預(yù)警總 “慢半拍”？龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)是全球公認(rèn)氣象難題

7月6日晚，湖北東部多地遭遇強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊。19時(shí)至23時(shí)，黃石、黃岡、鄂州、咸寧等地出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，53個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)力達(dá)8至13級(jí)，其中2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到13級(jí)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)龍卷風(fēng)。事故發(fā)生后，不少網(wǎng)友詢問(wèn)：“為什么不提前預(yù)警？”

與其他災(zāi)害性天氣相比，龍卷風(fēng)是一種少見(jiàn)的局地性、小尺度、突發(fā)性強(qiáng)的強(qiáng)對(duì)流天氣，其空間尺度很小，且生命史很短，較難被觀測(cè)捕捉和記錄。目前對(duì)龍卷風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警仍是國(guó)際上公認(rèn)的難題。

大家每天看的天氣預(yù)報(bào)

是怎么算出來(lái)的？

現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)不再是“看云識(shí)天氣”，而是一場(chǎng)“數(shù)值預(yù)報(bào)模式+AI氣象大模型+預(yù)報(bào)員綜合研判”的協(xié)同作戰(zhàn)。

在短期和中初期時(shí)效內(nèi)（1-14天），預(yù)報(bào)員經(jīng)常綜合對(duì)比各個(gè)數(shù)值模式的預(yù)報(bào)，給出最終的天氣預(yù)報(bào)結(jié)論。對(duì)于短臨預(yù)報(bào)（0–3小時(shí)），則更多依賴?yán)走_(dá)、衛(wèi)星、高密度自動(dòng)站、風(fēng)廓線等分鐘級(jí)乃至秒級(jí)更新的多源觀測(cè)資料，尤其在夏季強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)中作用更為關(guān)鍵。

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數(shù)值模式（NWP）

數(shù)值模式（NWP）是目前短中期預(yù)報(bào)的絕對(duì)主力。它的計(jì)算邏輯是把地球大氣切成密集的三維網(wǎng)格點(diǎn)，然后求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的物理方程組（流體力學(xué)+熱力學(xué)），計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的溫度、氣壓、風(fēng)速在未來(lái)幾分鐘、幾小時(shí)如何變化，一步步算出未來(lái)10天的天氣。

現(xiàn)在有10km左右的全球數(shù)值模式，也有精細(xì)到1km的區(qū)域數(shù)值模式，北京市氣象局最新研發(fā)了“分鐘級(jí)，百米級(jí)”的高分辨快速更新的數(shù)值模式系統(tǒng)。

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AI 氣象大模型

AI模型不求解復(fù)雜的物理方程，而是“吃”進(jìn)去海量的歷史氣象數(shù)據(jù)（比如過(guò)去40年的全球數(shù)據(jù)），學(xué)習(xí)“昨天這樣的天氣，明天通常會(huì)變成什么樣”的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

一旦訓(xùn)練完成，它預(yù)測(cè)速度極快（幾分鐘出10天預(yù)報(bào)），且在某些指標(biāo)上已媲美傳統(tǒng)模式。但是AI模型缺乏物理解釋，且預(yù)報(bào)中存在“平滑效應(yīng)”，可能會(huì)有極值削弱現(xiàn)象。

目前我國(guó)已逐步構(gòu)建起基于國(guó)產(chǎn)人工智能大模型家族，“風(fēng)雷”（人工智能臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)）、“風(fēng)清”（人工智能全球中短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)）、“風(fēng)順”（人工智能全球次季節(jié)—季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)）、“風(fēng)宇”（空間天氣鏈?zhǔn)饺斯ぶ悄茴A(yù)報(bào)模型）等系列氣象預(yù)報(bào)模型相繼問(wèn)世，部分核心指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

其中，“風(fēng)清”模型原創(chuàng)設(shè)計(jì)了神經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其性能已躋身國(guó)際第一梯隊(duì)；“風(fēng)雷”作為國(guó)內(nèi)首個(gè)具有大氣物理方程約束的短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)3小時(shí)預(yù)警提前量，雷達(dá)強(qiáng)回波預(yù)報(bào)技巧提升25%，在多次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

總的來(lái)說(shuō)，依托“數(shù)值預(yù)報(bào)模式+AI氣象大模型+預(yù)報(bào)員綜合研判”的協(xié)同機(jī)制，當(dāng)前24小時(shí)城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)85%左右，氣溫誤差控制在1-2℃以內(nèi)，為公眾活動(dòng)提供了可靠保障。

為什么會(huì)覺(jué)得天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)？

極端天氣預(yù)警預(yù)報(bào)難在哪？

有人可能會(huì)疑惑，既然24小時(shí)城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)85%，那為什么一遇到極端暴雨、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、突發(fā)龍卷風(fēng)等災(zāi)害性的極端天氣時(shí)，總感覺(jué)預(yù)警似乎是“慢半拍”，甚至“報(bào)不準(zhǔn)”呢？

事實(shí)上，這并非人力可為或不可為的問(wèn)題，而是極端天氣的發(fā)生機(jī)理、路徑等比常規(guī)天氣要復(fù)雜太多，模擬和觀測(cè)更是困難重重。我們可以從觀測(cè)、模式與機(jī)理三個(gè)層面來(lái)分析：

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觀測(cè)的“盲區(qū)”與“局限性”

許多極端天氣（如龍卷風(fēng)、突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流）具有空間尺度小（僅數(shù)公里）、生命史短（從生成到消散不足一小時(shí)）的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)空分辨率上存在局限，特別是高空觀測(cè)（探空氣球，一天2次，站點(diǎn)較為稀疏）難以實(shí)現(xiàn)全天候、無(wú)死角覆蓋。尤其在高原、山區(qū)，觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，致使系統(tǒng)初生階段的捕捉與監(jiān)測(cè)存在“盲區(qū)”。

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預(yù)報(bào)模式的“分辨率”與“物理過(guò)程”瓶頸

盡管數(shù)值預(yù)報(bào)模式不斷進(jìn)步，但全球模式的網(wǎng)格距通常仍在十公里量級(jí)，無(wú)法精確解析局地地形（如山谷、城市建筑群）的細(xì)微影響。區(qū)域高分辨率模式（1-3公里）可部分改善這一問(wèn)題，但對(duì)云微物理、對(duì)流觸發(fā)等關(guān)鍵過(guò)程的描述仍不夠精確。

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極端天氣機(jī)理復(fù)雜，難以模擬

極端降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，其發(fā)生發(fā)展涉及多尺度環(huán)流配合及復(fù)雜的地形-下墊面相互作用，機(jī)理極為復(fù)雜，模式對(duì)其的準(zhǔn)確模擬和預(yù)報(bào)仍是世界性難題。

一

龍卷風(fēng)產(chǎn)生條件

強(qiáng)對(duì)流天氣是龍卷風(fēng)產(chǎn)生的基本條件。在低空急流較強(qiáng)的情況下，龍卷風(fēng)發(fā)生的概率會(huì)大大增加。當(dāng)垂直方向空氣處于上冷下暖不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)，高低空風(fēng)向風(fēng)速差異使氣流不斷扭轉(zhuǎn)。強(qiáng)盛的上升氣流持續(xù)拉伸壓縮渦旋，云底垂下漏斗狀云體，云體接觸地面，龍卷風(fēng)就此形成。

龍卷風(fēng)是一種局地性、小尺度、突發(fā)性的強(qiáng)對(duì)流天氣，其時(shí)空尺度很小，直徑平均在200米至300米，發(fā)生至消散的時(shí)間在幾分鐘到幾十分鐘。但相比普通大風(fēng)，龍卷風(fēng)中心氣壓很低，更容易造成嚴(yán)重的災(zāi)害。

二

龍卷風(fēng)等級(jí)分類

龍卷風(fēng)主要分為四個(gè)等級(jí)：一級(jí)龍卷風(fēng)強(qiáng)度弱，對(duì)應(yīng)EF0級(jí)及以下；二級(jí)龍卷風(fēng)強(qiáng)度中，對(duì)應(yīng)EF1級(jí)；三級(jí)龍卷風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)，對(duì)應(yīng)EF2和EF3級(jí)；四級(jí)龍卷風(fēng)強(qiáng)度超強(qiáng)，對(duì)應(yīng)EF4和EF5級(jí)。

三

龍卷風(fēng)發(fā)生規(guī)律和前兆

目前對(duì)于龍卷風(fēng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警仍有很大不確定性，不過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，龍卷風(fēng)發(fā)生具有顯著的季節(jié)和時(shí)段特征。

1.季節(jié)：在我國(guó)，春夏為龍卷風(fēng)多發(fā)季，發(fā)生龍卷風(fēng)數(shù)量占全年的90%以上，其中7月占比最高，將近三成，這與春夏季節(jié)冷暖空氣交匯頻繁、大氣對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈密切相關(guān)。

2.時(shí)間：龍卷風(fēng)在一天中的任何時(shí)間都可能發(fā)生，但以午后發(fā)生最多，下午三點(diǎn)至四點(diǎn)為高發(fā)時(shí)段。

3.地域：平原是龍卷風(fēng)相對(duì)高發(fā)的地區(qū)。在我國(guó)，長(zhǎng)江中下游平原、珠三角、東北平原、華北平原等地都是龍卷風(fēng)發(fā)生較多的地區(qū)。

龍卷風(fēng)生成和消亡迅速，常與雷暴、冰雹和暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)相伴出現(xiàn)，甚至可以出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)中，公眾可多留意積雨云、電閃雷鳴等前兆。

四

遭遇龍卷風(fēng)，如何避險(xiǎn)？

龍卷風(fēng)突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，掌握正確的避險(xiǎn)方法至關(guān)重要。遭遇龍卷風(fēng)時(shí)，需要大家遵循“就近、就低”避險(xiǎn)原則。

來(lái)源：孝感廣電綜合湖北應(yīng)急管理