本文最初发布于 The Conversation。
2023年3月24日，一场致命的龙卷风正逼近密西西比州的罗林福克（Rolling Fork），预报员通过雷达 看到了风暴的发展，并发布了罕见的“龙卷风紧急情况” 预警。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的 天气预报 和 风暴预测 中心已就该地区严重天气的风险发出数天的警告。但尽管预报员可以提前看到龙卷风的潜在迹象，但要预测龙卷风何时何地形成仍然极其困难。
我们采访了 Chris Nowotarski，他是一名大气科学家，从事严重雷暴计算机建模工作，请他解释原因——以及预报技术是如何改进的。
为什么龙卷风仍然如此难以预测？
气象学家在预测有利于龙卷风形成的天气条件方面已经有了很大进步。但要准确预测哪些雷暴会产生龙卷风以及何时产生，则更为困难，而这正是目前许多严重天气研究的重点。
通常，在有利于龙卷风形成的环境下，可能会有一线雷暴，其中一场风暴可能产生龙卷风，而其他风暴则不会。
它们之间的差异可能归因于气象变量的微小差异，例如温度。即使是地表条件的改变——田野、森林地区或城市环境——也可能影响龙卷风是否形成。风暴环境中这些微小的变化会对风暴内可能造就或摧毁龙卷风的过程产生重大影响。
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，即风在不同高度的风向或风速变化。
风切变与风暴内的雨水冷却空气（我们称之为“流出”）如何相互作用，以及多少降水蒸发，都会影响龙卷风是否形成。如果你曾经经历过雷暴，你就会知道，在下雨之前，你常常会感受到一股冷空气从风暴中涌出。这种冷空气流出的特征对于龙卷风能否形成很重要，因为龙卷风通常在风暴中较冷的部分形成。
你能提前多久知道龙卷风可能变得巨大而强大？
这很复杂。雷达仍然是我们确定何时发布 龙卷风警报 的最重要工具——这意味着龙卷风即将来临，人们应该寻求庇护。
绝大多数的强烈龙卷风形成于 超级单体雷暴，即具有深层旋转上升气流的风暴，这种气流被称为“中尺度气旋”。垂直风切变可以使风暴的中层旋转，而中尺度气旋的向上吸力可以将风暴流出中的旋转强度增加到形成龙卷风。
如果一个超级单体雷暴在地表上方具有强烈的旋转，这通常是龙卷风的前兆。一些研究表明，更宽的中尺度气旋比其他风暴更有可能产生更强、 持续时间更长的龙卷风。
预报员还会关注风暴的环境条件——温度、湿度和风切变。这些提供了更多线索，表明风暴可能产生严重的龙卷风。
由于 多普勒雷达、改进的模型以及对风暴环境更好的理解，近年来收到龙卷风警报的龙卷风比例有所增加。在2003年至2017年期间，约有 87% 的致命龙卷风 提前收到了警报。
警报的提前预警时间也有所改善。总的来说，现在 大约是10到15分钟。这足够让你去地下室，或者如果你住在拖车公园或在户外，可以找到安全的避难所。并非所有风暴都有这么长的预警时间，因此快速到达庇护所很重要。
研究人员今天发现了哪些关于龙卷风的知识可以帮助在未来保护生命？
如果你回想一下1990年代初的 电影《龙卷风》，我们当时开始进行更多的龙卷风实地考察。我们把雷达装在卡车里，驾驶载有屋顶仪器车辆进入风暴。那时我们才真正开始认识到所谓的风暴尺度过程——风暴本身内部的条件，温度和湿度的变化如何影响龙卷风的潜力。
然而，科学家们无法对每一场风暴都发射气象气球或派出仪器。因此，我们也使用计算机来模拟风暴，以了解内部发生了什么。通常，我们会运行多个模型，称为集合预报。例如，如果10个模型中有9个产生了龙卷风，我们就知道风暴很有可能产生龙卷风。
国家严重风暴实验室最近一直在试验基于这些模型（称为 “预报龙卷风” (Warn-on-Forecast)）的龙卷风预警，以增加龙卷风预警的提前量。
还有许多其他研究领域。例如，为了更好地理解风暴是如何形成的，我做了大量的理想化计算机建模。为此，我使用一个具有简化风暴环境的模型，并对环境进行微小改变，以观察这如何改变风暴本身的物理过程。
风暴追逐中也有新工具。无人机的应用呈爆炸式增长——科学家们将传感器安装在无人机上，并近距离甚至飞入风暴。
龙卷风研究的重点也已从传统上的“龙卷风巷”——大平原地区，转移到东南部。
NOAA风暴预测中心
东南部龙卷风有什么不同？
与大平原地区相比，东南部地区对风暴有一些不同的影响。东南部有更多的树木和更复杂的地形，而且由于靠近墨西哥湾，大气中的水分也更多。东南部 往往有更多的死亡人数，因为 夜晚形成的龙卷风更多。
我们在东南部看到更多发生在称为“准线性对流系统”的雷暴线中的龙卷风。这些风暴中导致龙卷风形成的过程可能不同，科学家们正在对此进行更多研究。
一些研究还表明，龙卷风正在 向东南部气候转移。然而，很难区分风暴数量的增加与因技术进步而发现更多龙卷风。
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