坎坷追風路
——佛山市龍卷風研究中心李兆明博士談龍卷災情調查

■ 侯美亭

【編者語】

2019年7月遼寧鐵嶺市開原遭受龍卷風襲擊，災后及時的災情調查對于此次龍卷的定級起到了非常重要的作用。本刊針對我國龍卷災情調查、災調對于災情預警的意義、觀測手段的進步等問題采訪了佛山市龍卷風研究中心李兆明博士。

侯美亭：請介紹龍卷風等強對流天氣災情調查的目的、國內外現狀？觀測平臺（如無人機、衛星技術等）的進步如何影響著災調發展歷程？

李兆明：對龍卷風等強對流天氣進行及時的災情調查，有助于第一時間確定災害類型和受災程度。通過現場災情調查，獲取強對流天氣發生的視頻、照片資料，了解目擊者對強對流發生時聲音、天氣現象、時間等的描述，航拍受災情況，科學還原強對流發生的時間、地點、路徑以及災害情況等，為龍卷風等強對流天氣研究提供科學數據資料；收集龍卷個例，分析發生龍卷時的不同天氣背景及雷達監測特征，建立科學詳實的龍卷個例庫；了解致災原因，尤其是造成人員傷亡的情況，為提升防災減災和預報預警能力提供參考依據。

圖1 本刊編輯采訪李兆明博士（右二）

信息框1：2019年我國龍卷事件發生情況

2019年我國可確認的龍卷天氣過程有8次、共9個龍卷，龍卷數量較2004—2013年的年平均統計結果是屬于偏少年景，龍卷發生時間集中在4—8月，其中8月最多。2個為臺風龍卷，其他為西風帶龍卷，臺風龍卷個數比常年偏少，可能與2019年是厄爾尼諾年，生成和登陸我國的臺風個數比常年偏少相關。

目前，美國和歐洲大部分國家已經建立了國家（或區域）龍卷風數據庫。美國國家氣候數據中心（NCDC）和風暴預測中心（SPC）共同建立了國家級龍卷風數據庫風暴事件數據庫，涵蓋了美國1950年至今的龍卷風數據。歐洲強風暴實驗室（ESSL）于2006年建立了歐洲強天氣數據庫（ESWD）。中國氣象局國家氣候中心于2008年開始建立中國龍卷風災情普查數據庫，截止目前收集整理了1984以來的中國龍卷風災情。

借助于觀測平臺，有助于準確判斷龍卷發生時間與影響范圍，尤其是近年來無人機技術的發展，對災害現場的全方位立體觀測并進行災后三維重建，準確評估受災情況，為防災減災提供參考依據（鏈接1）。

侯美亭：請簡要介紹佛山龍卷風災害調查方面的規范、標準的建立和形成過程？并對調查規范進行簡要概述？另外，國際上是否也已經建立了有關的災調規范，如有的話，請進行對比。

李兆明：2013年龍卷風研究中心成立后，主要工作包括：強對流監測設備的建設；臺風外圍龍卷特征研究；龍卷報料機制及災情調查規范的制定等。2015年10月4日臺風彩虹龍卷襲擊佛山，影響時間32 min、路徑長度31.7 km，23個鎮（街）受災，造成死亡4人，受傷95人，受災人口超過4.2萬，龍卷中心及局里科研業務人員都參與了此次龍卷的災情調查，親身感受當時受災情況，分析不同災情指示物的受損程度，從現場目擊者、互聯網、公安部門等不同渠道搜集災情信息，逐步整理災害調查技術文檔，2017年制定了《佛山市龍卷與雷暴大風災情調查技術手冊（試行）》。近4年龍卷中心參加了國內、省內40多次龍卷風等風災災害調查（信息框1），在實際的龍卷等風災調查中逐步修訂技術手冊，形成比較完備的龍卷災情調查制度。龍卷災情調查制度確保第一時間奔赴受災現場，盡可能完整地收集龍卷風的災情信息，建立完善龍卷風資料庫，主要包括災調前期無人機等設備的準備與聯系受災當地氣象部門，災情現場嚴格按照《佛山市龍卷與雷暴大風災情調查技術手冊（試行）》全面收集龍卷災情信息，災調完成后對此次過程的分析。

侯美亭：請以2019年開原龍卷風災調為例，以示意圖的形式給出龍卷風災害調查的完整過程。

李兆明：2019年7月3日遼寧鐵嶺市開原遭受龍卷風襲擊，造成7人死亡，190人受傷。7月4日到6日，佛山市龍卷風研究中心隨同國家氣象中心、遼寧省氣象局、鐵嶺市氣象局、開原市氣象局等聯合開展龍卷災害調查，通過無人機航拍、現場勘查取證、影像資料收集、現場走訪等方式，結合多種氣象數據綜合分析研判，此次龍卷始發于金溝子鎮金英村北約1 km處，在瓜臺子村南約1.8 km處消散，全程直線距離約14 km，大部分路徑明顯破壞寬度約200～400 m，嚴重破壞寬度約50～100 m，最大破壞強度達EF4級、行標四級，屬于超強龍卷。此次龍卷風災害調查的完整過程如圖2所示。

圖2 龍卷災害調查流程圖

侯美亭：請對災調指示物進行介紹，如何選取和判定災調指示物，災調指示物對于龍卷風定級具有什么意義？龍卷風路徑及外圍的氣象變量具有怎樣的特征？龍卷風災害發生區域有無氣象數據（比如來自自動站的數據）對于災調具有怎樣的意義？

李兆明：災情指示物是指對評估龍卷等造成破壞程度有指示作用的物體。20世紀70—80年代Fujita根據龍卷路徑上建筑物的受損程度及其與風速的對應關系將龍卷分為6個等級，從F0級到F5級，即“藤田級別”（F-Scale），此后藤田級別法得到廣泛的應用。2007年美國氣象局對藤田級別進行了調整，新增了28種災情指示物，如不同結構、不同建材、不同高度的建筑物，電線架，塔架，硬木，軟木等，形成國際慣用的龍卷強度等級（EF-Scale）。2019年8月份中國氣象行業標準《龍卷強度等級》開始實施，將龍卷強度分為4個等級，選取的災情指示物主要為建筑物類、構筑物類與樹木類等。

侯美亭：高質量的災調面臨什么樣的科學問題？或者說，完成一次高質量的災調需要做好哪些準備，需要對哪些方面進行詳細調查？另外，我們了解到，無人機可能是目前重要的災調裝備之一，而無人機的續航能力可能是無人機正常工作的主要限制因子，對于這個問題，請問有無好的解決方法？

李兆明：災情調查為科學評估受災情況、檢驗預報預警服務效益以及服務防災減災等方面提供依據。災情調查評估內容（信息框2）應當包括氣象災害情況及其強度、出現災害的原因（包括對氣候條件的科學估計）、預報服務的有效性和存在的問題以及災后恢復生產的氣象建議等。完成災情調查需要了解天氣形勢，雷達監測實況，根據雷達上強回波或中氣旋位置大概確定龍卷可能發生的時間路徑等，在災調現場盡可能采訪更多目擊者獲取視頻照片資料，詳細記錄災調路徑上的災情指示物確定每階段的強度等級影響范圍等，利用無人機進行全方位的航拍是記錄受災情況最主要的方式，無人機電池是無人機正常工作的關鍵部件，有時候會對航拍起到至關重要的作用，2016年6月23日江蘇鹽城龍卷時，由于我們攜帶足夠的無人機電池，完成了從起點到終點的全程航拍，為調查組提供第一手的航拍資料，也為科學評估此次龍卷災害提供依據。

信息框2：龍卷現場災情調查的內容及難點

龍卷現場災情調查是確定龍卷強度等級的主要手段，災情調查中一般分為兩組：（1）航拍組，主要通過無人機對受災區域進行全方位航拍，在此基礎上確定龍卷路徑長度、不同等級破壞范圍，細致調查不同災害指示物受損情況，確定路徑上每個階段的最強破壞指示物特征、位置、影響范圍等；（2）現場走訪組，主要向民眾了解龍卷經過當地的時間、描述當時情景，了解致災原因，預報預警信息獲取情況，防災減災情況等。獲取龍卷相關的視頻資料存在難度，視頻資料是證明龍卷發生的最確切的資料，由于龍卷突發性強，可能伴隨著強烈的天氣過程，當地居民很難拍攝到龍卷視頻；龍卷發生的具體時間不清晰，少數龍卷發生在凌晨，很難獲得龍卷發生時的確定信息。

侯美亭：湍流遇到熱和水汽的夾擊可引發極端天氣，例如龍卷風。現在對極端天氣（例如極端溫度、極端降水事件）的預測有了很大進步，但是龍卷風的預測難度相比更大，因此也產生了更具災難性的影響。請問，相比極端溫度和降水，龍卷風預測的難度主要體現在哪些方面？

李兆明：美國龍卷風出現頻率高、危害大，在龍卷風研究領域也起步較早，其已開展了一系列大型外場觀測試驗，深入研究龍卷風的機理問題，在龍卷風理論研究、實驗室模擬以及數值模式開發方面有不少進展，其龍卷風觀測設備也不斷發展和改進。然而，龍卷風在美國也難以預測，龍卷預警空報率和漏報率仍較高。在中國，龍卷預測更難，體現在：1）中國龍卷發生次數不到美國十分之一，屬于小尺度天氣系統或者小概率事件，時間、空間隨機性較強，我國對龍卷的研究還處于起步階段，對其形成機理研究還不深入，目前，我國還未開展龍卷預報預警業務，僅處于試驗階段（信息框3）。2）龍卷風尺度小、發展迅速，且經常伴隨暴雨、冰雹、雷暴等災害性天氣發生，常規觀測設備難以對龍卷生消進行觀測。3）預報員對龍卷等小概率發生的災害性天氣認識不足。4）國內龍卷觀測的志愿者、追風者等參與度低。

侯美亭：地形被認為是龍卷產生的重要影響因子之一。在美國中西部，位于落基山脈和阿巴拉契亞山脈之間的平坦而廣闊的區域是著名的“龍卷風走廊”。在我國，龍卷高發的區域是否也存在類似的地形特征，或者說，我國龍卷高發的區域存在哪些相似或者各自獨有的特征？對于不同區域的龍卷災害調查，是否在調查內容、數據收集上存在一些不同？

李兆明：許多研究表明龍卷發生與地形有密切關系，通過我們對廣東省各市的龍卷歷史個例調查分析，除了地形平坦外，江河湖泊、沿海等地區對強龍卷生成也有一定的促進作用，特別是喇叭口地形容易生成強對流天氣，也能促發龍卷的生成。江淮流域、華南、東北和華北地區東南部等地形平坦地區為EF2級以上強龍卷高發區。通過對廣東省各市的龍卷歷史個例調查分析也驗證了上述觀點。

不同區域的龍卷災情調查，常見的災情指示物及破壞特征有差異，比如北方龍卷災害多以房屋受損、樹木折斷等為主，南方多以鐵皮廠房被掀翻、鐵皮被撕碎等為主，另外引發龍卷發生的天氣系統也不同。

信息框3：佛山龍卷風的“一張圖”意識

為了進一步強化佛山預警發布系統支撐，提升佛山龍卷等致災性雷暴大風的監測能力，預警發布能力、預警傳播能力，使佛山龍卷等致災性雷暴大風的預警信息發布更加精準、更快速，進一步提升防災減災水平，根據2017年初中國氣象局減災司批復同意廣東佛山開展龍卷等致災性雷暴大風的群策群防預警服務和聯防機制試點建設實施方案的要求，從2017年開始，佛山市氣象局持續開發并升級佛山市龍卷風及雷雨大風等災害預警信息靶向發布系統（以下簡稱靶向發布系統）建設和全市鐵皮屋和工棚等易受風災影響建筑物普查工作。

靶向發布系統的開發依托了研究型業務建設，在廣東省重點科技項目《廣東龍卷風識別與預警關鍵技術研究》支持下，融合了天氣實況監測、龍卷風風險識別、公眾實時報料等研判輔助數據，方便龍卷風及雷雨大風的快速判斷，融入了民政、三防、公安、國土、環保、電力、交通、海事等多個部門的設施信息，方便應急物資和救援力量的快速指揮調度，融入了鐵皮屋和工棚、電力設施、學校、地質災害點、危化品企業等易受氣象災害影響主體的責任人信息，方便預警信息的快速靶向精準發布。系統還建立了龍卷風個例庫。

靶向發布系統的建設大大增強了佛山市氣象局的強對流天氣預警發布能力，在2018年兩次龍卷過程中發揮了重要作用，其中在2018年6月8日臺風“艾云妮”影響期間，首次利用系統成功發布了龍卷警報，在2018年9月17日，臺風“山竹”影響期間，再次利用系統精準靶向發布。

侯美亭：請對佛山龍卷風研究中心建立的龍卷風檔案卷宗情況及建檔意義進行介紹？

李兆明：佛山市氣象局2016—2019年共參加了40次龍卷等致災雷暴大風的災情調查工作，每次災調按照災調準備、現場災調以及災調分析三個步驟進行，最后確定風災類型和強度，形成年度災情調查檔案，對于龍卷風的個例，錄入龍卷風個例庫，為龍卷等強對流的研究累積個例數據。

侯美亭：每年春夏，美國沿著“龍卷風走廊”追風的志愿者人數眾多，請簡要介紹一下美國的追風志愿者的形成過程及對龍卷風預警具有怎樣的幫助。相比美國，我國的追風志愿者隊伍尚不成熟，那么美國的追風志愿者對于我國構建類似的隊伍具有哪些啟示？

李兆明：美國國家氣象局在20世紀70年代開展志愿者項目——SKYWARN計劃，到目前為止約有35萬～40萬名訓練有素的強對流天氣觀察員參與其中，主要職責是識別和描述局地的強風暴，并向當地氣象局、應急管理者和新聞媒體提供及時準確的強對流天氣報告，為氣象部門及時準確地發布龍卷風預警、強雷暴預警和山洪預警提供了很大幫助。美國國家氣象局為志愿者提供以下培訓：雷暴發展的基礎；風暴結構的基本原理；識別潛在的惡劣天氣特征；報告哪些信息；如何報告信息以及惡劣天氣安全基本常識等。龍卷的突發性和尺度小，常規氣象觀測儀器難以捕捉，追風志愿者為龍卷的發生、發展提供了可靠實用的觀測實況，為龍卷的預報預警和防災減災提供依據，是我國發展的趨勢。

侯美亭：天氣預報能力的進步與觀測技術的變革緊密相關（鏈接1），我們得知，佛山市龍卷風研究中心采用陣列天氣雷達，用7部相控陣天氣雷達（信息框4）來探測龍卷風。請介紹一下相控陣陣列天氣雷達的布設時間、選址依據等。

李兆明：在省氣象局、市委市政府的大力支持下，佛山市相控陣天氣雷達網項目從2019年年初開始籌建工作，經過規劃、選址、招投標、項目施工等工作，2019年9月開始在三水區安裝第一臺相控陣天氣雷達，11月初陸續在順德區和三水區安裝3部，11月中旬完成4部相控陣陣列天氣雷達布設，預計2020年上半年將完成3部相控陣天氣雷達的布設。根據佛山地區的地形地貌特征和當地的城鎮建設規劃，嚴格按照《局地天氣雷達選址規范》的要求，重點考慮歷年佛山市區發生過龍卷風的區域，綜合考慮雷達性能，確保在三維覆蓋區能達到最佳探測效果和三維覆蓋范圍最大化；充分考慮雷達站點供電、道路、用水、避雷、抗震等所需的建設成本投入和后期維護簡便化。綜合考慮各個站點的電磁環境測試和遮擋情況以及站點租賃等方面因素，從三十多個預選站點位置中擇優選取7個站點位置。

信息框4：相控陣天氣雷達

目前佛山部署的X波段相控陣雷達時間分辨率達到24 s、空間分辨率為30 m。相控陣天氣雷達的快速、精細掃描可以捕捉迅速發展變化的強對流天氣（如中氣旋、龍卷），對于監測生命周期非常短的龍卷風等具有更大的時空優勢，能夠得到更加細微的時空結構特征。

波長較短的無線電波在傳播過程中會被大氣中的水汽所吸收，并且波長越短這一影響越大，無線電波的傳播距離就因此受到了影響，限制了使用這一頻段的雷達的探測距離。故與S波段雷達相比，X波段雷達衰減更快，因此需要多部組網觀測。

相控陣天氣雷達以及在此基礎上的陣列天氣雷達技術，以其協同、全空域、超高分辨率的監測為準確預警提供主要的觀測支撐。

侯美亭：能否詳細談一下佛山的7部相控陣陣列天氣雷達在探測龍卷風上有什么樣的技術優勢（尤其是相比其他多普勒雷達）、其功能如何發揮？對龍卷的早期預警能力帶來哪些方面的提升？

李兆明：隨著相控陣技術的日趨成熟，采用相控陣技術的天氣雷達可以更好地探測和跟蹤快速變化的中小尺度天氣系統，提高對災害性天氣的預警能力，服務于氣象防災減災。

佛山采用的是天氣陣列雷達，是一種新型分布式相控陣天氣雷達。該陣列雷達采用7個相控陣收發子陣進行嚴格協同掃描，將雷達的體掃時間由目前的6 min提高到24 s，更重要的是通過高度協同可以獲得龍卷風的精細風場，這是一個從傳統的以強度監測為主到流場結合強度的一個根本性轉變，將推動龍卷風預報預警方法和思路的變革。將陣列雷達和傳統雷達有效結合，發揮各自的優點，形成互補，是最大發揮雷達系統探測效益、提高龍卷監測和預警的有效方法。

龍卷的預警時效一直很難提高。目前，國際上對于龍卷平均預警時效約15 min，通過縮短雷達的體掃時間，可以提高龍卷預警時效，比如將雷達體掃時間由目前的5～6 min提高到1 min甚至更短，有可能再提高龍卷預警時效0～5 min。能否進一步提高呢？從龍卷母體風暴到龍卷發生，流場的演變能更早的預示龍卷的出現。所以獲得龍卷發生前后對流風暴精細流場是提高龍卷預警的有效途徑，因此，陣列天氣雷達提出的流場結合強度場的龍卷監測預警思路，有望從根本上改善當前的觀測環境和觀測數據質量。

信息框5：火龍卷概念模型

火龍卷是一種旋轉的火柱和煙柱，其風速可比擬真正的龍卷風，但其十分罕見極具破壞性。火龍卷可以從地面吸收如燃燒的原木之類的碎片并將其卷到很遠的地方，從而不可預測地引發新的火災。在空中旋轉的火龍卷可以產生自不同的來源，比如沿地面的風，其產生的漩渦是水平的，但野火產生的熱空氣，由于有浮力，向上流動。火焰中燃燒的氣體使空氣升溫，從而加速向上運動，使火焰旋轉成細長的管狀。當漩渦變薄時，它就會旋轉起來，直到一個高大的、緊緊旋轉的火柱形成。

火龍卷形成機理圖（引自Scientific American）

侯美亭：請結合佛山2019年12月出現的林火談一下佛山出現火龍卷的可能性，以及氣象雷達是否具備對林火、乃至火龍卷的監測能力？

李兆明：火龍卷是由灰燼與火焰組成的，通常是旋風與不斷增加熱量的火焰形成龍卷風形狀的渦旋（信息框5）。由于在火場中心釋放出大量上升的熱空氣，低氣壓使得外面的冷空氣從各個方向迅速地向火場中心涌入，這就形成了颶風般的火風暴。雖然火龍卷的物理特性目前已經被很好地理解，預測其何時何地出現仍然是一個挑戰。

2019年12月佛山森林火災發生后，我們進行了一些災情調查。通過這次火災，我們也進行了分析，發現龍卷風監測預警體系的雷達產品在火災發生初期確實能提供火災預警信息，尤其是X波段雙偏振雷達的偏振參量為識別火災提供有益參考，我們正在做進一步的研究。

鏈接1：專家點評

廣東省氣象臺首席預報員伍志方

近年來，龍卷、下擊暴流、強雷暴大風等激烈的強對流天氣對人民生命財產造成的嚴重威脅越來越受到廣泛關注，如2015年6月1日強颮線引發的強雷暴大風使“東方之星”輪船在長江中游湖北監利水域傾覆造成442人遇難，2016年6月23日江蘇阜寧強龍卷造成99人逝去、大量房屋夷為平地。隨著手機、互聯網等技術和公眾防災意識的提高，越來越多的龍卷、冰雹等強對流天氣實況被拍攝并上網，氣象部門獲得的信息來源明顯增多，但龍卷、下擊暴流等致災性大風的強度、致災路徑等僅僅依靠公眾拍攝的視頻、照片無法獲取，而現場災害調查則可以區分龍卷、下擊暴流等致災性大風的種類，明確其強度、路徑、影響范圍、時間等，結合雷達、自動站等監測資料，為龍卷、下擊暴流等強烈的強對流天氣發生發展機制的科學研究和預警預報技術研發奠定基礎。

多普勒天氣雷達是對龍卷、下擊暴流等強對流天氣最有效的監測手段之一，但龍卷（或微下擊暴流）具有尺度很小、移速很快、對流時間很短的特點，以目前業務上使用的多普勒天氣雷達完成一次體掃需4～6 min，難以及時捕捉到其精細的演變過程；而隨著雷達技術的發展，相控陣天氣雷達被引入氣象探測領域。相控陣天氣雷達具有快速且精確轉換波束指向的能力，能夠在1～2 min內完成全空域的掃描，同時獲取大量氣象信息。快速更新體掃數據（1～2 min間隔），可探測分析出龍卷超級單體中，中氣旋的加強和下降、整層旋轉結構等發展和演變的細微特征。快速更新的相控陣天氣雷達數據使預報員能夠快速跟蹤、判識超級單體內中氣旋和入流的增強以及龍卷渦流的移動等，有助于預報員更早發布龍卷警報。X波段相控陣雷達有其固有缺陷—即衰減和監測范圍相對較小，因此建立相控陣雷達網可彌補單部雷達因強降水衰減造成的無法探測區域，同時擴大監測范圍。