龍卷預報預警體系建設
——氣象現代化的前沿挑戰

■ 姚聃

龍卷因其較小的尺度和較短的持續時間而成為天氣預報業務體系中難以監測預警的災害性天氣系統。可以說，龍卷的預報預警是氣象現代化進程中面臨的難以克服而又必須面對的重要課題。不過，龍卷預警并非無法實現。具體而言，實現途徑主要有兩條，一是基于以雷達為核心的觀測系統針對超級單體和鉤狀回波開展識別和追蹤，二是基于高分辨率（風暴尺度）數值產品開展龍卷發生潛勢預報。以雷達為核心的監測預警系統在準確性方面優于數值模式預報產品，可以更準確更有效地針對龍卷落區和持續時間進行預報預警，但其依賴于已發生的超級單體和中氣旋，在預報時效上往往難以保證。而數值模式產品的適當引入則可以彌補這一不足，完善龍卷監測預報預警體系。在這方面，美國的經驗給了我們一些啟示，我國氣象部門也已經在不斷摸索中取得了一些進展。

1 需求帶來發展——從美國的龍卷預警談起

美國的龍卷及災害性天氣預警體系由預警（watch）和警報（warning）兩個部分組成。龍卷預警是指在未來2～8 h會有龍卷發生，包括了多龍卷和單一強龍卷的可能性，也包括大冰雹和災害性強風的潛在威脅。龍卷預警是由位于俄克拉何馬州Norman市的美國國家環境預報中心（NCEP）下屬的風暴預報中心（SPC）統一發布，目標區域包括美國全境，不受到州和區域的限制。龍卷警報是指已經觀測到強天氣過程的發生，即使沒有發生龍卷，但是龍卷發生的可能性已經很大。龍卷警報是由美國各地的基層氣象臺直接發布的。預警的發布主要是基于當前已有的雷達觀測資料和風暴目擊志愿者的目擊觀測，范圍往往比較具體。

預警和預報的發布主要是依靠媒體。在美國，電視、互聯網、天氣軟件等都對龍卷災害高度重視。在龍卷預警發布后，公眾可以在天氣軟件的手機客戶端獲得推送消息，主流媒體也會通過各種形式進行提醒。在龍卷警報發布后，覆蓋地區迅速拉響警笛（包括城鎮戶外區域和公共建筑內部），同時手機會通過小區廣播形式強制向所有用戶推送警報，確保公眾可以迅速獲取信息并及時撤離。這是一種快捷有效的預警信息發布方案。此外，對于危險性極大的過程（較大概率發生EF2及以上級別龍卷），會發布“特別危險情況”（PDS）警報。

由于美國公眾和媒體對于龍卷等災害性天氣的特殊關注，各大電視臺（而不只是天氣頻道）都會將龍卷天氣過程作為突發性事件進行全程報道，在雷暴發生之后就會通過現場直播向公眾播發災害性天氣系統的最新進展。電視臺會將自己擁有最出色的天氣解說員、最精彩的現場風暴追逐資料作為品牌競爭力，使得公眾可以實時查看到當前強風暴的最新進展。這一現象促使美國公眾在加強安全意識的同時，擁有了豐富的科普知識，了解龍卷天氣的成因、危害以及緊急避險措施，同時也保證了社會不會對于龍卷的突然發生毫無準備。

2 推動龍卷業務提高的基石——美國春季預報試驗

美國龍卷的高發區域是素有“龍卷走廊”之稱的中部大平原地區，高發時間為春季，特別集中在5月。針對這一特征，春季預報試驗（SFE）應運而生。該試驗是由美國國家海洋大氣管理局（NOAA）開展的“危險性天氣試驗基地”（HWT）的重要組成部分，旨在測試強風暴預報的新技術與新方法。春季預報試驗由NOAA下屬的氣象科研部門美國國家強風暴實驗室（NSSL）和NCEP下屬的氣象業務部門SPC共同舉辦，既是科研成果向業務轉化的平臺，也是業務需求向科研反饋的媒介。通過科研與業務的結合，科學家與預報員在春季預報試驗的框架下，提高了對強風暴災害的科學理解和業務水平。春季試驗是一個系統性的龍卷預報預警試驗平臺，會有來自不同機構的眾多集合預報模式參與高分辨率區域數值天氣預報，每年都會有改進版本的新方案、新模式加入試驗，測試預報效果。同時，SPC會組織來自各地的專家學者、預報員以及研究生參與試驗。試驗參與者的工作是基于全部觀測產品和試驗平臺中的高分辨率區域模式預報產品進行預報和評估。這是科研與業務結合的范例。這既保證了每天的預報都能有大量的信息和討論，同時又可以根據試驗參與者反饋的信息對于模式效果進行評估，從而獲知下一年的改進方向。美國的業務預報模式正是在這樣的框架下，在每一年龍卷季的失敗與成功中不斷完善。

春季預報試驗的核心任務包括實時預報與評估檢驗兩部分。其中，評估檢驗部分是實現科研與業務結合的關鍵因素，也是春季試驗的特色所在。在試驗過程中，專家團隊會在每日針對前一天數值預報產品的效果進行主觀評估和模式檢驗。模式研發團隊會針對參與試驗的模式產品設計評估問題，對比不同模式的效果差異，考察新技術和新方案的改進效果。在每年的春季試驗結束之后，模式研發團隊還將對當年全部試驗數據進行系統性客觀評估，并于專家團隊的主觀評估效果一起進行綜合分析，以確定下一年度技術方案的取舍和改進方向。最后，根據評估反饋結果改進后的新版模式系統將進入下一年度春季試驗的預報與評估，開始新一輪的測試、評估和改進周期，以實現不斷推動模式研發及業務應用的目標。

春季預報試驗項目正式啟動于2000年。通過春季試驗的合作平臺，預報員提升了對模式產品釋用的理解，而模式研發人員則加深了對數值模式在預報業務中的應用和需求的認識。基于當年試驗的反饋信息，主辦者明確了下一年度試驗的主要關注點和具體科學問題，即數值模式能否更有效地應用于對流觸發、強度和演變過程的預報，而不再只依賴于觀測資料本身。科研人員的加入促進了預報員對數值模式可靠性和準確性的理解。兩項最重要的變化在于將更多試驗性的模式產品作為每日預報的重要參考，以及引入量化評分表開展模式方案效果對比的主觀評估。這兩項變化很好地推動了春季試驗的不斷完善，并一直沿用至今。

自2003年起，對流可分辨模式（CAMs）開始在春季預報試驗中得到測試和應用。對流可分辨模式的水平分辨率在4 km或更高，可以直接解析對流發生發展過程，不再依賴于積云對流參數化方案。以對流可分辨模式為基礎，風暴尺度集合預報（SSEF）系統應運而生。美國俄克拉何馬大學風暴分析與預報中心（CAPS）于2007年搭建了首個實時運行的風暴尺度集合預報系統，并在之后的數年中不斷根據試驗效果進行改進。至2010年，春季預報試驗已加入覆蓋全美地區的包含26個集合成員的水平分辨率為4 km的多模式風暴尺度集合預報產品，以及1個水平分辨率達到1 km的高分辨率確定性預報產品。至2015年，春季預報試驗加入了基于個人電腦的反饋機制，參與者不再以小組為單位提交對模式主觀評估的集體意見，而是可以獨立進行預報、檢驗和評估。

隨著春季預報試驗的不斷推進，越來越多的集合預報模式加入其中。然而，由于這些模式都是獨立設計研發的，難以對其效果差異及成因進行明確的歸因，也因此無法找到最優的集合設置。為解決此問題，自2016年起，春季預報試驗引入了“社區推動一體化集合”（CLUE）系統，以統一的標準規范各家集合預報模式的模式網格、物理過程等設置。

3 突破可預報性的瓶頸——基于預報的龍卷預警

與臺風、暴雨等尺度更大、持續時間更長的天氣系統不同，龍卷的預報很難基于數值模式實現。基于雷達觀測的龍卷預警，美國地區的平均預報時效只有13 min，并且虛警率高達75%。即使將雷達數據傳輸和預警發布所消耗的時間縮減至最小，留給公眾避難的時間仍然十分短暫，并且在龍卷觸發區域難以給出有效的預警。而數值模式性能以及計算資源的不斷提升，特別是雷達資料的實時處理和快速更新同化系統的發展，使得基于高分辨率數值模式開展龍卷及強風暴預警逐漸成為可能。真正制約龍卷模式預報預警發展的瓶頸在于龍卷系統對生成環境條件以及對流發展過程的高度敏感性以及與此相關的可預報性問題。為解決這一問題，NSSL和SPC于2010年共同提出并建立了基于數值預報的預警（Warn on Forecast，WoF）研究計劃。該計劃的核心目標是將多普勒天氣雷達及新型雷達（包括雙偏振雷達和相控陣雷達）觀測到的風暴內部信息同化到數值模式中，形成對流尺度集合和概率預報產品。

實現基于預報的預警主要依賴于兩點，一是可以快速基于雷達觀測數據生成三維分析產品的基本系統，二是在此基礎上不斷完善該系統的大量科學與技術性改進。其中既需要不斷提升對強風暴和中尺度對流系統可預報性的理解，也離不開可靠而快速的觀測資料質量控制。模式分辨率的提高以及與此相匹配的物理過程參數化的改進可以有效減小模式誤差的增長。觀測試驗和災害調查的數據有助于最終提升龍卷和強對流災害預警能力。

對于無法直接解析龍卷的對流可分辨尺度模式而言，使用同時表征了垂直速度和垂直渦度大小的上升螺旋度（UH）可以有效識別旋轉上升氣流，作為判定中氣旋和超級單體的指標，從而實現龍卷發生可能性的替代性概率預報。其較高的運算效率和可接受的誤差范圍為龍卷的模式預報提供了更多可能。這一方案在2008年春季預報試驗中得到了測試和檢驗，并在之后的集合預報產品中獲得推廣和應用。然而，中氣旋的存在并不一定產生龍卷，同時龍卷的發生也不一定伴隨有強烈的中層旋轉。低層旋轉是比中層旋轉更為直接的判定龍卷發生的指標。2015年春季預報試驗集合預報產品的測試結果表明，0～3 km上升螺旋度具有比2～5 km上升螺旋度更準確的龍卷預報效果，直接使用垂直渦度在更高分辨率的模式產品中具有潛力。需要指出的是，這里涉及的主要還是預報可能產生龍卷的超級單體，而不是直接預報龍卷本身。

模式分辨率的不斷提高對于對流可分辨模式預報龍卷能力的提升具有顯著效果。基于2010—2017年497次龍卷過程的確定性后報試驗表明，1 km分辨率數值模擬相較于3 km模式在識別龍卷性對流風暴方面具有明顯優勢，而次公里級別的效果提升更加值得期待。0～1 km上升螺旋度具有最優的龍卷識別和預警效果，是區分龍卷與非龍卷天氣事件的最佳判定指標。相比而言，2～5 km上升螺旋度更加適用于預報由超級單體造成的冰雹等其他災害性天氣。目前已有一些工作基于資料同化開展了龍卷可分辨尺度數值模擬。這些研究性質的后報試驗體現了龍卷可分辨尺度模擬對于重現龍卷生成和演變過程的必要性。然而，由于預報誤差的快速增長，龍卷預報存在難以克服的可預報性局限，集合預報對于預報龍卷強度、路徑、時間和不確定性等信息而言必不可少。在CAPS開展的分辨率高達50 m對流可分辨尺度集合預報試驗中，全部10個集合成員都可以預報出2013年5月20日美國Moore龍卷，其中4個成員可以成功預報出與實際觀測一致的EF5級超強龍卷。這充分體現了對流可分辨集合預報模式對于龍卷預報的巨大潛力。但其驚人的計算量對于當前計算機性能來說還遠遠無法實現業務化。

4 困境與希望同在，機遇與挑戰并存——我國龍卷預警

在我國，龍卷的預報預警需要加強之處主要包括以下幾個方面。

第一，亟需加密探空觀測，并保證探空質量。與美國中部大平原地區經常出現的大范圍有利于龍卷發生條件不同，我國龍卷的有利環境條件往往是局地性的，因此難以被觀測捕捉。雖然美國的標準探空也只有每天兩次，但是在龍卷及災害性天氣發生危害較高的時段，某些具有代表性的重點臺站會開展加密探空觀測。我國常規的探空觀測時間是北京時間08時和20時。一些臺站會在汛期增加14時觀測。事實上，由于龍卷多發時段通常在午后到傍晚，08時探空條件往往還未能形成有利條件，而20時探空則往往已經在對流發展、能量消亡以后，因此也不具有代表性。如果可以保證更多臺站推廣14時探空，甚至采用動態機制對于特殊天氣過程追加其他關鍵時次臨近探空，這對于龍卷預報預警和災后分析將起到關鍵作用。

第二，提升多普勒天氣雷達觀測數據質量。我國的多普勒天氣雷達已經有了較好的覆蓋度。但是，由于廠家不同，某些臺站的雷達質量控制算法未能統一和完善，數據質量難以保證。以2019年遼寧開原龍卷為例，雖然伴隨龍卷出現的鉤狀回波結構在反射率因子圖上有清晰的體現，但是表征龍卷旋轉性風場的徑向速度特征卻不明顯，很有可能與質量控制有關。此外，在我國某些區域，龍卷的雷達觀測會受到山地等障礙物的影響，也就是說現有雷達組網的覆蓋度仍有欠缺。我國不少地區已修建了更高觀測精度但觀測距離較短的X波段雷達區域觀測網絡，比如龍卷發生相對集中的廣東佛山地區。這對于重點地區是十分有益的，但因成本問題并不適合在全國推廣。另外，現有X波段雷達標準沒有統一，質控方面存在更多問題。綜上所述，完善雷達觀測數據質量控制體系是提高龍卷預警能力的關鍵。

第三，提高數值模式對于龍卷天氣的預報能力。我國現有的天氣預報，主要是基于國內外數值天氣預報模式。國家氣象中心以及北京、上海、廣東等省（市）氣象部門也研發并運行了全國或者特定地區的區域預報模式。然而，除了模式分辨率和準確率方面問題之外，現有模式對于龍卷等小尺度天氣過程的信號關注不夠。相比而言，美國的模式產品會提供龍卷等強天氣過程的潛勢指數，預報員和專家在預報預警過程中也會關注模式產品所預報的探空信息，并與實測進行比較。事實上，由于模式可預報性的局限，依賴模式產品準確判斷強天氣過程的發生發展是十分困難的，而天氣環境的變化趨勢往往可以有更好的可信度。在現有的數值天氣模式系統基礎之上，如果提供更多中小尺度潛勢信息，并引導預報員更多關注，那么有可能在龍卷潛勢預報方面提供更多有益的參考。

第四，提高天氣預報員對龍卷災害的判斷能力。由于龍卷發生概率較低，我國預報員往往沒有意識，也沒有勇氣發布龍卷預警。而這一現狀可以從提升龍卷多發區如江蘇北部、安徽北部、廣東珠江三角洲地區和雷州半島、海南島、內蒙古東部和黑龍江等地預報員意識的角度著手。在模式預報出現了強天氣高發潛勢的情況下，如果實際觀測數據的演變也與預報相符合，則應引起特別關注。在風暴系統已經發生的情況下，預報員如果僅關注降水、冰雹、雷電、大風等天氣過程，往往會習慣于只看雷達組合反射率拼圖。而如果要預警龍卷，則需要密切關注轄區內每一部多普勒雷達的低層仰角、垂直剖面以及三維等值面結構，實時查看最新資料中有沒有出現鉤狀回波、中氣旋，乃至于更小尺度的龍卷渦旋特征等信息。這一部分是美國實際發布龍卷警報的關鍵依據。

令人欣慰的是，2016年江蘇阜寧超強龍卷發生以來，國家氣象中心及相關省份氣象臺對于龍卷的預報預警工作高度重視。中國氣象局氣象干部培訓學院積極推動針對龍卷預報預警方法的業務培訓，提高預報員的技能和意識。2020年6月12日江蘇高郵龍卷發生之前，高郵市氣象局成功發布了暴雨黃色預警信號，特別提醒公眾注意強降水和與之相伴的龍卷。在佛山市龍卷風研究中心的技術支持下，佛山市氣象局2018年2次提前30 min以上成功針對龍卷發布預警，龍卷預警精細到鎮街，實現我國龍卷預警的歷史性突破。更為令人驚嘆的是，佛山市氣象局將全市4萬余個鐵皮工棚的坐標信息及安全責任人信息錄入龍卷風及雷雨大風等災害預警信息靶向發布系統，第一時間向受影響區域的責任人推送龍卷預警信息，同時也在第一時間獲取龍卷災情反饋信息。這既是積極運用智慧氣象和大數據技術的精細化服務，也充分體現了全心全意為人民服務的社會擔當與人文關懷。

5 結語

筆者永遠不會忘記，在2015年6月1日湖北監利“東方之星”客輪傾覆事件的風災現場以及2016年6月23日江蘇阜寧超強龍卷風災現場開展災害調查時的觸動。在破壞力極強、發生又極其突然和迅速的龍卷面前，人的力量是如此渺小。即便我們可以成功預測出龍卷的發生，我們又能有多少時間讓群眾及時逃離災難呢？經過大約5年的時間，情況發生了改變。氣象部門多年以來的探索，特別是佛山市龍卷風研究中心等機構積極、成功的實踐給了我們希望與信心。誠然，與美國龍卷預報預警相比，我國的業務體系還不完備，經驗也不充分。短期而言，數值天氣預報模式的準確率還亟待提高，基于預報的龍卷預警在中國還有很長的路要走。但是，我們并沒有必要完全沿著國外的經驗發展。通過多年來的積累，我國氣象部門已經初步摸索出一套適合我國國情的龍卷預報預警方法。在“創新驅動發展”和“人才強局”戰略的大力支持下，龍卷預報預警業務體系的建設與完善指日可待。讓我們共同見證！

深入閱讀

Clark A J, Jirak I L, Dembek S R et al., 2018. The Community Leveraged Unified Ensemble (CLUE) in the 2016 NOAA/Hazardous weather testbed Spring forecasting experiment.Bulletin of the American Meteorological Society, 99: 1433-1448.

Clark A J, Weiss S J, Kain J S et al., 2012. An overview of the 2010 hazardous weather testbed experimental forecast program spring experiment. Bulletin of the American Meteorological Society, 93:55-74.

Snook N, Xue M, Jung Y, 2019. Tornado-Resolving ensemble and probabilistic predictions of the 20 May 2013 Newcastle-Moore EF5 tornado. Monthly Weather Review, 147: 1215-1235.

Sobash R A, Kain J S, Bright D R et al., 2011. Probabilistic forecast guidance for severe thunderstorms based on the identification of extreme phenomena in convection-allowing model forecasts.Weather and Forecasting, 26: 714-728.

Sobash R A, Romine G S, Schwartz C S et al., 2016. Explicit forecasts of low-level rotation from convection-allowing models for nextday tornado prediction. Weather and Forecasting, 31: 1591-1614.

Sobash R A, Schwartz C S, Romine G S et al., 2016. Next-day prediction of tornadoes using convection-allowing models with 1-km horizontal grid spacing. Weather and Forecasting, 34: 1117-1135.

Sobash R A, Schwartz C S, Romine G S et al., 2016. Severe weather prediction using storm surrogates from an ensemble forecasting system. Weather and Forecasting, 31: 255-271.

Stensrud D J, Wicker L J, Xue M et al., 2013. Progress and challenges with Warn-on-Forecast. Atmospheric Research, 123: 2-16.

Stensrud D J, Xue M, Wicker L J et al., 2009. Convective-scale warnon-forecast system: A vision for 2020. Bulletin of the American Meteorological Society, 90: 1487-1500.