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難以預報的雷暴
雷暴,是一種局部性的強烈風暴,通常伴隨打雷、閃電、強降雨、冰雹、大風以及氣溫的突然變化。發展中的雷暴內部包含一股強烈而局域性的垂直上升氣流,這種氣流可以被地基天氣雷達探測到,并用于支持實時天氣預報和強雷暴預警系統。
根據世界氣象組織(WMO)的數據,在2010年至2019年間,雷暴及其相關災害在全球范圍內導致了約3萬人死亡,并造成了大約5000億美元的經濟損失。正因如此,提升對雷暴的預報能力具有重要意義。
人們早已知道,雷暴更容易在溫暖、潮濕且空氣不穩定的日子里形成。借助現有手段,科學家可以提前約4~5小時預測雷暴的觸發。然而,這些預報只能將風暴發生地點判斷到距其實際觸發位置約200千米的范圍內。也就是說,直至今日,要準確預測單個風暴會在何處觸發,仍然是一個根本性的難題。
在一項新發表于《自然》雜志的研究中,一個研究團隊利用歐洲空間局(ESA)的衛星提供的高分辨率云頂溫度數據,分析了在2004到2024年間,撒哈拉以南非洲的220萬次雷暴觸發事件。他們發現,決定一團看起來無害的云是否會發展成危險雷暴的,是大氣中的風況與土壤濕度的空間變化之間的相互作用。
土壤濕度與風切變
我們知道,如果某一區域的土壤比周圍區域更濕潤,蒸發就會使近地表的空氣冷卻。而在更干燥區域的上空,空氣受熱會更強,地表氣壓更低。因此,這種土壤濕度的差異會產生近地面風,近地表空氣會從較濕的區域流向較干的區域。
然而,離地面幾千米高度處的風向,在很大程度上由大尺度天氣系統決定,通常基本不受局部土壤濕度影響。目前,大尺度的氣團運動已可以被相當準確地計算出來。但雷暴形成于約幾千米量級的中等空間尺度——這恰恰是當前模型的極限所在。
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雷暴正在形成。(圖/TU Wien)
在新的研究中,研究人員將雷暴與土壤濕度和垂直風切變(描述了風速和風向隨高度發生的變化)直接聯系了起來。他們的研究揭示了三項關鍵的發現:
1、土壤濕度對雷暴觸發的影響程度,與垂直風切變的強度成正比。
2、究竟是局部較干的土壤還是局部較濕的土壤更有利于雷暴觸發,取決于風向切變:如果低空和中層的風向大致一致(正方向性風切變),雷暴往往傾向于在濕潤土壤上方觸發;但如果低層和中層的風向彼此相反(負方向性風切變),雷暴觸發則往往發生在干燥土壤上方。
3、如果土壤濕度的空間梯度與方向性風切變的組合有利于雷暴觸發,那么就會更快地形成最強烈的雷暴,產生更多閃電,并帶來更大的累積降雨量。
通過將土壤濕度數據與垂直風切變數據結合起來,研究人員表示,他們將最強烈雷暴的觸發位置定位到了約10~40千米的范圍內,觸發時間則可以被鎖定到約15~60分鐘的范圍內。
更精準的雷暴預報
研究團隊利用獨立的數據集對這一模型進行了驗證。衛星圖像顯示,云體的快速增長恰好出現在模型所預測的位置。閃電觀測則證實:當近地面風與高空風方向相反時,最強烈的雷暴更傾向于形成在相對較干土壤區域的上空。
總體而言,這些發現推進了大氣科學家對這樣一個問題的理解:為什么在一些大尺度區域內,盡管整體大氣條件普遍都有利于雷暴觸發,雷暴卻只會在其中某些特定地點開始形成。
了解哪些土壤濕度與風切變的組合更有利于雷暴形成,將有助于預報員更準確地預測風暴發生的位置和時間,而且這種預測時間尺度與交通、能源、農業以及雨洪管理系統等人類活動密切相關。這是一類當前區域天氣預報和氣候模型尚無法提供的寶貴信息。
#參考來源:
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/gefaehrliche-gewitter-bessere-modelle-durch-bodenfeuchte-daten
https://www.ceh.ac.uk/press/thunderstorms-dont-just-appear-out-thin-air-say-scientists
https://www.nature.com/articles/d41586-026-00376-4
https://www.rmets.org/metmatters/what-are-convective-storms
#圖片來源:
封面圖&首圖:bogitw / Pixabay
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