知道現(xiàn)在是知道未來(lái)的第一步,，所以為了預(yù)報(bào)天氣，我們必須知道當(dāng)前的天氣是什么。在以前沒(méi)有計(jì)算機(jī)的時(shí)代,，預(yù)報(bào)員就能通過(guò)匯總上來(lái)的風(fēng)力,、氣壓、溫度、降水等觀測(cè),，在地圖上畫(huà)出天氣系統(tǒng)，預(yù)報(bào)出幾天后的寒潮或降水。其中最重要的是識(shí)別出一些明顯的天氣系統(tǒng),，如鋒面等，然后根據(jù)氣流情況來(lái)判斷出走勢(shì),，看它們未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r,。但這些氣象數(shù)據(jù)是通過(guò)相距幾十上百千米的氣象站收集上來(lái)的,，所以只能反映一些尺度大的氣象系統(tǒng)，比如綿延上千千米的峰面,。與鋒面相比,，龍卷風(fēng)平均只有幾百米寬，最大也只有三四千米。想要借助相距幾十千米的氣象網(wǎng)絡(luò)來(lái)了解龍卷風(fēng),，就好像用捕大魚(yú)的網(wǎng)來(lái)?yè)菩〗痿~(yú),，完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)地表氣象站,，對(duì)于龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)太稀疏,。圖片來(lái)源：http://www./

那龍卷風(fēng)是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？用雷達(dá),。地面站點(diǎn)只是觀測(cè)固定的一個(gè)點(diǎn),，但雷達(dá)可以覆蓋周?chē)鷶?shù)百千米的距離。一旦龍卷風(fēng)進(jìn)入到覆蓋區(qū)域,，那么它的一些特征會(huì)影響雷達(dá)的信號(hào),，就可以發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)了。最常見(jiàn)的雷達(dá)是降水雷達(dá),。它的信號(hào)遇到空氣中的水滴衰弱,，從而能在雷達(dá)屏幕上現(xiàn)實(shí)出周?chē)慕邓闆r。由于帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn),，龍卷風(fēng)會(huì)在降水雷達(dá)上顯示出一個(gè)“鉤形”,。但許多強(qiáng)龍卷風(fēng)并不會(huì)在雷達(dá)屏幕上顯示出這一特征。為了檢測(cè)這些龍卷風(fēng),，需要用多普勒雷達(dá),。這種雷達(dá)可以測(cè)量靠近或遠(yuǎn)離雷達(dá)站的風(fēng)速。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō),，風(fēng)是環(huán)形的,，能在很短的距離內(nèi)從靠近變成遠(yuǎn)離。因此,，多普勒雷達(dá)上貼在一起的兩個(gè)紅綠色塊兒（分別代表遠(yuǎn)離和靠近）,，就很有可能是龍卷風(fēng)。

降水雷達(dá)與多普勒雷達(dá)上的龍卷風(fēng),。圖片來(lái)源：spc.noaa.gov

然而,，相對(duì)于檢測(cè)龍卷風(fēng)所需要的網(wǎng)絡(luò)密度，多普勒雷達(dá)站還很稀少,。我們前面說(shuō)了,，雷達(dá)站覆蓋面積是數(shù)百千米，而城市與城市的間隔也大概是這個(gè)距離,。聽(tīng)起來(lái),，在每個(gè)城市建一個(gè)雷達(dá)站并不是特別難的事情。但我們要考慮到,，地球是一個(gè)彎曲的球體,，雷達(dá)看不到遠(yuǎn)處的低空,。這就好像船只遠(yuǎn)航時(shí)，船身先消失在地平線,，我們只能看到聳立的比較高的船帆,。同樣的道理，雷達(dá)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)處的天空時(shí),，也只能看到中高層的天空,。可是龍卷風(fēng)最強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的部分是在從地面到3千米高度的低空,，高空特征并不明顯,。因此，對(duì)于龍卷風(fēng)這一低空現(xiàn)象來(lái)說(shuō),，雷達(dá)的有效監(jiān)控范圍只有幾十千米,。僅僅是為了看到龍卷風(fēng)，我們就需要更大密度的建立雷達(dá)站,。

地球曲度對(duì)觀測(cè)范圍的影響,。圖片來(lái)源：news.colostate.edu

美國(guó)在中部平原上建了一個(gè)密集的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。畢竟這個(gè)地區(qū)的龍卷風(fēng)太過(guò)頻繁,，每年有超過(guò)1000次,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)每年幾十次的頻率。氣象員一旦在雷達(dá)上看到龍卷風(fēng),，能根據(jù)基本的氣象狀況和地形,，相對(duì)準(zhǔn)確的對(duì)龍卷風(fēng)的走向作出預(yù)判。警報(bào)會(huì)通過(guò)電視,、無(wú)線電,、網(wǎng)絡(luò)向公眾傳播。警報(bào)只能比龍卷風(fēng)早到十分鐘左右的時(shí)間,，但民眾可以利用這短暫的時(shí)機(jī)前往地下室或避難所躲避龍卷風(fēng),。然而，美國(guó)的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)也沒(méi)能覆蓋整個(gè)區(qū)域,，所以每年依然有不少“野生”龍卷風(fēng)沒(méi)有被記錄,。

但對(duì)于戶外的交通工具來(lái)說(shuō)，短暫的警報(bào)時(shí)間可能起不了什么作用,。戶外的汽車(chē)很難在短時(shí)間內(nèi)找到一個(gè)合格的避難所,。很多戶外逃生經(jīng)驗(yàn)對(duì)龍卷風(fēng)也不適用。曾經(jīng)有這樣的案例,，車(chē)主把車(chē)停在水泥橋洞下,，自以為安全,。但橋洞實(shí)際上充當(dāng)了一個(gè)風(fēng)洞,。龍卷風(fēng)原本超過(guò)每小時(shí)100千米的風(fēng)速在這個(gè)風(fēng)洞中進(jìn)一步加速,，把汽車(chē)甩出去更遠(yuǎn)。走出汽車(chē)一樣不安全,，因?yàn)辇埦盹L(fēng)不但能把人卷走,，它所夾雜的高速碎屑能像子彈一樣致命。即使航船能下錨固定船身,，但這在龍卷風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)面前微不足道,。在龍卷風(fēng)來(lái)襲時(shí)，任何交通工具都很危險(xiǎn),。

龍卷風(fēng)肆虐后的車(chē)輛,。圖片來(lái)源：blogspot.com

那有沒(méi)有辦法提前預(yù)知龍卷風(fēng)到來(lái)，阻止人們交通外出呢,？除了對(duì)大型的天氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判,，我們現(xiàn)在可以用電腦程序來(lái)計(jì)算未來(lái)的天氣。這樣的程序被稱(chēng)為天氣模型,。天氣模型的原理很簡(jiǎn)單,，就是利用已知的物理規(guī)律，來(lái)在電腦中模擬氣象狀況,。這些程序至少需要知道當(dāng)前天氣狀況,，特別是基本的物理量：風(fēng)速、氣壓,、溫度和濕度,。我們已經(jīng)知道，對(duì)于龍卷風(fēng)這樣的“小魚(yú)”來(lái)說(shuō),，這些輸入量是很難觀測(cè)的,。

此外還有計(jì)算成本的問(wèn)題。模型實(shí)際上把世界分割成許多小格點(diǎn),。格點(diǎn)必須足夠小,，模型才有能力代表真實(shí)世界。這就好像許多電腦圖片,，你不斷放大,，總能看到許多小點(diǎn)和鋸齒，它們同樣是數(shù)字格點(diǎn)化的產(chǎn)物,。電腦需要計(jì)算和儲(chǔ)存格點(diǎn)上的信息,。格點(diǎn)越小，計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)越重,。但如果格點(diǎn)過(guò)大,，那么模型就像是那些“粗糙”的圖片，完全無(wú)法代表真實(shí)世界,。對(duì)于龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō),，它的尺寸很小,，就好像是照片拍到的一個(gè)遠(yuǎn)方小身影。為了看清這個(gè)人的臉,，我們必須要很高的分辨率,，也就是非常密集的格點(diǎn)。為了能模擬幾百米寬的龍卷風(fēng),，模型格點(diǎn)距離可能要在百米甚至更小的量級(jí),。即使最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也負(fù)擔(dān)不起這樣精度的全球模型,。

格點(diǎn)化的模型,。圖片來(lái)源：eoearth.org

即使我們能遍地撒網(wǎng)的建立觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，電腦的運(yùn)算能力都不是問(wèn)題,，龍卷風(fēng)的警報(bào)時(shí)間也很難達(dá)到一個(gè)小時(shí)以上,。天氣是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，有所謂的“蝴蝶效應(yīng)”：南美洲一只蝴蝶的振翅,，能引發(fā)北美的一次龍卷風(fēng),。更加嚴(yán)格的說(shuō)法是，初始條件的細(xì)微不同,，能造成未來(lái)結(jié)果的巨大差別,。就拿龍卷風(fēng)來(lái)說(shuō)，它經(jīng)常與中尺度的雷暴伴生,。美國(guó)氣象局看到大面積雷暴時(shí),，就會(huì)發(fā)出“龍卷風(fēng)預(yù)警” （Tornado Watch）。但兩次看起來(lái)幾乎一模一樣的雷暴,，一個(gè)造成龍卷風(fēng),，另一個(gè)就可能沒(méi)有龍卷風(fēng)的蹤影。因此收到預(yù)警的地區(qū),，真正發(fā)生龍卷風(fēng)的概率不到千分之一?，F(xiàn)實(shí)世界尚且如此復(fù)雜，電腦模型就更容易犯錯(cuò)了,。預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)時(shí),，模型可能會(huì)因?yàn)樾?shù)點(diǎn)十位以后的一個(gè)細(xì)微差別，導(dǎo)致完全不同的結(jié)果,。（作家劉慈欣所塑造的“三體”世界,，同樣是一個(gè)難以預(yù)報(bào)的非線性系統(tǒng)。）

橫軸為時(shí)間,，縱軸為溫度,。初始時(shí)的一點(diǎn)小差別，隨著時(shí)間變大,。圖片來(lái)源：physicscentral.com

如果把物理方程拆開(kāi),，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于天氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，地球自轉(zhuǎn)是最重要的線性項(xiàng)，能限制誤差的增長(zhǎng),。但地球自轉(zhuǎn)對(duì)天氣的影響與天氣系統(tǒng)的尺度相關(guān)。那些成功的天氣預(yù)報(bào),，都局限于特定的大尺度天氣系統(tǒng),。這些可預(yù)報(bào)的天氣系統(tǒng)尺度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),，比如延伸數(shù)千千米的鋒面,，或者持續(xù)數(shù)星期的中緯度風(fēng)暴。在這些相對(duì)持久天氣系統(tǒng)中,，地球的自轉(zhuǎn)能發(fā)揮作用,，把這些天氣現(xiàn)象組織成有規(guī)律的天氣系統(tǒng)。但龍卷風(fēng)尺度小,，發(fā)生時(shí)間短,，其“蝴蝶效應(yīng)”也愈發(fā)明顯，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)難以實(shí)現(xiàn),。

中緯度大尺度系統(tǒng),，才有比較強(qiáng)的可預(yù)報(bào)性。圖片來(lái)源：hko.gov.hk

其實(shí)在討論龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)問(wèn)題時(shí),，已經(jīng)觸到了現(xiàn)代科學(xué)的極限,。復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)報(bào)，無(wú)論是龍卷風(fēng),、地震,、金融，都將是難以解決的問(wèn)題,。對(duì)天氣事故的問(wèn)責(zé),，不應(yīng)無(wú)視基本的科學(xué)事實(shí)。（編輯：球藻怪）

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