个看起来有利于龙卷风的环境中，你会遇到一系列雷暴，一场风暴可能会产生龙卷风，但其他风暴不会。
它们之间的差异可能是由于气象变量的微小差异，而我们目前的观测网络或计算机模型无法解决这些差异。即使是陆地表面条件的变化——田野、森林地区或城市环境——也可能影响龙卷风的形成。风暴环境中的这些微小变化会对风暴内部的过程产生重大影响，从而形成或破坏龙卷风。
雷暴是否产生龙卷风的最强预测因素之一与垂直风切变有关，垂直风切变是指风在大气中如何随着高度而改变方向或速度。
风切变如何与风暴中的雨冷空气相互作用，我们称之为“外流”，以及降水蒸发量如何，都会影响龙卷风的形成。如果你曾经经历过雷暴，你就会知道，就在开始下雨之前，你经常会从风暴中吹出一股冷空气。冷空气外流的特征对于龙卷风是否会形成很重要，因为龙卷风通常在风暴的较冷部分形成。
你能提前多久知道龙卷风的规模和强度？
绝大多数猛烈的龙卷风都是由超级单体形成的，这是一种具有深旋转上升气流的雷暴，称为“中气旋” 。垂直风切变可以使风暴的中层旋转，而中气旋的向上吸力可以增强风暴外流内的旋转，形成龙卷风。
如果雷达上有一个超级单体，并且它在地面上有很强的旋转，这通常是龙卷风的前兆。一些研究表明，与其他风暴相比，更宽的中气旋更有可能产生更强、更持久的龙卷风。
预报员还查看了风暴的环境条件——温度、湿度和风切变。这些提供了更多的线索，表明风暴可能会产生严重的龙卷风。
近几十年来，由于多普勒雷达、改进的建模和对风暴环境的更好理解，触发警报的龙卷风比例有所增加。从2003年到2017年，大约87%的致命龙卷风都有预警。
警告的准备时间也有所改善。一般来说，现在大约需要10到15分钟。这是足够的时间去你的地下室，或者，如果你在拖车停车场或外面，找到一个安全的设施。并不是每一场风暴都有那么长的准备时间，所以快速找到避难所很重要。
研究人员对未来有助于保护生命的龙卷风有何了解？
如果你回想一下电影《龙卷风》，在20世纪90年代初，我们开始对龙卷风进行更多的实地研究。我们用卡车取出雷达，驾驶装有车顶仪器的车辆进入风暴。就在那时，我们真正开始理解我们所说的风暴尺度过程——风暴本身的内部条件，外流中温度和湿度的变化如何影响龙卷风的可能性。
不过，科学家们无法发射气象气球或向每一场风暴发送仪器。因此，我们还使用计算机模拟风暴，以了解内部发生的情况。通常，我们会运行几个模型，称为集成。例如，如果10个模型中有9个产生龙卷风，我们知道风暴很有可能产生龙卷风。
国家强风暴实验室最近一直在试验基于这些模型的龙卷风预警，称为预报预警，以增加龙卷风预警的准备时间。
还有很多其他的研究领域。例如，为了更好地理解风暴是如何形成的，我做了很多理想化的计算机建模。为此，我使用了一个具有简化风暴环境的模型，并对环境进行了小幅更改，以了解这如何改变风暴本身的物理特性。
在风暴追逐中也有新的工具。无人机的使用出现了爆炸式增长——科学家们正在将传感器安装到无人机上，并让它们飞到风暴附近，有时甚至飞到风暴中。
龙卷风研究的重点也从传统的“龙卷风小巷”大平原转移到了东南部。
东南部的龙卷风有什么不同？
与大平原相比，东南部对风暴的影响有所不同。东南部有更多的树木和更多样化的地形，而且由于靠近墨西哥湾，大气中的水分也更多。东南部的死亡人数也往往更多，因为更多的龙卷风是在夜间形成的。

一张1986年至2015年严重龙卷风天数的地图显示，东南部有大量龙卷风。美国国家海洋和大气管理局风暴预报中心
我们倾向于在东南部看到更多的龙卷风，这些龙卷风呈雷暴线，被称为“准线性对流系统” 。在这些风暴中导致龙卷风的过程可能不同，科学家们正在对此进行更多的研究。
一些研究还表明，龙卷风的气候开始向东南方向转变。不过，很难将风暴的增加与发现更多龙卷风的更好技术区分开来。因此，需要更多的研究。
这篇文章最初发表于2023年3月28日，现已更新为2025年3月中西部和南部的龙卷风。