長江翻船以后：中國為什麼不能預報龍捲風

文章來源：蝌蚪五譜 要確定龍捲風，光從雷達回波裏是看不出來的，必須要拍攝到龍捲風的漏斗狀雲的照片。

2015年6月1日，長江上一艘名為“東方之星”的大型客船被大風吹翻，引起400多人遇難。這起事故，在一開始的媒體報導之中被宣傳為“龍捲風”導致東方之星翻船。

對於龍捲風到底是什麼，可能很多人都沒有親身經歷過，而關於龍捲風在大氣科學中的準確的定義與物理含義，更多人都無法搞清楚。因此蝌蚪君專訪了北京大學教授和博士生導師劉式達。劉式達是前任中國氣象學會副理事長、英國皇家氣象學會會員，他也曾經擔任過北京大學地球物理系主任長達10年之久。

這次長江翻船到底是不是龍捲風引起的？

劉式達，關於這次長江翻船到底是不是龍捲風引起的，不能確定。因為目前大家似乎並沒有拍攝到事故當天晚上的照片，尤其是沒有拍到漏斗狀雲， 所以他認為不能確定這次事故到底是不是龍捲風引起的。要確定龍捲風，光從雷達回波裏是看不出來的，必須要拍攝到龍捲風的漏斗狀雲的照片。

那麼龍捲風到底是什麼呢？請看下面的具體分析。

對龍捲風的分析還必須基於物理學的角度。

龍捲風的研究屬於大氣動力學這個學科

曾有一個叫李政道的大物理學家這樣過：“人每時每刻都在呼吸，所以並不覺得呼吸是一種幸福。但如果不能呼吸了，將會怎樣？物理學對我來就好像呼吸一樣。”是的，我們人類生活在地球上，空氣的存在經常被大多數人忽視，以為這是習以為常的東西，其實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，當然空氣的運動也會帶來颱風或者龍捲風。對於后者，有一門專門的研究學科，那就是“大氣動力學”。

劉式達介紹，自己從江蘇揚州中學畢業后，一開始是在北京大學物理系，后來在北京大學的地球物理系，現在在物理學院大氣海洋科學系。當時北京大學的地球物理系最主要的科學家是謝義炳院士，他與劉式達是同一個中學畢業的，他是后來的北京大學地球物理系的系主任。他卸任后，劉式達接任系主任。

劉式達在北京大學教授的科目比較多，一開始是整個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，后來他也從事湍流研究，改革開放以后，他主要從事非線性動力學的研究。而這些研究總的來都與大氣的運動規律有關。大多數情況下，大氣的運動是一種湍流，其運動規律滿足納維——斯托克斯方程(蝌蚪君注：完整解決這個方程可以得到Clay數學研究所提供的100萬美元的獎金)。

蝌蚪君問道：“北京大學的老校長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，大氣的密度隨高度是變的。”

大氣也是一種流體，龍捲風就是發生在大氣中的一個天氣現象。但因為大氣的運動規律滿足納維——斯托克斯方程這個高度非線性的偏微分方程，而這個方程在一般情況下是無法求解的，因此大氣科學還是一個十分前沿的學科。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》等許多高水平的作，他兄弟也是北京大學的教授。

但中國還沒有專門研究龍捲風的機構

對於龍捲風很多人也許只在電影裏看到過，而關於它到底是什麼，估計很多人是“只可意會，不可言傳”了。比如龍捲風的一些基本的物理常識，就不是很多人能懂的。

蝌蚪君問道：“那麼，我們把話題集中到龍捲風這個特殊的天氣現象。龍捲風的大小尺度，到底由什麼物理量決定呢？”

劉式達回答：“大氣中的不同天氣系統空氣受力的情況不一樣，受力情況決定龍捲風的形成。日常天氣預報中關心的中緯度的氣旋和反氣旋的尺度就有上千公里。而再比如颱風，颱風的尺度是百公里量級。而至於你的龍捲風，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米的量級。“

因為大多數中國人看到的龍捲風的報導都發生在國外，於是就會好奇為什麼美國的龍捲風比中國的龍捲風要多，對於這個問題劉式達解釋，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，強對流沒有像美國那麼豐富。

在美國一年要發生1000多次龍捲風，而在中國可能只有10幾次，也正因為中國的龍捲風樣本比美國少很多，所以中國目前還沒有專門研究龍捲風的機構。

龍捲風出現特徵

關於天氣預報，有一個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（這個方程在本文前面提到過，就是描述大氣運動的基本方程）。洛侖茲方程是天氣預報的基本方程，也是蝴蝶效應的起源。洛侖茲一開始做了3維的近似，后來也做過6維的近似。當時是1963年，計算機比較低端，更高維的近似計算機也算不出來了。

蝌蚪君問：“很多人關心的是，龍捲風能預報嗎？”

劉式達：“我聽美國可以提早10分鐘預報龍捲風。若有強的超對流單體的雷雨雲，用雷達看到，可以預報，但雷雨雲底下一定要形成一個漏斗狀的雲，這是出現龍捲風的必要條件。雲底下伸出一個很長的渦管，旋轉起來就形成龍捲風。”

蝌蚪君問道：“氣象衛星能拍攝到龍捲風的圖像嗎？”

劉式達解釋道：“龍捲風，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米，這個尺寸太小了，由於雲層阻擋，氣象衛星不易看到龍捲風的漏斗狀雲，衛星也不可能時時跟龍捲風。你看馬航的飛機失蹤了，飛機的長度有100多米（這個尺寸與龍捲風的尺寸差不多），沒有一顆衛星拍到了它失蹤時的圖像——到現在，飛機掉哪裏去了不知道！“

那麼龍捲風的出現，還有什麼一定會出現的現象呢？

“龍捲風的出現，還必須要有一個高速上升的氣流？”蝌蚪君追問道。

“是的，平時空氣的上升氣流的速度只有每秒幾毫米，龍捲風發生時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，本來雲層中的水平渦管受強烈上升氣流的影響變成垂直方向，這為龍捲風的生提供了必要條件。”劉式達。

在中國龍捲風為什麼難預報

劉式達，目前中國搞氣象的在做天氣預報的有一個傾向，在直接做計算機模擬之前，不善於對天氣現象作一些定性分析。而計算機模擬的網格很大，每個網格有一個經度那麼大，一個經度就是110公里，因此很多細節都被抹平了，龍捲風這樣小尺度的氣體現象是模擬不出來的。

採訪結束前，劉式達再次告訴蝌蚪君，中國有幾個颱風研究中心，但沒有機構研究龍捲風（中國人拍攝到的龍捲風的照片也是很少，而美國人經常開汽車去追拍龍捲風的圖像），他對龍捲風的數學物理結構做了一些理論研究，希望未來能在龍捲風預報的實踐中得到應用。比如他強調，只需要用到力的平衡方程，就可以知道龍捲風的很多性質。

（本篇采寫 蝌蚪五譜 張華）