强对流风暴研究和预报100年进步

　　作者：Harold E. Brooks（NOAA/NSSL，俄克拉荷马大学），CHARLES A. DOSWELL III（Doswell科学咨询公司），张晓玲（国家气象中心），Alexander Chernokulsky（俄罗斯科学院），Eigo Tochimoto（东京大学），Barry Hanstrum（澳大利亚气象局），Ernani de Lima Nascimento（巴西圣玛丽亚联邦大学），David M. L. Sills1（加拿大环境和气候变化部），Bogdan Antonescu2（曼彻斯特大学），Brad Barrett（美国海军学院）

　　编译：贾朋群 李婧华

　　摘要：过去一个世纪强风暴研究和预报的历史，是值得关注的故事，它包含了观测和模拟能力的技术开发、物理过程研究和预报这些现象以减少生命和财产损失之间的相互作用。或许与气象学其他领域相比，强风暴领域的研究者与预报员之间的联系尤为紧密，二者都依赖于改进的观测能力。

　　所取得的进步依赖于 100 年前还不存在的观测系统，尤其是雷达和高空系统。这些观测系统让科学家观测到风暴的行为、结构以及风暴发生所处的环境。这些改进了对过程的认识，反过来使让预报员能够利用相同的观测系统来改进预报。由于很多强风暴事件相对稀少，并具有小尺度的属性，强风暴研究者开发了移动设备观测能力，以获得风暴附近的高质量观测数据。

　　由于世界上很多地方都遭受强风暴灾害，因此研究也在全球开展，不同区域的重点取决于该区域遭受到的威胁，同时受到研究这种威胁可得到资源的限制。感兴趣的主题通常取决于单一或少量事件，特别是该区域公众或经济利益关注的。国际合作对收集和传播相关知识做出了重要贡献。

　　当AMS走过百年，与强雷暴相关的研究不断扩展。预报或预测的时间尺度在增加，出现了季节到季节内时间尺度预报研究，以及面对气候变化如何影响强雷暴等问题。这些都根植于对影响公众的天气研究，强雷暴研究目前包括了来自社会科学界的重要工作，一些作为独立的研究，另外一些是与物理学者积极合作展开。

　　此外，强调观测试验的传统重点在持续强化。改进的雷达和数值模拟能力使得气象学者能够看到和模拟半个世纪前无法观测到和理解的细节。长期以来重视收集实地观测的传统提升了观测的质量和数量，同时也改进了在之前难以抵达的地点开展观测的能力。大量这类工作因理论认知与业务实践中存在差距而得到推进。

　　1 引言

　　定义强对流风暴的组成存在很多不同。从物理视角看，对流风暴由浮力驱动。浮力决定于空气密度的差异，它带来的垂直气压梯度因重力存在而非平衡，反过来使得垂直加速生成（Doswell and Markowski 2004）。考虑到浮力可以是负的，也可以是正的，因此浮力带来的垂直加速可以向上或向下。对流风暴的要素包括：1）上升气流中含有水汽释放凝结潜热，2）存在条件静力不稳定，以及 3）存在一些使得湿空气抬升到达自由对流层（LFC）的过程。这些要素都是必须的，当湿度和不稳定性结合形成对流有效位能（CAPE）时，这些要素对于对流风暴发展是充分的。这种风暴可能生成闪电（当然还有雷），但并非总是如此。因此，一些人不用术语“雷暴”，而是选择用“深厚湿对流”（DMC）。

　　考虑到DMC的存在，下一个挑战是如何定义这类风暴的强度。在美国，正式的定义考虑到强度，DMC必须带来一个或多个以下地面天气：1）一个龙卷，2）直径>=2.5 cm（1 inch）的冰雹，3）非龙卷阵风 >=25 m s-1（50 knots）。世界上很多国家也将强降水包括进强对流天气形成判据，但有很多不同的构成强降水的阈值在使用。注意到除了龙卷，所有这些判据从数值上讲在根本上是随意的。Galway（1989）编辑了美国直到 1970 年代后期定义强对流判据的演化。这些判据在世界范围里还在变化。因此，预报员面对这样的困境，例如，区分产生2.5 cm 冰雹和产生 2.4 cm 的冰雹的风暴。尽管这样的精准性超越了目前的科学状况，但是这类风暴知识可以用于估计风暴达到或超越任意阈值的可能性。

　　从现代世界视角，想象1917年（本文语境下世纪的开始）之前的科学状态是一个挑战。尽管那时的物理学家和工程师对流体力学有了一些深入的认知，然而一个事实却是大气动力学方程因为非线性不可能有数学解。流体物理学可以应用于天气预报的挑战是由 Bjerknes（1904）提出的，Spasskii（1847）也独立阐述过。

　　预测天气的努力可以说始于水手和农夫，这些人的安全和生计如此密切地与天气相关。中纬度关注天气的人都会意识到天气系统的移动，这也带来了各种天气谚语（如，“早上红日头，水手返码头”）。天气谚语可以被认为是基于简单观察的最原始天气预报方法。气象科学在 19 世纪前基本处于停滞状态，这是因为数据不足（尤其是地面以上数据）、天气观测传播速度慢以及控制气流的方程无法给出解。到 19 世纪末和 20 世纪初，少数人开始对强对流风暴进行认真研究。一位重要的前辈是 John Park Finley（Galway 1985，附图 1），这位美国军官在 1880 年代收集龙卷报告，形成我们现在所称的气候数据库并尝试进行预报，然而遭到了上级的武断拒绝。这标志着美国天气局任何预报中，“龙卷”一词开始被禁止使用，直到 1952 年才解禁。禁令显然也让美国的龙卷研究雪上加霜，因为科学探索不可能用于实际中。令人好奇的是，Finley 的预报为一些重要的预报统计验证开发提供了案例（Murphy 1996）。

　　到了1917年时间周期结束的时，1917年成立的卑尔根气象学校梳理了那时得到的天气学知识。那一年也是Wegener（1917）发表年，这份出版物汇编了已知的历史上所有欧洲龙卷，并就此前的龙卷生成理论进行了总结，代表了那时对该问题的认识水准。因为这个原因以及其他因素，1917 年被认为是气象发展语境下世纪的开始。这个世纪突出了图 1 1876—2017 年美国因龙卷造成的百万人口死亡率。黑色点为每年的数值，红色线为平滑后数据研究和预报的交融以及新观测工具的开发和增加应用，使得研究者和预报员各自独立和合作推进领域的发展。历史上，强风暴研究一直与解决预报问题紧密联系在一起。全球也呈现了单次或少量天气相关灾害重要性的一致图像。造成大量死亡或损失的事件促进了相关类别的研究。在美国，1948 年廷克空军基地龙卷（Maddox and Crisp 1999）和与下击暴流风相关的航空事故（Fujita and Byers 1977）都使得强雷暴的研究和预报大量增加。全球存在大量这样的例子。

　　这个世纪也显示出研究与预报和国家优先领域资源匹配之间和谐与缺失带来的局限，也包括支撑国家研究和预报获得基础设施方面的问题。我们还看到全球冲突在科学进步中的作用。后者最好的一个例子是 Wegener 的故事，他在第一次世界大战初负伤，这让他有时间利用德国档案资源编辑龙卷事件表，然而他的专著因为是战时出版而无法在盟军国家传播。尽管战争为国际合作带来特别的困难，一般来说，一个国家的研究对于其他国家相对独立，直到第二次世界大战结束才开始改变。当研究者之间的距离增加时，这个问题更加严峻。例如，第二次世界大战之前在澳大利亚开展的所有工作，不可能受到北美或欧洲同行的注意。

　　2 强对流风暴科学的重要性

　　资助针对强对流风暴的抽象理论研究，源自其巨大的社会影响，无论是这类风暴带来的损失，还是当强对流风暴途径居住区时造成的人员伤亡。激烈风暴短时预报仅能减少激烈天气经济损失的一部分，但是，相对短的提示显然可以挽救人类生命。图 1 给出通过预报强对流风暴的一个特殊例子：龙卷，成功减少伤亡业务令人信服的例子。这样的结果，与研究和研究所得到结果的业务实现联系在一起，也是本文的主题。正如 Brooks and Doswell（2002）所讨论的，不可能离开改进对大气认识、交流面对的风险和社会变化的作用，但是，如果没有更好的科学信息，死亡人数数量级上的减少是不可能的。

　　3 两次世界大战之间时期

　　第一次世界大战结束时，对强对流风暴，或者至少是龙卷，最好的认识在欧洲，这一说法不无道理，而最值得关注的人是Alfred Wegener（Antonescu et al. 2019）。Wegener 前往现在是爱沙尼亚的德国，在 Dorpat 大学（现在的塔尔图大学）教书，在那里他遇见了自己的门徒Johannes Letzmann（Peterson 1992; Dotzek et al. 2005）。Letzmann 是两次世界大战之间时期龙卷研究的先行者之一。他的博士论文（Letzmann 1923）描述了龙卷近地面风场和损失（图2; Beck and Dotzek 2010）。他的后续研究（Letzmann 1925, 1928）给出龙卷研究指南（Koschmeider and Letzmann, 1939; Letzmann 1939, 1944）。虽然 Letzmann 于 1930 年代后期就指南与美国天气局进行交流，但 1939 年第二次世界大战的爆发终止了这种联系，直到 1970 年代，Letzmann 的工作在科学界实际上消失了。

　　4 二战后时代：雷达和预报开发

　　1948年3月25日，Fawbush和Miller针对廷克空军基地一周里发生的第二次龙卷发布了第一次现代龙卷预报后，美国反对预报里使用“龙卷”的态度开始改变（图 3; Maddox and Crisp 1999）。或许作做出预报的个人非常幸运，同样幸运的是他们被允许开展龙卷研究并预测事件的后果。他们随后用10年时间试图认识龙卷形成过程中的环境条件和大气态势，从而改进针对空军的预报。这个过程表征了几十年来一直在重复的情形：预报问题提出研究课题，反过来改进预报技术。

　　5 遥感和外场观测进步促进数值模拟和预报改进

　　除了Fawbush和Miller在1950年代开展的工作，来自国家气象局（NWS）风暴预测中心（SPC）和国家强风暴实验室（NSSL）的先驱于1953年开始实施国家强风暴计划，分别开展预报和研究工作。这些活动包括最早的利用飞机和雷达的专门风暴观测活动。针对风暴开展观测，同时用雷达对同一个风暴进行探测，自此成为 NSSL 的主要活动，促使之后的数十年来更大范围学者加入这些项目。1970 年代初，两座多普勒雷达协调开展龙卷雷暴观测及外场团队收集观测，能够在龙卷生成前，在钩状回波顶点附近看到母体环流，使得对母体雷暴内旋转与龙卷发展之间的关系有了更加清晰的认识（Brown et al. 1975）。这种组合观测开启了持续20 年的努力，确定雷达观测如何帮助 NWS 业务预报员在龙卷形成前发布有用的龙卷预警。特别是，外场观测试验帮助建立标准，使得 WSR-88D 多普勒雷达网被开发和在 1990 年代初在全美布设。顺便提及，两者并非同时发生，参与外场试验数据收集的主持人之一是 Robert Davies-Jones，他对于认识雷暴旋转的理论贡献一直被提及。

　　6 跨越国际边界的工作

　　与很多科学分支一样，各国强雷暴研究者开展工作相对闭塞，即使在一个国家不同地点的学者也是一样。尽管有时像Wegener和Fujita的情况，可能是外部政治强迫造成的，但更多情形是因限于费用和相互交流的技术壁垒等简单因素。20世纪上半叶出现过这样的情况，如同英国雷达到了加拿大，我们致力于学者个人旅行工作或技术共享，但并非常态。仅仅是在最近数十年，开展国际合作相当普遍，信息跨越国界共享。