難以預(yù)報(bào)的雷暴

雷暴，是一種局部性的強(qiáng)烈風(fēng)暴，通常伴隨打雷、閃電、強(qiáng)降雨、冰雹、大風(fēng)以及氣溫的突然變化。發(fā)展中的雷暴內(nèi)部包含一股強(qiáng)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(dá)探測(cè)到，并用于支持實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)和強(qiáng)雷暴預(yù)警系統(tǒng)。

根據(jù)世界氣象組織（WMO）的數(shù)據(jù)，在2010年至2019年間，雷暴及其相關(guān)災(zāi)害在全球范圍內(nèi)導(dǎo)致了約3萬人死亡，并造成了大約5000億美元的經(jīng)濟(jì)損失。正因如此，提升對(duì)雷暴的預(yù)報(bào)能力具有重要意義。

人們?cè)缫阎?，雷暴更容易在溫暖、潮濕且空氣不穩(wěn)定的日子里形成。借助現(xiàn)有手段，科學(xué)家可以提前約4~5小時(shí)預(yù)測(cè)雷暴的觸發(fā)。然而，這些預(yù)報(bào)只能將風(fēng)暴發(fā)生地點(diǎn)判斷到距其實(shí)際觸發(fā)位置約200千米的范圍內(nèi)。也就是說，直至今日，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)單個(gè)風(fēng)暴會(huì)在何處觸發(fā)，仍然是一個(gè)根本性的難題。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用歐洲空間局（ESA）的衛(wèi)星提供的高分辨率云頂溫度數(shù)據(jù)，分析了在2004到2024年間，撒哈拉以南非洲的220萬次雷暴觸發(fā)事件。他們發(fā)現(xiàn)，決定一團(tuán)看起來無害的云是否會(huì)發(fā)展成危險(xiǎn)雷暴的，是大氣中的風(fēng)況與土壤濕度的空間變化之間的相互作用。

土壤濕度與風(fēng)切變

我們知道，如果某一區(qū)域的土壤比周圍區(qū)域更濕潤，蒸發(fā)就會(huì)使近地表的空氣冷卻。而在更干燥區(qū)域的上空，空氣受熱會(huì)更強(qiáng)，地表氣壓更低。因此，這種土壤濕度的差異會(huì)產(chǎn)生近地面風(fēng)，近地表空氣會(huì)從較濕的區(qū)域流向較干的區(qū)域。

然而，離地面幾千米高度處的風(fēng)向，在很大程度上由大尺度天氣系統(tǒng)決定，通?；静皇芫植客寥罎穸扔绊憽Ｄ壳?，大尺度的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)已可以被相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出來。但雷暴形成于約幾千米量級(jí)的中等空間尺度——這恰恰是當(dāng)前模型的極限所在。

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(fēng)切變（描述了風(fēng)速和風(fēng)向隨高度發(fā)生的變化）直接聯(lián)系了起來。他們的研究揭示了三項(xiàng)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)：

1、土壤濕度對(duì)雷暴觸發(fā)的影響程度，與垂直風(fēng)切變的強(qiáng)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(fā)，取決于風(fēng)向切變：如果低空和中層的風(fēng)向大致一致（正方向性風(fēng)切變），雷暴往往傾向于在濕潤土壤上方觸發(fā)；但如果低層和中層的風(fēng)向彼此相反（負(fù)方向性風(fēng)切變），雷暴觸發(fā)則往往發(fā)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(fēng)切變的組合有利于雷暴觸發(fā)，那么就會(huì)更快地形成最強(qiáng)烈的雷暴，產(chǎn)生更多閃電，并帶來更大的累積降雨量。

通過將土壤濕度數(shù)據(jù)與垂直風(fēng)切變數(shù)據(jù)結(jié)合起來，研究人員表示，他們將最強(qiáng)烈雷暴的觸發(fā)位置定位到了約10~40千米的范圍內(nèi)，觸發(fā)時(shí)間則可以被鎖定到約15~60分鐘的范圍內(nèi)。

更精準(zhǔn)的雷暴預(yù)報(bào)

研究團(tuán)隊(duì)利用獨(dú)立的數(shù)據(jù)集對(duì)這一模型進(jìn)行了驗(yàn)證。衛(wèi)星圖像顯示，云體的快速增長恰好出現(xiàn)在模型所預(yù)測(cè)的位置。閃電觀測(cè)則證實(shí)：當(dāng)近地面風(fēng)與高空風(fēng)方向相反時(shí)，最強(qiáng)烈的雷暴更傾向于形成在相對(duì)較干土壤區(qū)域的上空。

總體而言，這些發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了大氣科學(xué)家對(duì)這樣一個(gè)問題的理解：為什么在一些大尺度區(qū)域內(nèi)，盡管整體大氣條件普遍都有利于雷暴觸發(fā)，雷暴卻只會(huì)在其中某些特定地點(diǎn)開始形成。

了解哪些土壤濕度與風(fēng)切變的組合更有利于雷暴形成，將有助于預(yù)報(bào)員更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)暴發(fā)生的位置和時(shí)間，而且這種預(yù)測(cè)時(shí)間尺度與交通、能源、農(nóng)業(yè)以及雨洪管理系統(tǒng)等人類活動(dòng)密切相關(guān)。這是一類當(dāng)前區(qū)域天氣預(yù)報(bào)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