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致命龙卷重创美国中部,预警防灾系统起作用了吗?

导  读

致命龙卷袭击美国多地,超百人死亡。灾难因何而起?应对灾难“四步走”:预报—预警—民众接收信息—防御响应,究竟哪步出了问题?全球变暖是否是本次事件的背后推手?

撰文|程鸽(汉堡大学气象学系)

责编|冯灏

美国当地时间12月10日周五夜间至11日清晨,毁灭性龙卷风重创美国数州。目前已造成超过100人死亡,数千万居民遭受影响。肯塔基、阿肯色、密苏里、田纳西、伊利诺伊、密西西比6州受灾最为严重,肯塔基州州长安迪·贝谢尔(Andrew Beshear)称此次龙卷为“肯塔基历史上最严重致命的龙卷风事件”[1]。

从气象的角度来看,本次龙卷风实属“罕见”,具体表现在三个方面:空间范围广、强度大、时间长

空间上,美国强风暴预测监测中心12月10日至11日的风暴报告显示,共有约70个龙卷事件、373个大风事件以及24个冰雹事件,范围覆盖美国十多个州。中国气象局首席预报员张涛评论说,“此次龙卷是一次大范围的强对流天气过程,多个龙卷集中爆发,堪称一支‘龙卷大军’”[2]。

美国国家气象局(National Weather Service,NWS)将对 “龙卷大军”进行分析,以明确大军中的龙卷究竟是单一连续的龙卷风还是由同一风暴产生的多个单独龙卷风(由于龙卷处于快速移动的状态,有可能出现的情况是,龙卷在A地被标记为一次A龙卷事件,移动到B地,又被观测到而被标记为B龙卷,但实际上是一个龙卷事件,因此需要进一步的诊断分析来确定是单一龙卷还是多个龙卷)。目前已知的是,一个被称为“四州龙卷风”的单体(quad-state tornado)四小时内横跨四州(阿肯色、密苏里、田纳西和肯塔基州),路径达到370公里,它一旦被确定是单一连续的龙卷风,将创下新的美国历史上路径“最长”的龙卷风记录

图1 12月10日风暴报告,红点代表龙卷风事件,蓝点代表10级以上大风事件,绿点代表冰雹事件(截至当地时间12月13点23点49分)图源:美国强风暴预报中心

强度上,NWS初步报告发生在肯塔基州的龙卷事件至少为EF3级别[3]。实际强度要进一步通过分析得到,有可能达到EF4,甚至EF5级(最高等级)。

EF等级(The Enhanced Fujita Scale,也称为改良藤田级数)共有6个等级,根据龙卷风造成的破坏程度以及风速大小进行分级,从低到高为EF0级至EF5级。其中,EF3级对应的阵风风速为136-165英里/小时(218-268公里/小时),强度之大可损坏大型建筑物和破坏家园;EF5级极为罕见,对应的阵风风速为200英里/小时(321公里/小时),会造成“毁灭性损坏”,可将树木连根拔起,坚固的建筑物夷为平地[4]。

图2 将龙卷根据阵风风速以及受灾严重情况进行分级的龙卷风EF强度等级,图源:NWS

持续时长上,龙卷属于发生发展迅速的小尺度天气过程,其触发-发展-消散的全过程往往仅持续几分钟到几十分钟,多数龙卷风的持续时长小于10分钟,而此次高影响龙卷的生命史可能超过4小时,其持续时长实属罕见。

另外一个特殊之处在于,美国中部龙卷风高发期通常在春末夏初的4、5月,而冬季大气相对较为稳定,气象条件并不利于对流活动,通常12月不会遭受龙卷爆发事件。北伊利诺伊大学气象学教授维克托·根西尼(Victor Gensini)称此次事件 “像是一个晚春配置放到了12月中旬”[5]。

如此罕见而致命的龙卷风带来了惨重损失,我们可以从中总结些什么呢?

从以往的经验来看,应对灾害天气往往需要环环相扣的“四步走”:预报(气象部门)——预警(气象部门、行政部门、媒体)——接收信息(民众)——防御以及响应(社会各方面)。要成功地应对灾害性天气、保障生命财产安全,其中任何一个环节都不能掉链子,但现实情况却是每一个环节都存在难度

 

1 预报难 

预报难主要体现在两个方面。一方面,作为强对流天气中最猛烈的天气现象,龙卷风具有时空尺度小的特点。龙卷风直径通常为几十到几百米;从发生、发展到消散通常仅为几分钟到几十分钟,整个过程持续时间短,具有突发性,当前的数值天气预报无法对此类小尺度天气事件进行精准预报

而受限于计算机的计算能力,目前世界范围内数值天气预报模式的精度普遍为空间公里为单位,时间小时为单位[6]。以德国气象局使用的ICON-D2模式为例,水平空间精度为2.2公里,预报时间正常为每3个小时[7],而预报龙卷风,数值天气预报模式需要10米左右的超高精度,因此预测困难[8]。

与之相较,台风的尺度比龙卷大得多,直径在几百公里到上千公里,持续时间为几天甚至数周。因此,台风的发展过程更容易被追踪观测,气象部门往往可以提前3到5天对台风进行相对准确的预报。[9]

另一方面,龙卷风的形成机制目前尚未研究透彻。龙卷预报的实际操作通常是先确认一个雷暴是否会演变成超级单体;然后再依靠雷达追踪监测该超级单体的组织发展情况,预报员结合经验与指标参数来确认是否可能生成龙卷;若雷达上已经能看到龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature),则会立即发布龙卷预警。而对超级单体是否会生成龙卷的分析都需要因时因地,具体情况具体分析。很多时候即便所需气象条件都满足,龙卷风也未必发生。此外,即使出现超级单体风暴,根据美国统计的数据,大约只有26%的超级单体会生成龙卷[10]。

预测难,物理机制仍有待研究——客观条件的限制 ,决定了对龙卷风的精准预报仍有较长的一段路要走。

 

2 预警难 

气象部门对灾害性天气的预报与预警工作往往同时进行。以美国龙卷风为例,美国国家气象局负责全美境内龙卷风的预报工作。根据强风暴发展的紧急性,预报主要分为四个阶段:展望(Outlook)——中尺度讨论(Mesoscale discussion, MD)——预警(Watch)——警报(Warning)。其中,前三项由美国国家气象局风暴预报中心(Storm Prediction Center, SPC)负责,警报则由各级气象部门负责发出。

· 展望:SPC的日常工作就是对未来1天到8天可能发生的雷暴根据强度以及覆盖面积的大小进行分级,从低到高风险等级依次是——“MRGL”(边缘风险)、“SLGT” (轻微风险)、“ENH”(增强风险)、“MDT” (中度风险)以及“HIGH”(高风险)。

· 中尺度讨论:一旦雷暴呈现发展趋势,SPC对雷暴的监测则从展望阶段进入下一步中尺度讨论,此阶段的预报时空精度更高,进一步讨论是否需要发出预警。

· 预警:如果强风暴或龙卷风发展迅猛且将在接下来的几小时内发生,SPC网站将发出预警。预警阶段人们需要保持警惕,打开电视或收音机,关闭手机“请勿打扰” 模式以便及时接收信息,并做好准备撤离到安全的避难场所。

· 警报:当龙卷风被目击或者雷达图像上出现龙卷风,当地气象部门则发出警报。警报则意味着龙卷风已经发生或马上发生,需要立即采取应急响应措施,找到安全的避难场所。警报将由当地气象部门通过各种电视、电台、网络等社交媒体渠道向公众传播。龙卷风警报的平均时间是早于风暴来临的8到18分钟[11]。

龙卷风预警难的关键在于没有固定的指标可以参考。什么时候出现龙卷风、什么时候发预警,回答这些问题,预报员需要结合实际大气情况、雷达产品、数值预报模式结果、过往历史数据以及个人的预报经验进行综合考量,快速且准确地进行判定。发出成功的预警不仅需要预报员过硬的专业知识背景,精准的观测数据以及模式结果做支持,还有预报员的胆量。

具体就本次龙卷风事件,美国气象预报部门的预警能力如何?我们一起来回顾一下美国国家气象局做出反应的时间轴(注意以下时间均为当地时间)。

· 事发4天前,美国中部时间12月6日周一:

SPC给出的预报是“可预测程度太低”(“Predictability too low”),但是,当天下午3点46分国家气象局肯塔基州帕迪尤卡(本次受灾最严重的地区之一)当地气象部门(NWS Paducah, KY)发布的灾害天气展望报告(Hazardous Weather Outlook report)中对未来2到7天的预报中提到,肯塔基州周五晚至周六早上将有机会出现雷暴天气,部分雷暴将达到严重雷暴等级(Severe Thunderstorm,风力达到93公里/小时[3])。

图3 SPC12月6日发布的未来4到8天强对流天气展望,以及帕迪尤卡的具体地理位置,图源:美国强风暴预报中心网站

图4 NWS Paducah, KY气象部门12月6日发布的未来2到7天灾害天气展望报告,图源:NWS Paducah, KY气象部门发布的灾害天气展望报告

· 事发2天前,12月8日周三早上8点15分:

SPC预报了雷暴为“轻微等级”并给出了预计的影响范围;而凌晨3点34分肯塔基州帕迪尤卡当地气象部门给出的展望报告首次提到,周五晚有可能出现风灾以及若干龙卷风。

图5 SPC12月8日发布的未来第3天强对流天气展望,图源:美国强风暴预报中心网站

图6 NWS Paducah, KY气象部门12月8日发布的未来2到7天灾害天气展望报告,图源:NWS Paducah, KY气象部门发布的灾害天气展望报告

· 事发前1天,12月9日周四早上6点58分:

SPC将风暴的等级升级为“增强”等级,下午2点42分当地展望报告中给出了风暴的预计路径并提到有可能出现多个超级单体龙卷风。

图7 SPC12月9日发布的未来第2天强对流天气展望,图源:美国强风暴预报中心网站

图8 NWS Paducah, KY气象部门12月9日发布的未来2到7天灾害天气展望报告,图源:NWS Paducah, KY气象部门发布的灾害天气展望报告

· 事发当天(预警及警报),12月10日周五:

SPC从下午3点开始发布(比最早发现的龙卷风报告时间提前了三个小时)第一个预警,直至第二天11日周六凌晨3点40分,共发布了11个预警(2021年第552号—2021年562号)。龙卷风来临之时,各级气象部门也及时发布了警报。

图9 NWS Paducah KY气象部门12月10日下午5点29分在社交媒体推特上发布预警,图源:NWS Paducah KY社交媒体推特平台

美媒对美国国家气象局预报龙卷风事件的评价是“此次预报是准确的”(“Forecasting for this event was accurate” )[12]。中国气象局首席预报员张涛也表示,“在展望阶段中规中矩略显保守,但是在预报和预警阶段基本做到了极致,代表了最顶尖水准”[2]。换句话说,虽然存在预报难、预警难的客观问题,但是本次龙卷事件气象部门在这两个环节是合格的

 

3 民众接收信息难 

纵观本次事件发展,美国国家气象局风暴预报中心总共发布了11次龙卷风预警,龙卷风来临时当地气象部门发布了数百个警报。另外,当地新闻提前两天开始多次报道龙卷风发生的预计时间、有可能受影响的地区,例如,帕迪尤卡当地WPSD Local 6电视频道的天气预报从周三晚开始向民众预警,周五有可能出现龙卷风以及风灾; 圣路易斯州KMOV 4频道周五早间新闻也对龙卷风进行了预警。

提早预警为人们争取到了及时应对灾害的宝贵时间,但是民众显然未接收到足够的信息进而改变行动,或者说当局和民众处理预警的敏感度不足

目前,民众接收灾难性天气预警地方式主要有三种:(1)公共警报器;(2)当地广播和电视媒体以及网络;(3)手机短信通知或智能手机灾难预警APP

三者各有其优缺点,公共警报器辐射范围广、声音大,往往最能引起大家的注意。但是公共警报仅覆盖大多数的城镇,美国地广人稀,一些农村地区以及小城镇往往不在警报覆盖范围内。传统电视、电台广播与智能手机预警虽然方便,但弊端是需要人们打开电视、收音机、电脑,或持续关注手机消息才能接收到警报。但当灾害在夜晚来临(本次龙卷风事件),人们在睡梦中,各类电子设备都是关闭的状态;如果灾害来临的同时伴随着电力设施受损或手机信号塔受损,断电之后的人们,更是无法通过电子设备获得警报。

此外,一些工厂在工作时间采取“禁手机令”。位于伊利诺伊州的圣路易斯以东25英里的一家亚马逊工厂就是如此——公司不允许员工在仓库携带手机,因而员工无法及时接收龙卷风预警,也无法与家人取得联系。

无独有偶,今年7月德国西部地区的洪灾也存在着同样的问题——气象部门提早发出了预警,但是居民响应不足。7月14日至15日,受气旋“Bernd”影响,德国西部北威州地区遭遇了强降水以及百年不遇的洪灾,事故超过190人死亡、多人失踪,基础设施遭到极大破坏,成千上万的人失去了家园,财产损失不计其数。

大灾过后,有许多人质疑当局以及媒体没有及时、准确地向受灾地区通知即将发生的危险。但是联邦以及各州政府并不接受这一批评。在德国,联邦州政府负责自然灾害的预警。预警主要通过广播和电视发出,有时会有消防队带着扩音器卡车进行预警。另外,还有全国范围内可接收预警的手机预警应用程序如Nina(德国联邦民防和灾难援助办公室开发),Katwarn(Frauenhofer Fokus研究所开发),以及WarnWetter(德国气象局开发)。自然灾害如洪水、极端暴雨、飓风等来临之前,此类应用程序会向用户发出警报。

虽然民众质疑德国政府的防灾预警系统有漏洞,但事实上早在7月10日(暴雨发生的四天前),欧盟洪水警报系统就发出了警告,德国气象局也早在7月12日(暴雨发生的两天前)就通过数值天气预报模式成功预报了该地域的强降水,并对有可能的洪水做出了预警。联邦民防和灾难援助办公室主任阿明·舒斯特(Armin Schuster)指出:从暴雨发生的4天前开始,联邦公民保护局就通过手机预警APP(NINA, Katwarn)发出了150条预警,他强调“预警基础设施已经发挥作用”[13, 14]。

图10 德国灾害预警手机APP,图源:程鸽

但是,灾难的结果显示出民众或没有接收到警报,或接收到警报却未对此进行响应。在经历重创之后,德国正在反思灾害预警系统存在的漏洞——德国政府将通过一项9000万欧元的计划,与联邦各州一起打造完善的警报系统。另一方面,提高民众应对警报的意识也是未来防灾工作的重点。


4 防御、响应难 

人们接收到预警时,即需要做好应对准备。正确的保护措施是立即离开危险房屋、交通工具或临时简易住所等,到安全的避难所进行避险,此时有可能面临第四个环节的难点——防御难、响应难。这次龙卷风致命的其中一个原因是发生在夜间,耶鲁气候通讯的气象学家杰夫·马斯特(Jeff Masters)提到,没有照明的条件下人们没办法很好地寻找避难场所[15]。

造成大量伤亡的另一个原因是,龙卷风力太强,毁灭性巨大,“即便人们呆在避难所里,也有失去生命的危险”,马斯特说[15]。另外,地下空间,如地下室也是躲避龙卷风的一个优良选择。然而,一些工厂的地址由于地处洪水高发地区,没有修建地下室,这也导致了事发时人们“无处可躲”。

 

5 灾害性天气正在成为新常态? 

值得注意的是,受风暴影响最严重的几个州,当天创下了数十个同期最高温度记录,例如田纳西州孟菲斯市12月10日气温达到26摄氏度,打破了103年前的同期温度最高记录(23.8摄氏度)。近地面温度高,积聚了大量不稳定能量,加之强冷锋过境,冷暖气团交替造成了强烈的大气不稳定,成为本次龙卷爆发的关键。但是,全球变暖是否是本次事件背后的直接推手,科学界尚无定论

另外,气候变暖是否导致龙卷事件更加频发以及更加具有毁灭性?答案也不明确。一方面,过去龙卷风的发现主要依赖于目击者的叙述,而当今人们通过现代科技雷达观测系统能够更多地“发现”龙卷。因此,当前已知的龙卷风数量的增加趋势无法归因为气候变暖。另一方面,龙卷的评级还需要根据造成的灾害损失评估,而受龙卷风侵袭的地区客观存在着人口增长、经济发展的情况,这也会是近年来龙卷风导致目击者报告和财产损失双双增加的原因[16] 。

从气象的角度,难以确定龙卷风长期趋势的原因在于:无法判断形成龙卷风的两大环境要素——大气不稳定和风切变——的变化趋势。在全球变暖的大背景下,大气不稳定增强,增加了龙卷发生的可能性;但风切变增强或减弱的趋势仍存在争议[17, 18]。

但是,目前科学可以给出定论的是——随着气候变化的加剧,极端天气包括极端降水、洪水、干旱、热浪将变得更加频繁,造成的损失将更为严重[19, 20, 21,22]。

今年8月颁布的联合国政府间气候变化委员会(IPCC)第六次评估报告[20]也同时明确了这一点,并强调了评估和管理气候变化风险,以及做好极端灾害早期预警的必要性。根据世界气象组织(WMO)发布的综合性报告[23],过去50年间,由天气、气候、洪水引发的灾害平均每天导致115人死亡,造成2.02亿美元的损失。报告同时指出,通过预警措施和灾害管理的改进,大灾导致的死亡人数几乎减少了3倍。

 

6 小结 

最后,回顾本次龙卷风集群袭击美国中部事件全过程,我们可以回答文章导读部分提出的3个关键问题:

问题一:应对灾难“四步走”:预警—预报—民众接收信息—防御响应,究竟是哪一环节出了问题?答:前两个环节(预报、预警)堪称出色,第三、四个环节(民众接收信息—防御响应)存在漏洞

问题二:全球变暖是否是本次事件的背后推手?答:科学尚无定论

问题三:未来的防灾方向工作重点如何?答:改进预警措施和开展有效的灾害管理


参考文献:

[1]https://edition.cnn.com/2021/12/11/weather/severe-weather-tornadoes-saturday

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/WjU4M8_sIFSNk4cjPoaSfg

[3]https://www.weather.gov/pah/Dec10-112021Tornado

[4]https://www.spc.noaa.gov/efscale/

[5]https://edition.cnn.com/2021/12/12/us/climate-change-tornado-disaster-risk/index.html

[6]Tang, Y., Lean, H.W., Bornemann, J., 2013. The benefits of the Met Office variable resolution NWP model for forecasting convection. Meteorol. Appl. 20, 417–426. http://dx.doi.org/10.1002/met.130

[7]https://www.dwd.de/EN/ourservices/nwp_forecast_data/nwp_forecast_data.html

[8]Hoffmann, P., Merker, C., Lengfeld, K. , Ament, F., 2018. The Hamburg Tornado (7 June 2016) from the perspective of low-cost high-resolution radar data and weather forecast model. Atmospheric Research, 211, 1-11, https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2018.04.009.

[9]https://zhishifenzi.blog.caixin.com/archives/248394

[10]Trapp, R.J., Stumpf, G.J., Manross, K.L., 2005. A reassessment of the percentage of tornadic mesocyclones. Weather Forecast. 20, 680–687. http://dx.doi.org/10.1175/WAF864.1.

[11]https://weather.com/storms/tornado/news/2021-04-05-tornado-warning-nws-accuracy

[12]https://theconversation.com/why-the-southern-us-is-prone-to-december-tornadoes-173643

[13]https://www.bpb.de/politik/hintergrund-aktuell/337277/jahrhunderthochwasser-2021-in-de4tschland

[14]https://www.tagesschau.de/inland/innenpolitik/ueberblick-katastrophenschutz-101.html

[15]https://www.reuters.com/markets/commodities/why-tornadoes-are-so-difficult

[16]https://www.c2es.org/content/tornadoes-and-climate-change/

[17]Diffenbaugh, NS., Scherer., Trapp, RJ. Robust increases in severe thunderstorm enviroments in response to greenhouse forcing. Proc. Natl Acad. Sci. 110 (41) 16361-16366 (2013). https://doi.org/10.1073/pnas.1307758110

[18]Brook, HE. Severe thunderstorms and climate change. Atmos Res 123:129–138 (2013). http://doi.org/10.1016/j.atmosres.2012.04.002

[19]Oliver, E.C.J., Donat, M.G., Burrows, M.T. et al. Longer and more frequent marine heatwaves over the past century. Nat Commun 9, 1324 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03732-9

[20]Rahmstorf, S., Coumou, D. Increase of extreme events in a warming world. Proc. Natl Acad. Sci. 108, 17905–17909 (2011). https://doi.org/10.1073/pnas.1101766108

[21]Christian, J.I., Basara, J.B., Hunt, E.D. et al. Global distribution, trends, and drivers of flash drought occurrence. Nat Commun 12, 6330 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26692-z

[22]IPCC AR6 - Climate change 2021: The physical Science Bais. Summary for Policymakers.

[23]https://public.wmo.int/en/media/press-release/weather-related-disasters-increase-over-past-50-years-causing-more-damage-fewer

 



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