要確定龍卷風(fēng)，光從雷達回波里是看不出來(lái)的，必須要拍攝到龍卷風(fēng)的漏斗狀云的照片。
2015年6月1日，長(cháng)江上一艘名為“東方之星”的大型客船被大風(fēng)吹翻，引起400多人遇難。這起事故，在一開(kāi)始的媒體報道之中被宣傳為“龍卷風(fēng)”導致東方之星翻船。
對于龍卷風(fēng)到底是什么，可能很多人都沒(méi)有親身經(jīng)歷過(guò)，而關(guān)于龍卷風(fēng)在大氣科學(xué)中的準確的定義與物理含義，更多人都無(wú)法搞清楚。因此蝌蚪君專(zhuān)訪(fǎng)了北京大學(xué)教授和博士生導師劉式達。劉式達是前任中國氣象學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、英國皇家氣象學(xué)會(huì )會(huì )員，他也曾經(jīng)擔任過(guò)北京大學(xué)地球物理系主任長(cháng)達10年之久。
這次長(cháng)江翻船到底是不是龍卷風(fēng)引起的？
劉式達說(shuō)，關(guān)于這次長(cháng)江翻船到底是不是龍卷風(fēng)引起的，不能確定。因為目前大家似乎并沒(méi)有拍攝到事故當天晚上的照片，尤其是沒(méi)有拍到漏斗狀云， 所以他認為不能確定這次事故到底是不是龍卷風(fēng)引起的。要確定龍卷風(fēng)，光從雷達回波里是看不出來(lái)的，必須要拍攝到龍卷風(fēng)的漏斗狀云的照片。
那么龍卷風(fēng)到底是什么呢？請看下面的具體分析。
對龍卷風(fēng)的分析還必須基于物理學(xué)的角度。
龍卷風(fēng)的研究屬于大氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)學(xué)科
曾經(jīng)有一個(gè)叫李政道的大物理學(xué)家這樣說(shuō)過(guò)：“人每時(shí)每刻都在呼吸著(zhù)，所以并不覺(jué)得呼吸是一種幸福。但如果不能呼吸了，將會(huì )怎樣？物理學(xué)對我來(lái)說(shuō)就好像呼吸一樣?！笔堑?，我們人類(lèi)生活在地球上，空氣的存在經(jīng)常被大多數人忽視，以為這是習以為常的東西，其實(shí)空氣不但對我們的呼吸有用，而且還可以幫助飛機在高空翱翔，當然空氣的運動(dòng)也會(huì )帶來(lái)臺風(fēng)或者龍卷風(fēng)。對于后者，有一門(mén)專(zhuān)門(mén)的研究學(xué)科，那就是“大氣動(dòng)力學(xué)”。
劉式達介紹說(shuō)，自己從江蘇揚州中學(xué)畢業(yè)后，一開(kāi)始是在北京大學(xué)物理系，后來(lái)在北京大學(xué)的地球物理系，現在在物理學(xué)院大氣海洋科學(xué)系。當時(shí)北京大學(xué)的地球物理系最主要的科學(xué)家是謝義炳院士，他與劉式達是同一個(gè)中學(xué)畢業(yè)的，他是后來(lái)的北京大學(xué)地球物理系的系主任。他卸任后，劉式達接任系主任。
劉式達在北京大學(xué)教授的科目比較多，一開(kāi)始是整個(gè)物理系的計算方法課程，就是那些龍格-庫塔方法，差分法，有限元法啊等等，后來(lái)他也從事湍流研究，改革開(kāi)放以后，他主要從事非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的研究。而這些研究總的來(lái)說(shuō)都與大氣的運動(dòng)規律有關(guān)。大多數情況下，大氣的運動(dòng)是一種湍流，其運動(dòng)規律滿(mǎn)足納維——斯托克斯方程(蝌蚪君注：完整解決這個(gè)方程可以得到Clay數學(xué)研究所提供的100萬(wàn)美元的獎金)。
蝌蚪君問(wèn)道：“北京大學(xué)的老校長(cháng)周培源也是搞湍流研究的吧？”
劉式達：“周培源主要搞水的湍流，我主要搞大氣的湍流。水與大氣有非常大的不同，水的密度是基本上是均勻的，大氣的密度隨著(zhù)高度是變的?！?/p>
大氣也是一種流體，龍卷風(fēng)就是發(fā)生在大氣中的一個(gè)天氣現象。但因為大氣的運動(dòng)規律滿(mǎn)足納維——斯托克斯方程這個(gè)高度非線(xiàn)性的偏微分方程，而這個(gè)方程在一般情況下是無(wú)法求解的，因此大氣科學(xué)還是一個(gè)十分前沿的學(xué)科。劉式達教授與他的雙胞胎弟弟劉式適一起，出版了《大氣湍流》等許多高水平的著(zhù)作，他兄弟也是北京大學(xué)的教授。
但中國還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)研究龍卷風(fēng)的機構
對于龍卷風(fēng)很多人也許只在電影里看到過(guò)，而關(guān)于它到底是什么，估計很多人是“只可意會(huì )，不可言傳”了。比如龍卷風(fēng)的一些基本的物理常識，就不是很多人能懂的。
蝌蚪君問(wèn)道：“那么，我們把話(huà)題集中到龍卷風(fēng)這個(gè)特殊的天氣現象。龍卷風(fēng)的大小尺度，到底由什么物理量決定呢？”
劉式達回答說(shuō)：“大氣中的不同天氣系統空氣受力的情況不一樣，受力情況決定龍卷風(fēng)的形成。日常天氣預報中關(guān)心的中緯度的氣旋和反氣旋的尺度就有上千公里。而再比如說(shuō)臺風(fēng)，臺風(fēng)的尺度是百公里量級。而至于你說(shuō)的龍卷風(fēng)，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米的量級?！?/p>
因為大多數中國人看到的龍卷風(fēng)的報道都發(fā)生在國外，于是就會(huì )好奇為什么美國的龍卷風(fēng)比中國的龍卷風(fēng)要多，對于這個(gè)問(wèn)題劉式達解釋說(shuō)，這是因為美國的兩邊都是海洋，大西洋與太平洋，所以強對流比較豐富。而中國只有一邊是海洋，另外一邊是新疆，西藏等沙漠高原地帶，強對流沒(méi)有像美國那么豐富。
在美國一年要發(fā)生1000多次龍卷風(fēng)，而在中國可能只有10幾次，也正因為中國的龍卷風(fēng)樣本比美國少很多，所以中國目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)研究龍卷風(fēng)的機構。
龍卷風(fēng)出現的特征
關(guān)于天氣預報，有一個(gè)重要的方程叫做洛侖茲方程。洛侖茲方程是近似的納維——斯托克斯方程（這個(gè)方程在本文前面提到過(guò)，就是描述大氣運動(dòng)的基本方程）。洛侖茲方程是天氣預報的基本方程，也是蝴蝶效應的起源。洛侖茲一開(kāi)始做了3維的近似，后來(lái)也做過(guò)6維的近似。當時(shí)是1963年，計算機比較低端，更高維的近似計算機也算不出來(lái)了。
蝌蚪君問(wèn)：“很多人關(guān)心的是，龍卷風(fēng)能預報嗎？”
劉式達說(shuō)：“我聽(tīng)說(shuō)美國可以提早10分鐘預報龍卷風(fēng)。若有強的超對流單體的雷雨云，用雷達看到，可以預報，但雷雨云底下一定要形成一個(gè)漏斗狀的云，這是出現龍卷風(fēng)的必要條件。云底下伸出一個(gè)很長(cháng)的渦管，旋轉起來(lái)就形成龍卷風(fēng)?！?/p>
蝌蚪君問(wèn)道：“氣象衛星能拍攝到龍卷風(fēng)的圖像嗎？”
劉式達解釋道：“龍卷風(fēng)，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米，這個(gè)尺寸太小了，由于云層阻擋，氣象衛星不易看到龍卷風(fēng)的漏斗狀云，衛星也不可能時(shí)時(shí)跟著(zhù)龍卷風(fēng)。你看馬航的飛機失蹤了，飛機的長(cháng)度有100多米（這個(gè)尺寸與龍卷風(fēng)的尺寸差不多），沒(méi)有一顆衛星拍到了它失蹤時(shí)的圖像——到現在，飛機掉哪里去了不知道！“
那么龍卷風(fēng)的出現，還有什么一定會(huì )出現的現象呢？
“龍卷風(fēng)的出現，還必須要有一個(gè)高速上升的氣流？”蝌蚪君追問(wèn)道。
“是的，平時(shí)空氣的上升氣流的速度只有每秒幾毫米，龍卷風(fēng)發(fā)生時(shí)的垂直上升氣流的速度可以達到每秒6米。所以對流非常強烈，本來(lái)云層中的水平渦管受強烈上升氣流的影響變成垂直方向，這為龍卷風(fēng)的產(chǎn)生提供了必要條件?！眲⑹竭_說(shuō)。
在中國龍卷風(fēng)為什么難預報
劉式達說(shuō)，目前中國搞氣象的在做天氣預報的有一個(gè)傾向，在直接做計算機模擬之前，不善于對天氣現象作一些定性分析。而計算機模擬的網(wǎng)格很大，每個(gè)網(wǎng)格有一個(gè)經(jīng)度那么大，一個(gè)經(jīng)度就是110公里，因此很多細節都被抹平了，龍卷風(fēng)這樣小尺度的氣體現象是模擬不出來(lái)的。
采訪(fǎng)結束前，劉式達再次告訴蝌蚪君，中國有幾個(gè)臺風(fēng)研究中心，但沒(méi)有機構研究龍卷風(fēng)（中國人拍攝到的龍卷風(fēng)的照片也是很少，而美國人經(jīng)常開(kāi)著(zhù)汽車(chē)去追拍龍卷風(fēng)的圖像），他對龍卷風(fēng)的數學(xué)物理結構做了一些理論研究，希望未來(lái)能在龍卷風(fēng)預報的實(shí)踐中得到應用。比如他強調說(shuō)，只需要用到力的平衡方程，就可以知道龍卷風(fēng)的很多性質(zhì)。
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