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星期天晚上襲擊密蘇里州喬普林大部分地區的龍捲風幾乎沒有發出預警。 儘管當天大部分時間都在更廣泛的區域釋出了龍捲風觀察預警，但一些當地居民只有短短 20 分鐘的通知，得知一場最終將蔓延至四分之三英里的龍捲風即將襲擊他們。
由於計算能力的提高，氣象學家可以同時執行多個天氣計算機模擬，風暴觀察預警的釋出科學取得了重大進展。 但是，驅動雷暴——以及隨後的龍捲風——形成的區域性條件仍然難以預測。
大眾科學 採訪了國家氣象局風暴預測中心的預警協調氣象學家格雷格·卡賓，以更好地瞭解龍捲風預測的挑戰。
[以下是採訪的編輯稿。]
關於龍捲風預測的科學現狀如何？
我們在風暴預測中心處理的是，我們不釋出警告，我們釋出觀察預警。 在過去幾年中，我們在更大範圍的預測方面取得了一些進展。 我們無法在單個龍捲風發生前數小時發出提前預警，但我們可以在[有利]條件[形成風暴]建立之前數天發出提前預警。 就像我們在四月份在阿拉巴馬州和密西西比州發生的廣泛龍捲風中看到的那樣，我們在五天前就釋出了一個大的展望，圈出了從阿肯色州和路易斯安那州到田納西州的各州，並將這些地區標為發生嚴重風暴的風險較高。 我們預測多個州情景的能力得到了提高。
當您縮小到龍捲風事件的規模時，您正在處理可能覆蓋 5 到 10 公里空間的雷暴的實際形成。 這是難以捉摸的部分。 它的規模太小了。 在這種規模下，我們不完全瞭解龍捲風如何形成，甚至不瞭解雷暴如何形成，然後龍捲風如何從雷暴中形成的所有物理原理。
我們如何做出這些預測？
在喬普林龍捲風的案例中，可能有長達 30 分鐘的預警時間。 龍捲風預報中存在一個關鍵閾值：風暴形成之前和之後。 一旦單個風暴形成，鑑於我們對周圍環境的瞭解，我們預測的能力就會大大提高。 當您談論 13 分鐘、15 分鐘、20 分鐘或 30 分鐘的提前預警時間時，只有當風暴出現在雷達上時才有可能。 在風暴實際形成之前，這是不可能的。
國家氣象局系統在全國設有 120 個辦事處，配備高度精密的 Doppler 雷達和氣象學家，他們觀看雷達來解釋風暴的危險性。 但在實際雷暴形成之前，龍捲風威脅的不確定性要高得多，我們只能在更大的區域和更長的時間跨度內解決。
哪些技術使更大規模預測的這些進步成為可能？
自雷達以來，氣象學中最具革命性的方面是集合預報——預測未來幾天大氣狀態的模型。 二十年前，我們有少數幾個計算機模型，最多可以預測到五天後的半球尺度。 可能只有兩三個模型可供選擇……現在，藉助集合和計算技術的進步，我們可以同時執行許多模型——一次 20 個，並且作為氣象學家，第一次不僅可以深入瞭解未來的預測，還可以瞭解預測的置信度。 我們可以開始談論比其他[大氣]模式更可預測的模式。 我們對這個預測比另一個預測更有信心。
大氣層並不總是具有相同的可預測性。 有些模式比其他模式更可預測。 集合可以給您一個很大的範圍，或者解決方案可以聚集在一起。 如果您看到聚集，您就會對特定情景更有信心，因為模型似乎都同意。 現在，更多時候，存在很大的範圍。 仍然存在不確定性的困境。 但您可以開始說，我對這種模式比對那種模式更有信心。
我們需要做出哪些改進才能實現更好的區域性龍捲風預測？
這一切都歸結為處理非線性，這是我們經常看到大氣表現得像的那樣。 大氣是非線性的——它是動態的，它依賴於初始條件，並且在某種程度上是不可預測的……溫度是大氣中的一個變數，我們可以非常準確地測量它。 我們瞭解所涉及的過程。 龍捲風是完全不同的動物。 它們的形成與初始條件有關——環境如何結合在一起，我們不瞭解其中的某些方面。 “蝴蝶效應”[看似微不足道的擾動導致大規模影響] 絕對適用於這種環境。
我們將永遠無法獲得大氣變數和測量所需的解析度，以實現某種完美的預測。 這是不可能的……我們或許可以獲得，比如說，龍捲風發生前一小時的提前預警時間。 在那個領域，在風暴實際形成之前，我們正在執行我們稱之為風暴尺度模型的模型。 我們在集合中執行它們。 即使這樣，我們也無法提供確定性預報。 我們可以給出某個區域可能發生某種情況的機率。
我們已經在觀察預警和展望方面這樣做了，例如在 25 英里區域內發生龍捲風的可能性為 20%。……我們正在朝著風暴尺度集合方向發展，以更好地瞭解龍捲風雷暴在小於州但大於縣的區域內形成的潛力。
具體來說，我們不理解哪些因素使得龍捲風預測如此困難？
我們不理解大氣中的正反饋和負反饋機制……有太多的細微調整，細微的調整，可能會對您最終是否形成風暴產生巨大影響。 大氣對龍捲風形成要素的敏感性以及放大我們甚至無法觀察到的微小變化可能會對預報產生巨大影響。
關鍵要素是什麼？
惡劣天氣的基本要素是水分含量[和]不穩定，這意味著溫度變化[大氣層較高或較低]，例如高空空氣比地面空氣冷。 基本上，問題是如果您位移地面的氣團，它會繼續上升還是[它會]冷卻並掉落？ 穩定的氣氛[意味著]上升的空氣會回落。 然後是抬升或上升，通常在大範圍內，但在小範圍內也是如此。 然後，對於龍捲風或有組織的惡劣天氣，存在風切變——風速和/或方向隨高度變化。 看到高空風速較高並不罕見，但風速的特性以及隨高度的變化在風暴持續、旋轉併產生龍捲風和冰雹的能力中起著作用。
我從小在密蘇里州長大時聽到的老建議是，如果您看到綠色的天空或如果風從兩個方向吹來，就躲起來——是真的嗎？
如果您看到綠色的天空，風暴幾乎就在您眼前； 從那裡預測，這就是我們所說的“傻瓜氣象學”。 如果天空是綠色的，則高空有大量水分和雨水或冰雹。 要保持高空的水和冰雹量，需要非常強的上升氣流。 附近有一個強烈的雷暴，將大量的水和冰雹保持在空中。 如果有強烈的上升氣流，那麼您離強烈的下降氣流不遠了。
龍捲風，如果它要發生，就會發生在上升氣流和下降氣流的介面，即快速上升的空氣和快速下沉的空氣……與下降空氣相關的冷空氣與前方上升的空氣交介面——這是一個大氣中潛在旋轉的區域。 您將水平面中存在的潛在旋轉變為垂直方向——這就像花樣滑冰運動員的經典角動量。 透過將快速旋轉的空氣向上拉並聚集在一起，它將旋轉得更快。 這就是龍捲風形成的動態。
我們是否看到更大的龍捲風、更強的風暴的形成？
如果我們是，我也無法告訴您。 長期記錄既不夠長，質量也不夠高，無法讓我們對此做出判斷。 它實際上只可以追溯到 1950 年，或者也許我們可以將資料彙總到 1800 年代。 但隨著時間的推移，報告的龍捲風越來越少，因為周圍的人越來越少。 長期記錄的質量不是很好，也不夠長，無法讓我們說出來。
請記住，這些都是極端、罕見的事件。 返回頻率的時間長度是如此之長，以至於您需要非常長的記錄才能說出現在的龍捲風比以前更強烈或更猛烈。
為了給您舉一個短期記錄的例子，就在過去兩個月，[我們經歷了]四月份龍捲風數量非常多。 如果四月份很忙，那麼五月份可能會保持忙碌，因為五月是龍捲風最活躍的月份。 [但是]我們遇到了相反的情況。 我們進入五月的前三週，幾乎沒有任何龍捲風。 我們可以說，四月份的活動與五月份發生的事情之間沒有相關性。 我們不能將其用作預測工具。 這只是這場遊戲的本質，並指出了我們談到的關於龍捲風預報的氣象學的潛在非線性。
龍捲風是否與任何更大的大氣模式相關，例如拉尼娜現象？
我昨天剛在網站上釋出了一個圖表，自 1950 年以來的每日龍捲風數量。……如果您檢視厄爾尼諾現象和拉尼娜現象，則相關性不是很高，儘管三月和四月的拉尼娜現象模式可能更有利於更嚴重的惡劣天氣活動。 同樣在中性年份，當我們在拉尼娜現象和厄爾尼諾現象之間過渡時，我們處於一個將支援高於正常水平的風暴活動的體制中……厄爾尼諾現象往往對惡劣天氣不利……它不像我希望的那樣容易或清晰。