在震耳欲聾的雷暴過後，一片詭異的寂靜降臨。隨後，密蘇里州喬普林市漆黑的天空中，一個巨大的、尖嘯的多渦旋龍捲風伸出了觸角。風速超過每小時200英里，在小鎮上撕開了一條四分之三英里寬、六英里長的破壞性路徑，摧毀了學校、醫院、企業和房屋，奪走了大約160人的生命。
在2011年5月22日星期日晚上龍捲風襲擊前近20分鐘，政府預報員釋出了預警。龍捲風觀察預警已生效數小時，而惡劣天氣展望也已釋出數日。這些預警比通常情況來得更早，但顯然還不夠及時。儘管應急官員處於高度戒備狀態，但許多當地居民卻沒有。
喬普林龍捲風只是2011年春季眾多龍捲風悲劇之一。一個月前，一場破紀錄的龍捲風群襲擊了南部部分地區，造成300多人喪生。四月是有記錄以來最繁忙的月份，約有750次龍捲風。
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2011年以550人死亡成為美國曆史上死亡人數第四多的龍捲風年份。這一多風暴年份也代價高昂。2011年發生的14起極端天氣和氣候事件——從喬普林龍捲風到颶風洪水和暴風雪——每起都造成超過10億美元的損失。這種強度持續到2012年初；3月2日，龍捲風在11箇中西部和南部州造成40多人死亡。
近幾十年來，極端天氣預報工具取得了進步，但美國國家海洋和大氣管理局的研究人員和工程師們正在努力改進雷達、衛星和超級計算機，以進一步延長龍捲風和雷暴的預警時間，並更好地確定颶風強度和預報洪水。如果這些努力取得成功，十年後，居民將提前一小時收到關於嚴重龍捲風的預警，例如，讓他們有足夠的時間消化資訊，召集家人並尋找避難所。
雷達的力量
氣象學家道格·福賽思（Doug Forsyth）正在領導改進雷達的工作，雷達在大多數天氣預報中都發揮著作用。福賽思是美國國家海洋和大氣管理局國家強風暴實驗室雷達研究和開發部門的負責人，他最關心的是延長龍捲風的預警時間，因為致命的龍捲風形成迅速，而雷達是預報員感知新生龍捲風的主要工具。
雷達的工作原理是發射無線電波，無線電波會從大氣中的粒子（如雨滴、冰甚至昆蟲和塵埃）反射回來。透過測量返回雷達的無線電波的強度以及往返所需的時間，預報員可以看到降水的位置和強度。美國國家氣象局目前使用的多普勒雷達還可以測量返回波的頻率變化，從而提供降水移動的方向和速度。這項關鍵資訊使預報員能夠在龍捲風形成之前看到雷暴內部發生的旋轉。
1973年，美國國家海洋和大氣管理局的氣象學家羅傑·布朗（Rodger Brown）、萊斯·萊蒙（Les Lemon）和唐·伯吉斯（Don Burgess）在分析襲擊俄克拉荷馬州聯合市的龍捲風資料時，發現了這項資訊的預測能力。他們注意到雷達資料中非常強的出站速度緊挨著非常強的入站速度。這些資料的視覺呈現如此非同尋常，以至於研究人員最初不知道這意味著什麼。然而，在將資料與龍捲風的位置匹配後，他們將這些資料命名為“龍捲渦旋特徵”（Tornadic Vortex Signature，TVS）。TVS現在是最重要和最廣為人知的指標，表明極有可能正在發生龍捲風或在不久的將來有可能發生龍捲風。這些資料使龍捲風預警的提前時間得以延長，從1987年的全國平均3.5分鐘增加到今天的14分鐘。
雖然多普勒雷達具有變革性，但它並非完美。它使像福賽思這樣的氣象學家無法看到給定粒子的形狀，而形狀可以區分例如暴雨和沙塵暴。具有諷刺意味的是，當一次失敗的視力檢查使他從美國空軍飛行員的雄心壯志轉向氣象學事業時，他的人生軌跡發生了改變。從那時起，福賽思一直專注於雷達升級，以便為預報員提供更好的大氣視野。
一項關鍵的升級稱為雙極化。這項技術使預報員能夠更自信地區分降水型別和降水量。雖然雨滴和冰雹有時可能具有相同的水平寬度——因此在多普勒雷達影像中看起來相同——但雨滴更扁平。瞭解粒子形狀的差異減少了預報員識別雷達掃描中特徵所需的猜測。這種理解有助於產生更準確的預報，以便居民知道他們應該為冰雹而不是雨做好準備，例如。
有關粒子大小和形狀的資訊還有助於區分龍捲風和強雷暴捲起的空中碎片，因此氣象學家可以識別正在發生的破壞性風暴。當追蹤器正在處理肉眼看不見的龍捲風時，粒子資料尤其重要。如果龍捲風被暴雨籠罩或發生在夜間，雙極化仍然可以檢測到空中碎片。
美國國家氣象局正在將雙極化技術——它也有助於監測颶風和暴風雪中的降水——整合到全國所有160部多普勒雷達中，預計到2013年中完成。與此同時，美國國家海洋和大氣管理局的人員正在培訓預報員解釋新的影像。位於北卡羅來納州紐波特/莫爾黑德市的天氣預報辦公室是第一個使用這種雷達掃描熱帶氣旋的機構，當時颶風“艾琳”於2011年在北卡羅來納州登陸。在那次風暴期間，雙極化雷達在檢測降水率方面比更北部的傳統多普勒雷達更準確，因此在預測洪水方面也更準確。改進後的能力無疑挽救了卡羅來納州的人們的生命；在更靠北的海岸，在沒有這項技術的情況下，颶風“艾琳”儘管有早期預警，但仍然更致命，奪走了近30人的生命。
美國國家海洋和大氣管理局的研究氣象學家帕姆·海因塞爾曼（Pam Heinselman）認為，美國海軍用於探測和跟蹤敵艦和導彈的另一項先進雷達技術也具有改善天氣預報的巨大潛力。海因塞爾曼領導著位於俄克拉荷馬州諾曼市的國家天氣雷達試驗檯的一個電氣工程師、預報員和社會科學家團隊，專注於一種名為相控陣雷達的技術。
當前的多普勒雷達一次掃描一個仰角，使用機械轉動的拋物面天線。一旦天線完成完整的360度切片掃描，它就會向上傾斜以取樣大氣層的另一個小扇區。在從最低到最高仰角取樣後（在惡劣天氣期間，相當於14個單獨的切片），雷達返回到最低仰角並重新開始整個過程。在惡劣天氣期間掃描整個大氣層需要多普勒雷達四到六分鐘。
相比之下，相控陣雷達同時發出多束波束，無需傾斜天線，從而將風暴掃描之間的時間縮短到不到一分鐘。這種改進將使氣象學家能夠“看到”雷暴環流中快速演變的變化，並最終更快地檢測到導致龍捲風的變化。海因塞爾曼和她的團隊已經證明，相控陣雷達還可以收集目前無法獲得的風暴資訊，例如風場的快速變化，這可能會先於風暴強度的快速變化。
海因塞爾曼和其他人認為，僅相控陣技術就可以將龍捲風預警時間延長到18分鐘以上，但還需要進行更多的研究和開發。理想情況下，相控陣系統將有四個面板，用於發射和接收無線電波，以提供360度的大氣視野——東西南北各一個。諾曼市的研究人員只製造了可用於天氣監視的單面板系統，相控陣雷達成為全國範圍內的常態可能還需要至少十年時間。
天眼
當然，即使是最好的雷達也無法看到山脈上方或颶風形成的海域。預報員依靠衛星來應對這些情況，並且還依靠衛星來提供更廣泛的資料，以補充來自給定雷達的區域性資訊。美國國家海洋和大氣管理局的天氣衛星提供了超過90%的日常和長期預報資料，它們對於提前數天提供惡劣天氣潛在警報至關重要。為了改進這種基本環境情報的傳遞，美國國家海洋和大氣管理局將在未來五年內部署一系列新技術。
如果沒有更詳細的衛星觀測，延長準確天氣預報的範圍——特別是對於颶風等極端事件——將受到嚴重限制。天氣監測需要兩種型別的衛星：地球靜止衛星和極地軌道衛星。地球靜止衛星固定在距地面約22,000英里的一個位置，傳輸地球表面的近連續檢視。透過使用每隔15分鐘拍攝的圖片迴圈，預報員可以監測快速增長的風暴或檢測颶風的變化（但不能檢測龍捲風）。
極地衛星在距地面約515英里的高度繞地球兩極軌道執行，可以更近距離、更詳細地觀測大氣不同層的溫度和溼度。一組全球性的低地球軌道（LEO）衛星每12小時覆蓋全球。
美國國家海洋和大氣管理局計劃在本十年發射一系列新的低地球軌道衛星，作為聯合極地衛星系統的一部分，這些衛星配備了更新的硬體和更精密的儀器。它們的資料將用於計算機模型，以改進天氣預報，包括颶風路徑和強度、強雷暴和洪水。先進的微波和紅外感測器套件將傳遞大大改進的大氣溫度、壓力和溼度的三維資訊，因為溫度和溼度的快速變化，加上低壓，預示著強風暴。紅外感測器在無雲區域提供這些測量資料，而微波感測器可以“穿透雲層”看到地球表面。
2011年4月，在強風暴系統席捲南部六個州的前五天，美國國家海洋和大氣管理局當前的極地軌道衛星提供的資料被輸入模型後，促使美國國家海洋和大氣管理局風暴預測中心預測“可能發生歷史性的龍捲風爆發”。該中心在事件發生前的午夜將風險等級提升至最高級別。這種展望級別是為最極端的情況保留的，不確定性最小，僅在檢測到極度爆發性風暴的可能性時使用。新的低地球軌道衛星應該能夠提前五到七天做出這樣的預測。
地球靜止衛星也將得到改進。將安裝在2015年發射的地球靜止業務環境衛星-R系列衛星上的先進儀器將每五分鐘對地球進行可見光和紅外波長成像。它們將觀測頻率從每15分鐘增加到每五分鐘或更短，使科學家能夠監測強風暴的快速增強。地球靜止業務環境衛星-R衛星還將提供世界上第一個從太空觀察西半球閃電發生位置的視野。閃電繪圖儀將幫助預報員檢測雲內和雲對地閃電頻率的跳躍式增長。研究表明，這些跳躍式增長髮生在冰雹、強風甚至龍捲風發生前20分鐘或更長時間。
數十億的資料
每項新的雷達技術和衛星技術都可以將預警時間提前幾分鐘，但將從所有這些系統獲得的資料整合到預報計算機模型中，可以提供更多的時間。例如，龍捲風預警可以提前一小時釋出。這種提前時間本可以在喬普林市發揮巨大作用。
預報模型基於控制大氣運動、化學反應和其他關係的物理定律。它們處理數百萬個代表當前天氣和環境條件（如溫度、壓力和風）的數字，以預測大氣層的未來狀態。想象一下覆蓋地球表面的網格。再想象一下幾百英尺高的另一個網格——以及另一個又一個，一層又一層，一直到距地面約30英里的平流層頂部。需要數百萬行程式碼來轉換正在觀測的數十億個網格點。
今天的典型預報模型使用表面網格，網格大小約為5到30平方英里。正方形越小，模型的解析度越高，並且它在檢測可能引發風暴的小規模大氣變化方面就越好。然而，處理更多的資料點需要更快的超級計算機。
建模方面的進步還需要能夠整合所有這些資料並解釋它們的人才。美國國家海洋和大氣管理局環境建模中心代理主任比爾·拉彭塔（Bill Lapenta）負責這項轉換工作，該中心負責為未來12、24、36、48和72小時及更長時間生成數值預報。氣象學家將美國國家海洋和大氣管理局的模型與來自國際建模中心的其他模型進行比較，以得出在網路或晚間新聞中看到的預報。
位於西弗吉尼亞州費爾蒙特的美國國家海洋和大氣管理局超級計算機每秒可以處理73.1萬億次計算。但拉彭塔認為，更快的速度是可能的，這將使模型能夠以更小的尺度執行。例如，僅一平方英里的網格將使模型能夠模擬將常規雷暴或颶風變成怪獸的小規模條件。美國國家海洋和大氣管理局計劃使用橡樹嶺國家實驗室的一些最新超級計算機開始構建此類模型。拉彭塔希望這種高解析度模型可能會在2020年左右開始出現。
拉彭塔預見到，在未來十年內，新型雷達和衛星不斷增強的能力將與新一代精細的天氣預報模型相結合，這些模型將在速度超過每秒百億億次計算的計算機上即時執行。為了使它們成為現實，像拉彭塔這樣的科學家正在研究需要在編碼中體現的數學、物理和生物地球化學關係，以便這些關係能夠無縫地協同工作。
如果美國國家海洋和大氣管理局對這種“腦力”的重大投資取得回報，預報員將不必等待雷達影像檢測到實際風暴後再發布提前14或18分鐘的預警。相反，他們將能夠根據提前很久生成的非常準確的模型預報釋出龍捲風、強雷暴和山洪預警，讓公眾有30到60分鐘的時間採取安全預防措施。
更優秀的科學，更明智的決策
隨著所有這些改進，紐約市天氣預報辦公室的氣象學家加里·孔特（Gary Conte）等將能夠更準確、更長時間地提前預報可能導致城市癱瘓的天氣災害，例如冰雪風暴。惡劣天氣展望將擴充套件到五天以上，颶風預報將擴充套件到七天以上，春季洪水威脅將在數週前已知。對天氣做好準備的國家的願景是避免2011年未減輕的災難的驅動力。
目標是到2021年，重建和蓬勃發展的喬普林市將提前一小時以上收到嚴重龍捲風預警。家庭將有更多時間聚集並進入安全房間。養老院和醫院將能夠將居民和患者轉移到避難所。零售商將有時間讓員工安全並關門歇業。手機將發出多條尋求庇護的提示資訊，而當地氣象學家將在電視和廣播中播放類似的警告。龍捲風警報器的嘹亮呼叫將增強這些警告的緊迫性。因此，即使是大自然最強大的龍捲風也會穿過城鎮，而不會造成任何生命損失。
本文以“更好地關注風暴”為標題在印刷版上發表。