预测飓风，科学家为何“掉链子”
飓风“迈克尔”变化过快加剧预测难度。图片来源：JABIN BOTSFORD
近日，飓风“迈克尔”呼啸着冲进美国佛罗里达州的墨西哥湾海滩，这是有史以来袭击这个狭长地带的最强风暴，也是在美国大陆登陆的第三强风暴。风暴对几个沿海社区、廷德尔空军基地和佛罗里达州立大学巴拿马城分校造成严重破坏。官方数据显示，这场风暴造成18人死亡，数十人失踪。
虽然美国国家飓风中心（NHC）能提前几天预测“迈克尔”可能在何时何地登陆，但事实证明，风暴的变化速度——在24小时内从2级上升到略低于5级——很难预测。NHC将“快速增强”定义为风暴最大持续风速在24小时或更短时间内每小时至少增加56公里。在向海岸行进的5天中，“迈克尔”经历了至少3个强化阶段。
位于佛罗里达州迈阿密的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）飓风研究部门气象学家Robert Rogers说：“预测飓风的轨迹相对简单，因为风暴是在大气中的大规模气流的推动下向一个或另一个方向运动的。在过去20年里，我们在预测这些大规模气流方面不断进步。”
但在预测风暴强度的变化时，涉及的物理学理论变得更加复杂。麻省理工学院大气科学教授Kerry Emanuel说，这是因为飓风是复杂、巨大的“旋转热机”，由温暖的海水、潮湿的空气和一致的大气风的优化组合提供动力。
Emanuel指出，就风速而言，飓风的强度在理论上是有限的，因为上述3种因素中的任何一个都会使风暴偏离轨道。例如，当风暴经过较冷的水域或登陆时，它们会失去动力。而不一致的大气风可能成为其强度增强的障碍。当“风速随高度变化时”，Emanuel说，就会出现所谓的风切变。“这可能会颠覆飓风的核心，让干燥的空气侵入，就像在火上浇水一样破坏风暴。”
科学家现在有了一系列工具，包括NOAA能与风暴一起飞行的有人驾驶和机器人飞机。这些工具可以收集大量变量数据，这些变量可以被纳入天气模型，并帮助研究人员估计飓风何时会加速。
Rogers说，这些数据有助于揭示更大的物理过程。但要理解更精细的微过程，以及飓风会以多快的速度加剧，还有大量工作要做。“雷暴、雨滴、冰粒子的形成，都发生在每一场飓风的内部，并会影响其强度。”他说，“这些微观层面过程对建模来说非常具有挑战性。”
此外，研究人员对海洋和大气交汇的关键区域也知之甚少。而飓风的大部分热流就发生在这个过渡层。在这里，水和空气混合成某种乳化物。Emanuel说：“从这一层提取样本几乎是不可能的，在实验室中模拟这种情况进行研究也很困难。”
不过，研究人员在改善飓风强度预测方面取得了一些进展。Rogers说，更多的数据总是有用的，NOAA能够从飓风“迈克尔”那里收集到大量数据。该团队还致力于开发强大的无人机，能直接飞向风暴，并收集有关微过程的高质量数据。
其他几个小组也在开发相关探测器和潜水器，以监测飓风期间的水柱，其中包括国际阿尔戈计划——该计划将研发随波漂移并周期性下沉的仪器浮子。
气象学家也密切关注着气候变化，因为海洋变暖和海平面上升可能使飓风强度预测复杂化。Emanuel说：“如果你向大气中排放更多的二氧化碳并使气候变暖，飓风的最大速度限制就会提高。而且，飓风加强的速度也会增加，这意味着风暴加强的速度会比‘迈克尔’快得多。”
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