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长江翻船以后:中国为什么不能预报龙卷风

2015-06-23 11:01:38 来源:南通大学校科协 浏览:942
内容提要:        要确定龙卷风,光从雷达回波里是看不出来的,必须要拍摄到龙卷风的漏斗状云的照片。


    文章来源:蝌蚪五线谱
    要确定龙卷风,光从雷达回波里是看不出来的,必须要拍摄到龙卷风的漏斗状云的照片。

  2015年6月1日,长江上一艘名为“东方之星”的大型客船被大风吹翻,引起400多人遇难。这起事故,在一开始的媒体报道之中被宣传为“龙卷风”导致东方之星翻船。

  对于龙卷风到底是什么,可能很多人都没有亲身经历过,而关于龙卷风在大气科学中的准确的定义与物理含义,更多人都无法搞清楚。因此蝌蚪君专访了北京大学教授和博士生导师刘式达。这次长江翻船到底是不是龙卷风引起的?

  刘式达说,关于这次长江翻船到底是不是龙卷风引起的,不能确定。因为目前大家似乎并没有拍摄到事故当天晚上的照片,尤其是没有拍到漏斗状云, 所以他认为不能确定这次事故到底是不是龙卷风引起的。要确定龙卷风,光从雷达回波里是看不出来的,必须要拍摄到龙卷风的漏斗状云的照片。

  那么龙卷风到底是什么呢?请看下面的具体分析。

  对龙卷风的分析还必须基于物理学的角度。

  龙卷风的研究属于大气动力学这个学科

  曾有一个叫李政道的大物理学家这样说过:“人每时每刻都在呼吸着,所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了,将会怎样?物理学对我来说就好像呼吸一样。”是的,我们人类生活在地球上,空气的存在经常被大多数人忽视,以为这是习以为常的东西,其实空气不但对我们的呼吸有用,而且还可以帮助飞机在高空翱翔,当然空气的运动也会带来台风或者龙卷风。对于后者,有一门专门的研究学科,那就是“大气动力学”。

  刘式达介绍说,自己从江苏扬州中学毕业后,一开始是在北京大学物理系,后来在北京大学的地球物理系,现在在物理学院大气海洋科学系。当时北京大学的地球物理系最主要的科学家是谢义炳院士,他与刘式达是同一个中学毕业的,他是后来的北京大学地球物理系的系主任。他卸任后,刘式达接任系主任。

  刘式达在北京大学教授的科目比较多,一开始是整个物理系的计算方法课程,就是那些龙格-库塔方法,差分法,有限元法啊等等,后来他也从事湍流研究,改革开放以后,他主要从事非线性动力学的研究。而这些研究总的来说都与大气的运动规律有关。大多数情况下,大气的运动是一种湍流,其运动规律满足纳维——斯托克斯方程(蝌蚪君注:完整解决这个方程可以得到Clay数学研究所提供的100万美元的奖金)。

  蝌蚪君问道:“北京大学的老校长周培源也是搞湍流研究的吧?”

  刘式达:“周培源主要搞水的湍流,我主要搞大气的湍流。水与大气有非常大的不同,水的密度是基本上是均匀的,大气的密度随着高度是变的。”

  大气也是一种流体,龙卷风就是发生在大气中的一个天气现象。但因为大气的运动规律满足纳维——斯托克斯方程这个高度非线性的偏微分方程,而这个方程在一般情况下是无法求解的,因此大气科学还是一个十分前沿的学科。刘式达教授与他的双胞胎弟弟刘式适一起,出版了《大气湍流》等许多高水平的著作,他兄弟也是北京大学的教授。

  但中国还没有专门研究龙卷风的机构

  对于龙卷风很多人也许只在电影里看到过,而关于它到底是什么,估计很多人是“只可意会,不可言传”了。比如龙卷风的一些基本的物理常识,就不是很多人能懂的。

  蝌蚪君问道:“那么,我们把话题集中到龙卷风这个特殊的天气现象。龙卷风的大小尺度,到底由什么物理量决定呢?”

  刘式达回答说:“大气中的不同天气系统空气受力的情况不一样,受力情况决定龙卷风的形成。日常天气预报中关心的中纬度的气旋和反气旋的尺度就有上千公里。而再比如说台风,台风的尺度是百公里量级。而至于你说的龙卷风,它的尺度很小,大概只有几十米到100米的量级。“

  因为大多数中国人看到的龙卷风的报道都发生在国外,于是就会好奇为什么美国的龙卷风比中国的龙卷风要多,对于这个问题刘式达解释说,这是因为美国的两边都是海洋,大西洋与太平洋,所以强对流比较丰富。而中国只有一边是海洋,另外一边是新疆,西藏等沙漠高原地带,强对流没有像美国那么丰富。

  在美国一年要发生1000多次龙卷风,而在中国可能只有10几次,也正因为中国的龙卷风样本比美国少很多,所以中国目前还没有专门研究龙卷风的机构。

  龙卷风出现特征

  关于天气预报,有一个重要的方程叫做洛仑兹方程。洛仑兹方程是近似的纳维——斯托克斯方程(这个方程在本文前面提到过,就是描述大气运动的基本方程)。洛仑兹方程是天气预报的基本方程,也是蝴蝶效应的起源。洛仑兹一开始做了3维的近似,后来也做过6维的近似。当时是1963年,计算机比较低端,更高维的近似计算机也算不出来了。

  蝌蚪君问:“很多人关心的是,龙卷风能预报吗?”

  刘式达说:“我听说美国可以提早10分钟预报龙卷风。若有强的超对流单体的雷雨云,用雷达看到,可以预报,但雷雨云底下一定要形成一个漏斗状的云,这是出现龙卷风的必要条件。云底下伸出一个很长的涡管,旋转起来就形成龙卷风。”

  蝌蚪君问道:“气象卫星能拍摄到龙卷风的图像吗?”

  刘式达解释道:“龙卷风,它的尺度很小,大概只有几十米到100米,这个尺寸太小了,由于云层阻挡,气象卫星不易看到龙卷风的漏斗状云,卫星也不可能时时跟着龙卷风。你看马航的飞机失踪了,飞机的长度有100多米(这个尺寸与龙卷风的尺寸差不多),没有一颗卫星拍到了它失踪时的图像——到现在,飞机掉哪里去了不知道!“

  那么龙卷风的出现,还有什么一定会出现的现象呢?

  “龙卷风的出现,还必须要有一个高速上升的气流?”蝌蚪君追问道。

  “是的,平时空气的上升气流的速度只有每秒几毫米,龙卷风发生时的垂直上升气流的速度可以达到每秒6米。所以对流非常强烈,本来云层中的水平涡管受强烈上升气流的影响变成垂直方向,这为龙卷风的产生提供了必要条件。”刘式达说。事长、英国皇家气象学会会员,他也曾经担任过北京大学地球物理系主任长达10年之久。

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