本文最初发布于 The Conversation。
2025年3月，龙卷风席卷美国东南部和中西部地区，气象学家提前一天多就开始发出极端危险风暴可能来临的警报。但要精确预测龙卷风将在何处着陆——例如3月14日和15日袭击了印第安纳州、密苏里州、阿肯色州、密西西比州和阿拉巴马州等地的龙卷风——仍然在很大程度上依赖于雷达对风暴发展的观测。大气科学家Chris Nowotarski解释了原因，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？
气象学家在预测更容易发生龙卷风的条件方面已经有了很大进步。但预测哪些雷暴会产生龙卷风以及何时产生，则更加困难，而这正是目前许多极端天气研究的重点。
通常，你会看到一条雷暴带，环境看起来有利于龙卷风的形成，但其中一个风暴可能产生龙卷风，而其他的则不会。
它们之间的差异可能归因于我们当前观测网络或计算机模型无法解析的微小气象变量的差异。即使是地表条件的变化——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可能会对风暴内部影响龙卷风形成或破裂的过程产生重大影响。
雷暴是否产生龙卷风的最有力预测因素之一与垂直风切变有关，即风在空中随高度的变化而改变方向或速度。
风切变如何与风暴中的雨水冷却空气（我们称之为“下沉气流”）相互作用，以及有多少降水会蒸发，都会影响龙卷风是否形成。如果你曾经经历过雷暴，你会知道在下雨之前，通常会有一阵冷空气从风暴中涌出。这种冷空气下沉气流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的较冷区域形成。
你能提前多久知道一个龙卷风可能很大且很强？
绝大多数强烈的龙卷风是由超级单体雷暴形成的，即具有深层旋转上升气流（称为“中尺度气旋”）的雷暴。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下沉气流内的旋转增强成龙卷风。
如果在雷达上看到一个超级单体雷暴，并且其高于地面的部分有强烈的旋转，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。
预报员还会查看风暴的环境条件——温度、湿度和风切变。这些提供了更多线索，表明风暴很可能产生强烈的龙卷风。
近几十年来，由于多普勒雷达、改进的模型以及对风暴环境的更好理解，触发预警的龙卷风百分比有所增加。在2003年至2017年期间，约有87%的致命龙卷风收到了提前预警。
预警的提前时间也有所改善。总的来说，现在大约是10到15分钟。这足以让你到地下室避难，或者如果你住在拖车公园或室外，可以找到安全的设施。并非所有风暴都有这么长的提前时间，因此快速找到避难所很重要。
研究人员正在了解哪些龙卷风信息可以帮助未来保护生命？
回想一下20世纪90年代初的电影《龙卷风》，我们开始对龙卷风进行更多的实地考察。我们将雷达装在卡车上，驾驶带有车顶仪器的车辆进入风暴。正是在那时，我们才真正开始认识到我们称之为风暴尺度过程的东西——风暴内部的条件，温度和湿度的变化如何影响龙卷风的潜力。
然而，科学家们无法向每一次风暴发射气象气球或发送仪器。因此，我们也使用计算机来模拟风暴，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，我们就知道该风暴很有可能产生龙卷风。
美国国家严峻风暴实验室最近一直在尝试基于这些模型（称为“预报预警”）的龙卷风预警，以增加龙卷风预警的提前时间。
还有许多其他研究领域。例如，为了更好地了解风暴是如何形成的，我进行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。
在追逐风暴方面也有新的工具。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，并将它们飞近甚至飞入风暴中。
龙卷风研究的重点也从传统的“龙卷风巷”大平原地区转移到东南部。
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不同的影响。东南部地区树木更多，地形更多样，而且由于靠近墨西哥湾，大气中水分也更多。东南部地区死亡人数更多，因为夜晚形成的龙卷风更多。
我们在东南部地区看到的龙卷风更多是发生在称为“准线性对流系统”的雷暴线上。导致这些风暴中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，龙卷风正开始向东南部气候学转变。然而，很难将风暴的增加与更先进的技术侦测到更多龙卷风区分开来。因此，需要更多的研究。
本文最初于2023年3月28日发布，现已更新，包含2025年3月美国中西部和南部地区的龙卷风信息。
