——佛山市龍卷風(fēng)研究中心李兆明博士談龍卷災(zāi)情調(diào)查"/>
■ 侯美亭
【編者語】
2019年7月遼寧鐵嶺市開原遭受龍卷風(fēng)襲擊,災(zāi)后及時(shí)的災(zāi)情調(diào)查對于此次龍卷的定級起到了非常重要的作用。本刊針對我國龍卷災(zāi)情調(diào)查、災(zāi)調(diào)對于災(zāi)情預(yù)警的意義、觀測手段的進(jìn)步等問題采訪了佛山市龍卷風(fēng)研究中心李兆明博士。
侯美亭:請介紹龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流天氣災(zāi)情調(diào)查的目的、國內(nèi)外現(xiàn)狀?觀測平臺(tái)(如無人機(jī)、衛(wèi)星技術(shù)等)的進(jìn)步如何影響著災(zāi)調(diào)發(fā)展歷程?
李兆明:對龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流天氣進(jìn)行及時(shí)的災(zāi)情調(diào)查,有助于第一時(shí)間確定災(zāi)害類型和受災(zāi)程度。通過現(xiàn)場災(zāi)情調(diào)查,獲取強(qiáng)對流天氣發(fā)生的視頻、照片資料,了解目擊者對強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)聲音、天氣現(xiàn)象、時(shí)間等的描述,航拍受災(zāi)情況,科學(xué)還原強(qiáng)對流發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、路徑以及災(zāi)害情況等,為龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流天氣研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)資料;收集龍卷個(gè)例,分析發(fā)生龍卷時(shí)的不同天氣背景及雷達(dá)監(jiān)測特征,建立科學(xué)詳實(shí)的龍卷個(gè)例庫;了解致災(zāi)原因,尤其是造成人員傷亡的情況,為提升防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供參考依據(jù)。
圖1 本刊編輯采訪李兆明博士(右二)
信息框1:2019年我國龍卷事件發(fā)生情況
2019年我國可確認(rèn)的龍卷天氣過程有8次、共9個(gè)龍卷,龍卷數(shù)量較2004—2013年的年平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果是屬于偏少年景,龍卷發(fā)生時(shí)間集中在4—8月,其中8月最多。2個(gè)為臺(tái)風(fēng)龍卷,其他為西風(fēng)帶龍卷,臺(tái)風(fēng)龍卷個(gè)數(shù)比常年偏少,可能與2019年是厄爾尼諾年,生成和登陸我國的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)比常年偏少相關(guān)。
目前,美國和歐洲大部分國家已經(jīng)建立了國家(或區(qū)域)龍卷風(fēng)數(shù)據(jù)庫。美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)和風(fēng)暴預(yù)測中心(SPC)共同建立了國家級龍卷風(fēng)數(shù)據(jù)庫風(fēng)暴事件數(shù)據(jù)庫,涵蓋了美國1950年至今的龍卷風(fēng)數(shù)據(jù)。歐洲強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(ESSL)于2006年建立了歐洲強(qiáng)天氣數(shù)據(jù)庫(ESWD)。中國氣象局國家氣候中心于2008年開始建立中國龍卷風(fēng)災(zāi)情普查數(shù)據(jù)庫,截止目前收集整理了1984以來的中國龍卷風(fēng)災(zāi)情。
借助于觀測平臺(tái),有助于準(zhǔn)確判斷龍卷發(fā)生時(shí)間與影響范圍,尤其是近年來無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,對災(zāi)害現(xiàn)場的全方位立體觀測并進(jìn)行災(zāi)后三維重建,準(zhǔn)確評估受災(zāi)情況,為防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)(鏈接1)。
侯美亭:請簡要介紹佛山龍卷風(fēng)災(zāi)害調(diào)查方面的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的建立和形成過程?并對調(diào)查規(guī)范進(jìn)行簡要概述?另外,國際上是否也已經(jīng)建立了有關(guān)的災(zāi)調(diào)規(guī)范,如有的話,請進(jìn)行對比。
李兆明:2013年龍卷風(fēng)研究中心成立后,主要工作包括:強(qiáng)對流監(jiān)測設(shè)備的建設(shè);臺(tái)風(fēng)外圍龍卷特征研究;龍卷報(bào)料機(jī)制及災(zāi)情調(diào)查規(guī)范的制定等。2015年10月4日臺(tái)風(fēng)彩虹龍卷襲擊佛山,影響時(shí)間32 min、路徑長度31.7 km,23個(gè)鎮(zhèn)(街)受災(zāi),造成死亡4人,受傷95人,受災(zāi)人口超過4.2萬,龍卷中心及局里科研業(yè)務(wù)人員都參與了此次龍卷的災(zāi)情調(diào)查,親身感受當(dāng)時(shí)受災(zāi)情況,分析不同災(zāi)情指示物的受損程度,從現(xiàn)場目擊者、互聯(lián)網(wǎng)、公安部門等不同渠道搜集災(zāi)情信息,逐步整理災(zāi)害調(diào)查技術(shù)文檔,2017年制定了《佛山市龍卷與雷暴大風(fēng)災(zāi)情調(diào)查技術(shù)手冊(試行)》。近4年龍卷中心參加了國內(nèi)、省內(nèi)40多次龍卷風(fēng)等風(fēng)災(zāi)災(zāi)害調(diào)查(信息框1),在實(shí)際的龍卷等風(fēng)災(zāi)調(diào)查中逐步修訂技術(shù)手冊,形成比較完備的龍卷災(zāi)情調(diào)查制度。龍卷災(zāi)情調(diào)查制度確保第一時(shí)間奔赴受災(zāi)現(xiàn)場,盡可能完整地收集龍卷風(fēng)的災(zāi)情信息,建立完善龍卷風(fēng)資料庫,主要包括災(zāi)調(diào)前期無人機(jī)等設(shè)備的準(zhǔn)備與聯(lián)系受災(zāi)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T,災(zāi)情現(xiàn)場嚴(yán)格按照《佛山市龍卷與雷暴大風(fēng)災(zāi)情調(diào)查技術(shù)手冊(試行)》全面收集龍卷災(zāi)情信息,災(zāi)調(diào)完成后對此次過程的分析。
侯美亭:請以2019年開原龍卷風(fēng)災(zāi)調(diào)為例,以示意圖的形式給出龍卷風(fēng)災(zāi)害調(diào)查的完整過程。
李兆明:2019年7月3日遼寧鐵嶺市開原遭受龍卷風(fēng)襲擊,造成7人死亡,190人受傷。7月4日到6日,佛山市龍卷風(fēng)研究中心隨同國家氣象中心、遼寧省氣象局、鐵嶺市氣象局、開原市氣象局等聯(lián)合開展龍卷災(zāi)害調(diào)查,通過無人機(jī)航拍、現(xiàn)場勘查取證、影像資料收集、現(xiàn)場走訪等方式,結(jié)合多種氣象數(shù)據(jù)綜合分析研判,此次龍卷始發(fā)于金溝子鎮(zhèn)金英村北約1 km處,在瓜臺(tái)子村南約1.8 km處消散,全程直線距離約14 km,大部分路徑明顯破壞寬度約200~400 m,嚴(yán)重破壞寬度約50~100 m,最大破壞強(qiáng)度達(dá)EF4級、行標(biāo)四級,屬于超強(qiáng)龍卷。此次龍卷風(fēng)災(zāi)害調(diào)查的完整過程如圖2所示。
圖2 龍卷災(zāi)害調(diào)查流程圖
侯美亭:請對災(zāi)調(diào)指示物進(jìn)行介紹,如何選取和判定災(zāi)調(diào)指示物,災(zāi)調(diào)指示物對于龍卷風(fēng)定級具有什么意義?龍卷風(fēng)路徑及外圍的氣象變量具有怎樣的特征?龍卷風(fēng)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域有無氣象數(shù)據(jù)(比如來自自動(dòng)站的數(shù)據(jù))對于災(zāi)調(diào)具有怎樣的意義?
李兆明:災(zāi)情指示物是指對評估龍卷等造成破壞程度有指示作用的物體。20世紀(jì)70—80年代Fujita根據(jù)龍卷路徑上建筑物的受損程度及其與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系將龍卷分為6個(gè)等級,從F0級到F5級,即“藤田級別”(F-Scale),此后藤田級別法得到廣泛的應(yīng)用。2007年美國氣象局對藤田級別進(jìn)行了調(diào)整,新增了28種災(zāi)情指示物,如不同結(jié)構(gòu)、不同建材、不同高度的建筑物,電線架,塔架,硬木,軟木等,形成國際慣用的龍卷強(qiáng)度等級(EF-Scale)。2019年8月份中國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《龍卷強(qiáng)度等級》開始實(shí)施,將龍卷強(qiáng)度分為4個(gè)等級,選取的災(zāi)情指示物主要為建筑物類、構(gòu)筑物類與樹木類等。
侯美亭:高質(zhì)量的災(zāi)調(diào)面臨什么樣的科學(xué)問題?或者說,完成一次高質(zhì)量的災(zāi)調(diào)需要做好哪些準(zhǔn)備,需要對哪些方面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查?另外,我們了解到,無人機(jī)可能是目前重要的災(zāi)調(diào)裝備之一,而無人機(jī)的續(xù)航能力可能是無人機(jī)正常工作的主要限制因子,對于這個(gè)問題,請問有無好的解決方法?
李兆明:災(zāi)情調(diào)查為科學(xué)評估受災(zāi)情況、檢驗(yàn)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)效益以及服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)等方面提供依據(jù)。災(zāi)情調(diào)查評估內(nèi)容(信息框2)應(yīng)當(dāng)包括氣象災(zāi)害情況及其強(qiáng)度、出現(xiàn)災(zāi)害的原因(包括對氣候條件的科學(xué)估計(jì))、預(yù)報(bào)服務(wù)的有效性和存在的問題以及災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)的氣象建議等。完成災(zāi)情調(diào)查需要了解天氣形勢,雷達(dá)監(jiān)測實(shí)況,根據(jù)雷達(dá)上強(qiáng)回波或中氣旋位置大概確定龍卷可能發(fā)生的時(shí)間路徑等,在災(zāi)調(diào)現(xiàn)場盡可能采訪更多目擊者獲取視頻照片資料,詳細(xì)記錄災(zāi)調(diào)路徑上的災(zāi)情指示物確定每階段的強(qiáng)度等級影響范圍等,利用無人機(jī)進(jìn)行全方位的航拍是記錄受災(zāi)情況最主要的方式,無人機(jī)電池是無人機(jī)正常工作的關(guān)鍵部件,有時(shí)候會(huì)對航拍起到至關(guān)重要的作用,2016年6月23日江蘇鹽城龍卷時(shí),由于我們攜帶足夠的無人機(jī)電池,完成了從起點(diǎn)到終點(diǎn)的全程航拍,為調(diào)查組提供第一手的航拍資料,也為科學(xué)評估此次龍卷災(zāi)害提供依據(jù)。
信息框2:龍卷現(xiàn)場災(zāi)情調(diào)查的內(nèi)容及難點(diǎn)
龍卷現(xiàn)場災(zāi)情調(diào)查是確定龍卷強(qiáng)度等級的主要手段,災(zāi)情調(diào)查中一般分為兩組:(1)航拍組,主要通過無人機(jī)對受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行全方位航拍,在此基礎(chǔ)上確定龍卷路徑長度、不同等級破壞范圍,細(xì)致調(diào)查不同災(zāi)害指示物受損情況,確定路徑上每個(gè)階段的最強(qiáng)破壞指示物特征、位置、影響范圍等;(2)現(xiàn)場走訪組,主要向民眾了解龍卷經(jīng)過當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間、描述當(dāng)時(shí)情景,了解致災(zāi)原因,預(yù)報(bào)預(yù)警信息獲取情況,防災(zāi)減災(zāi)情況等。獲取龍卷相關(guān)的視頻資料存在難度,視頻資料是證明龍卷發(fā)生的最確切的資料,由于龍卷突發(fā)性強(qiáng),可能伴隨著強(qiáng)烈的天氣過程,當(dāng)?shù)鼐用窈茈y拍攝到龍卷視頻;龍卷發(fā)生的具體時(shí)間不清晰,少數(shù)龍卷發(fā)生在凌晨,很難獲得龍卷發(fā)生時(shí)的確定信息。
侯美亭:湍流遇到熱和水汽的夾擊可引發(fā)極端天氣,例如龍卷風(fēng)?,F(xiàn)在對極端天氣(例如極端溫度、極端降水事件)的預(yù)測有了很大進(jìn)步,但是龍卷風(fēng)的預(yù)測難度相比更大,因此也產(chǎn)生了更具災(zāi)難性的影響。請問,相比極端溫度和降水,龍卷風(fēng)預(yù)測的難度主要體現(xiàn)在哪些方面?
李兆明:美國龍卷風(fēng)出現(xiàn)頻率高、危害大,在龍卷風(fēng)研究領(lǐng)域也起步較早,其已開展了一系列大型外場觀測試驗(yàn),深入研究龍卷風(fēng)的機(jī)理問題,在龍卷風(fēng)理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬以及數(shù)值模式開發(fā)方面有不少進(jìn)展,其龍卷風(fēng)觀測設(shè)備也不斷發(fā)展和改進(jìn)。然而,龍卷風(fēng)在美國也難以預(yù)測,龍卷預(yù)警空報(bào)率和漏報(bào)率仍較高。在中國,龍卷預(yù)測更難,體現(xiàn)在:1)中國龍卷發(fā)生次數(shù)不到美國十分之一,屬于小尺度天氣系統(tǒng)或者小概率事件,時(shí)間、空間隨機(jī)性較強(qiáng),我國對龍卷的研究還處于起步階段,對其形成機(jī)理研究還不深入,目前,我國還未開展龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù),僅處于試驗(yàn)階段(信息框3)。2)龍卷風(fēng)尺度小、發(fā)展迅速,且經(jīng)常伴隨暴雨、冰雹、雷暴等災(zāi)害性天氣發(fā)生,常規(guī)觀測設(shè)備難以對龍卷生消進(jìn)行觀測。3)預(yù)報(bào)員對龍卷等小概率發(fā)生的災(zāi)害性天氣認(rèn)識(shí)不足。4)國內(nèi)龍卷觀測的志愿者、追風(fēng)者等參與度低。
侯美亭:地形被認(rèn)為是龍卷產(chǎn)生的重要影響因子之一。在美國中西部,位于落基山脈和阿巴拉契亞山脈之間的平坦而廣闊的區(qū)域是著名的“龍卷風(fēng)走廊”。在我國,龍卷高發(fā)的區(qū)域是否也存在類似的地形特征,或者說,我國龍卷高發(fā)的區(qū)域存在哪些相似或者各自獨(dú)有的特征?對于不同區(qū)域的龍卷災(zāi)害調(diào)查,是否在調(diào)查內(nèi)容、數(shù)據(jù)收集上存在一些不同?
李兆明:許多研究表明龍卷發(fā)生與地形有密切關(guān)系,通過我們對廣東省各市的龍卷歷史個(gè)例調(diào)查分析,除了地形平坦外,江河湖泊、沿海等地區(qū)對強(qiáng)龍卷生成也有一定的促進(jìn)作用,特別是喇叭口地形容易生成強(qiáng)對流天氣,也能促發(fā)龍卷的生成。江淮流域、華南、東北和華北地區(qū)東南部等地形平坦地區(qū)為EF2級以上強(qiáng)龍卷高發(fā)區(qū)。通過對廣東省各市的龍卷歷史個(gè)例調(diào)查分析也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。
不同區(qū)域的龍卷災(zāi)情調(diào)查,常見的災(zāi)情指示物及破壞特征有差異,比如北方龍卷災(zāi)害多以房屋受損、樹木折斷等為主,南方多以鐵皮廠房被掀翻、鐵皮被撕碎等為主,另外引發(fā)龍卷發(fā)生的天氣系統(tǒng)也不同。
信息框3:佛山龍卷風(fēng)的“一張圖”意識(shí)
為了進(jìn)一步強(qiáng)化佛山預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)支撐,提升佛山龍卷等致災(zāi)性雷暴大風(fēng)的監(jiān)測能力,預(yù)警發(fā)布能力、預(yù)警傳播能力,使佛山龍卷等致災(zāi)性雷暴大風(fēng)的預(yù)警信息發(fā)布更加精準(zhǔn)、更快速,進(jìn)一步提升防災(zāi)減災(zāi)水平,根據(jù)2017年初中國氣象局減災(zāi)司批復(fù)同意廣東佛山開展龍卷等致災(zāi)性雷暴大風(fēng)的群策群防預(yù)警服務(wù)和聯(lián)防機(jī)制試點(diǎn)建設(shè)實(shí)施方案的要求,從2017年開始,佛山市氣象局持續(xù)開發(fā)并升級佛山市龍卷風(fēng)及雷雨大風(fēng)等災(zāi)害預(yù)警信息靶向發(fā)布系統(tǒng)(以下簡稱靶向發(fā)布系統(tǒng))建設(shè)和全市鐵皮屋和工棚等易受風(fēng)災(zāi)影響建筑物普查工作。
靶向發(fā)布系統(tǒng)的開發(fā)依托了研究型業(yè)務(wù)建設(shè),在廣東省重點(diǎn)科技項(xiàng)目《廣東龍卷風(fēng)識(shí)別與預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究》支持下,融合了天氣實(shí)況監(jiān)測、龍卷風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、公眾實(shí)時(shí)報(bào)料等研判輔助數(shù)據(jù),方便龍卷風(fēng)及雷雨大風(fēng)的快速判斷,融入了民政、三防、公安、國土、環(huán)保、電力、交通、海事等多個(gè)部門的設(shè)施信息,方便應(yīng)急物資和救援力量的快速指揮調(diào)度,融入了鐵皮屋和工棚、電力設(shè)施、學(xué)校、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、?;菲髽I(yè)等易受氣象災(zāi)害影響主體的責(zé)任人信息,方便預(yù)警信息的快速靶向精準(zhǔn)發(fā)布。系統(tǒng)還建立了龍卷風(fēng)個(gè)例庫。
靶向發(fā)布系統(tǒng)的建設(shè)大大增強(qiáng)了佛山市氣象局的強(qiáng)對流天氣預(yù)警發(fā)布能力,在2018年兩次龍卷過程中發(fā)揮了重要作用,其中在2018年6月8日臺(tái)風(fēng)“艾云妮”影響期間,首次利用系統(tǒng)成功發(fā)布了龍卷警報(bào),在2018年9月17日,臺(tái)風(fēng)“山竹”影響期間,再次利用系統(tǒng)精準(zhǔn)靶向發(fā)布。
侯美亭:請對佛山龍卷風(fēng)研究中心建立的龍卷風(fēng)檔案卷宗情況及建檔意義進(jìn)行介紹?
李兆明:佛山市氣象局2016—2019年共參加了40次龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)的災(zāi)情調(diào)查工作,每次災(zāi)調(diào)按照災(zāi)調(diào)準(zhǔn)備、現(xiàn)場災(zāi)調(diào)以及災(zāi)調(diào)分析三個(gè)步驟進(jìn)行,最后確定風(fēng)災(zāi)類型和強(qiáng)度,形成年度災(zāi)情調(diào)查檔案,對于龍卷風(fēng)的個(gè)例,錄入龍卷風(fēng)個(gè)例庫,為龍卷等強(qiáng)對流的研究累積個(gè)例數(shù)據(jù)。
侯美亭:每年春夏,美國沿著“龍卷風(fēng)走廊”追風(fēng)的志愿者人數(shù)眾多,請簡要介紹一下美國的追風(fēng)志愿者的形成過程及對龍卷風(fēng)預(yù)警具有怎樣的幫助。相比美國,我國的追風(fēng)志愿者隊(duì)伍尚不成熟,那么美國的追風(fēng)志愿者對于我國構(gòu)建類似的隊(duì)伍具有哪些啟示?
李兆明:美國國家氣象局在20世紀(jì)70年代開展志愿者項(xiàng)目——SKYWARN計(jì)劃,到目前為止約有35萬~40萬名訓(xùn)練有素的強(qiáng)對流天氣觀察員參與其中,主要職責(zé)是識(shí)別和描述局地的強(qiáng)風(fēng)暴,并向當(dāng)?shù)貧庀缶?、?yīng)急管理者和新聞媒體提供及時(shí)準(zhǔn)確的強(qiáng)對流天氣報(bào)告,為氣象部門及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)布龍卷風(fēng)預(yù)警、強(qiáng)雷暴預(yù)警和山洪預(yù)警提供了很大幫助。美國國家氣象局為志愿者提供以下培訓(xùn):雷暴發(fā)展的基礎(chǔ);風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的基本原理;識(shí)別潛在的惡劣天氣特征;報(bào)告哪些信息;如何報(bào)告信息以及惡劣天氣安全基本常識(shí)等。龍卷的突發(fā)性和尺度小,常規(guī)氣象觀測儀器難以捕捉,追風(fēng)志愿者為龍卷的發(fā)生、發(fā)展提供了可靠實(shí)用的觀測實(shí)況,為龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù),是我國發(fā)展的趨勢。
侯美亭:天氣預(yù)報(bào)能力的進(jìn)步與觀測技術(shù)的變革緊密相關(guān)(鏈接1),我們得知,佛山市龍卷風(fēng)研究中心采用陣列天氣雷達(dá),用7部相控陣天氣雷達(dá)(信息框4)來探測龍卷風(fēng)。請介紹一下相控陣陣列天氣雷達(dá)的布設(shè)時(shí)間、選址依據(jù)等。
李兆明:在省氣象局、市委市政府的大力支持下,佛山市相控陣天氣雷達(dá)網(wǎng)項(xiàng)目從2019年年初開始籌建工作,經(jīng)過規(guī)劃、選址、招投標(biāo)、項(xiàng)目施工等工作,2019年9月開始在三水區(qū)安裝第一臺(tái)相控陣天氣雷達(dá),11月初陸續(xù)在順德區(qū)和三水區(qū)安裝3部,11月中旬完成4部相控陣陣列天氣雷達(dá)布設(shè),預(yù)計(jì)2020年上半年將完成3部相控陣天氣雷達(dá)的布設(shè)。根據(jù)佛山地區(qū)的地形地貌特征和當(dāng)?shù)氐某擎?zhèn)建設(shè)規(guī)劃,嚴(yán)格按照《局地天氣雷達(dá)選址規(guī)范》的要求,重點(diǎn)考慮歷年佛山市區(qū)發(fā)生過龍卷風(fēng)的區(qū)域,綜合考慮雷達(dá)性能,確保在三維覆蓋區(qū)能達(dá)到最佳探測效果和三維覆蓋范圍最大化;充分考慮雷達(dá)站點(diǎn)供電、道路、用水、避雷、抗震等所需的建設(shè)成本投入和后期維護(hù)簡便化。綜合考慮各個(gè)站點(diǎn)的電磁環(huán)境測試和遮擋情況以及站點(diǎn)租賃等方面因素,從三十多個(gè)預(yù)選站點(diǎn)位置中擇優(yōu)選取7個(gè)站點(diǎn)位置。
信息框4:相控陣天氣雷達(dá)
目前佛山部署的X波段相控陣?yán)走_(dá)時(shí)間分辨率達(dá)到24 s、空間分辨率為30 m。相控陣天氣雷達(dá)的快速、精細(xì)掃描可以捕捉迅速發(fā)展變化的強(qiáng)對流天氣(如中氣旋、龍卷),對于監(jiān)測生命周期非常短的龍卷風(fēng)等具有更大的時(shí)空優(yōu)勢,能夠得到更加細(xì)微的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征。
波長較短的無線電波在傳播過程中會(huì)被大氣中的水汽所吸收,并且波長越短這一影響越大,無線電波的傳播距離就因此受到了影響,限制了使用這一頻段的雷達(dá)的探測距離。故與S波段雷達(dá)相比,X波段雷達(dá)衰減更快,因此需要多部組網(wǎng)觀測。
相控陣天氣雷達(dá)以及在此基礎(chǔ)上的陣列天氣雷達(dá)技術(shù),以其協(xié)同、全空域、超高分辨率的監(jiān)測為準(zhǔn)確預(yù)警提供主要的觀測支撐。
侯美亭:能否詳細(xì)談一下佛山的7部相控陣陣列天氣雷達(dá)在探測龍卷風(fēng)上有什么樣的技術(shù)優(yōu)勢(尤其是相比其他多普勒雷達(dá))、其功能如何發(fā)揮?對龍卷的早期預(yù)警能力帶來哪些方面的提升?
李兆明:隨著相控陣技術(shù)的日趨成熟,采用相控陣技術(shù)的天氣雷達(dá)可以更好地探測和跟蹤快速變化的中小尺度天氣系統(tǒng),提高對災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力,服務(wù)于氣象防災(zāi)減災(zāi)。
佛山采用的是天氣陣列雷達(dá),是一種新型分布式相控陣天氣雷達(dá)。該陣列雷達(dá)采用7個(gè)相控陣收發(fā)子陣進(jìn)行嚴(yán)格協(xié)同掃描,將雷達(dá)的體掃時(shí)間由目前的6 min提高到24 s,更重要的是通過高度協(xié)同可以獲得龍卷風(fēng)的精細(xì)風(fēng)場,這是一個(gè)從傳統(tǒng)的以強(qiáng)度監(jiān)測為主到流場結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)根本性轉(zhuǎn)變,將推動(dòng)龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警方法和思路的變革。將陣列雷達(dá)和傳統(tǒng)雷達(dá)有效結(jié)合,發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),形成互補(bǔ),是最大發(fā)揮雷達(dá)系統(tǒng)探測效益、提高龍卷監(jiān)測和預(yù)警的有效方法。
龍卷的預(yù)警時(shí)效一直很難提高。目前,國際上對于龍卷平均預(yù)警時(shí)效約15 min,通過縮短雷達(dá)的體掃時(shí)間,可以提高龍卷預(yù)警時(shí)效,比如將雷達(dá)體掃時(shí)間由目前的5~6 min提高到1 min甚至更短,有可能再提高龍卷預(yù)警時(shí)效0~5 min。能否進(jìn)一步提高呢?從龍卷母體風(fēng)暴到龍卷發(fā)生,流場的演變能更早的預(yù)示龍卷的出現(xiàn)。所以獲得龍卷發(fā)生前后對流風(fēng)暴精細(xì)流場是提高龍卷預(yù)警的有效途徑,因此,陣列天氣雷達(dá)提出的流場結(jié)合強(qiáng)度場的龍卷監(jiān)測預(yù)警思路,有望從根本上改善當(dāng)前的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
信息框5:火龍卷概念模型
火龍卷是一種旋轉(zhuǎn)的火柱和煙柱,其風(fēng)速可比擬真正的龍卷風(fēng),但其十分罕見極具破壞性?;瘕埦砜梢詮牡孛嫖杖缛紵脑局惖乃槠⑵渚淼胶苓h(yuǎn)的地方,從而不可預(yù)測地引發(fā)新的火災(zāi)。在空中旋轉(zhuǎn)的火龍卷可以產(chǎn)生自不同的來源,比如沿地面的風(fēng),其產(chǎn)生的漩渦是水平的,但野火產(chǎn)生的熱空氣,由于有浮力,向上流動(dòng)。火焰中燃燒的氣體使空氣升溫,從而加速向上運(yùn)動(dòng),使火焰旋轉(zhuǎn)成細(xì)長的管狀。當(dāng)漩渦變薄時(shí),它就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來,直到一個(gè)高大的、緊緊旋轉(zhuǎn)的火柱形成。
火龍卷形成機(jī)理圖(引自Scientific American)
侯美亭:請結(jié)合佛山2019年12月出現(xiàn)的林火談一下佛山出現(xiàn)火龍卷的可能性,以及氣象雷達(dá)是否具備對林火、乃至火龍卷的監(jiān)測能力?
李兆明:火龍卷是由灰燼與火焰組成的,通常是旋風(fēng)與不斷增加熱量的火焰形成龍卷風(fēng)形狀的渦旋(信息框5)。由于在火場中心釋放出大量上升的熱空氣,低氣壓使得外面的冷空氣從各個(gè)方向迅速地向火場中心涌入,這就形成了颶風(fēng)般的火風(fēng)暴。雖然火龍卷的物理特性目前已經(jīng)被很好地理解,預(yù)測其何時(shí)何地出現(xiàn)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
2019年12月佛山森林火災(zāi)發(fā)生后,我們進(jìn)行了一些災(zāi)情調(diào)查。通過這次火災(zāi),我們也進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)監(jiān)測預(yù)警體系的雷達(dá)產(chǎn)品在火災(zāi)發(fā)生初期確實(shí)能提供火災(zāi)預(yù)警信息,尤其是X波段雙偏振雷達(dá)的偏振參量為識(shí)別火災(zāi)提供有益參考,我們正在做進(jìn)一步的研究。
鏈接1:專家點(diǎn)評
廣東省氣象臺(tái)首席預(yù)報(bào)員伍志方
近年來,龍卷、下?lián)舯┝鳌?qiáng)雷暴大風(fēng)等激烈的強(qiáng)對流天氣對人民生命財(cái)產(chǎn)造成的嚴(yán)重威脅越來越受到廣泛關(guān)注,如2015年6月1日強(qiáng)颮線引發(fā)的強(qiáng)雷暴大風(fēng)使“東方之星”輪船在長江中游湖北監(jiān)利水域傾覆造成442人遇難,2016年6月23日江蘇阜寧強(qiáng)龍卷造成99人逝去、大量房屋夷為平地。隨著手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和公眾防災(zāi)意識(shí)的提高,越來越多的龍卷、冰雹等強(qiáng)對流天氣實(shí)況被拍攝并上網(wǎng),氣象部門獲得的信息來源明顯增多,但龍卷、下?lián)舯┝鞯戎聻?zāi)性大風(fēng)的強(qiáng)度、致災(zāi)路徑等僅僅依靠公眾拍攝的視頻、照片無法獲取,而現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查則可以區(qū)分龍卷、下?lián)舯┝鞯戎聻?zāi)性大風(fēng)的種類,明確其強(qiáng)度、路徑、影響范圍、時(shí)間等,結(jié)合雷達(dá)、自動(dòng)站等監(jiān)測資料,為龍卷、下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)烈的強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)制的科學(xué)研究和預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
多普勒天氣雷達(dá)是對龍卷、下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對流天氣最有效的監(jiān)測手段之一,但龍卷(或微下?lián)舯┝鳎┚哂谐叨群苄?、移速很快、對流時(shí)間很短的特點(diǎn),以目前業(yè)務(wù)上使用的多普勒天氣雷達(dá)完成一次體掃需4~6 min,難以及時(shí)捕捉到其精細(xì)的演變過程;而隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,相控陣天氣雷達(dá)被引入氣象探測領(lǐng)域。相控陣天氣雷達(dá)具有快速且精確轉(zhuǎn)換波束指向的能力,能夠在1~2 min內(nèi)完成全空域的掃描,同時(shí)獲取大量氣象信息??焖俑麦w掃數(shù)據(jù)(1~2 min間隔),可探測分析出龍卷超級單體中,中氣旋的加強(qiáng)和下降、整層旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等發(fā)展和演變的細(xì)微特征??焖俑碌南嗫仃囂鞖饫走_(dá)數(shù)據(jù)使預(yù)報(bào)員能夠快速跟蹤、判識(shí)超級單體內(nèi)中氣旋和入流的增強(qiáng)以及龍卷渦流的移動(dòng)等,有助于預(yù)報(bào)員更早發(fā)布龍卷警報(bào)。X波段相控陣?yán)走_(dá)有其固有缺陷—即衰減和監(jiān)測范圍相對較小,因此建立相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)可彌補(bǔ)單部雷達(dá)因強(qiáng)降水衰減造成的無法探測區(qū)域,同時(shí)擴(kuò)大監(jiān)測范圍。