最雄心勃勃的气象实验：1000 平方英里的龙卷风陷阱

全球最大的龙卷风搜寻行动陷入了困境。我身处俄克拉荷马州佩里市智选假日酒店会议室的临时指挥中心，35 位科学家正在决定，在这个阴云密布的五月早晨，该把停在室外的 50 辆满载设备的卡车部署到哪里。此次探险队遇到的第一个主要风暴系统正在我们西南部的德克萨斯州形成，它很可能会形成超级单体，即巨大的旋转雷暴，进而可能引发一个或多个龙卷风。这很有希望。但美国国家强风暴实验室的团队负责人 Lou Wicker 发现了一个问题。他从雷达屏幕上抬起头来。“时速 50 英里，”他说。太快了。

龙卷风追踪的流行形象是几辆卡车在平原上飞驰，尘土飞扬，追捕巨型漏斗状物，但威克的项目，即第二次验证龙卷风旋转起源的实验，即 VORTEX2，要求的是一种完全不同的追逐。这项为期两年、耗资 1200 万美元的政府实地实验的目标不仅仅是接近龙卷风，而是包围它并获取足够的数据，以便在计算机模型中准确地重现它。凭借一支由卡车和货车组成的车队、140 名工作人员和数吨装备（从 40 英尺高的便携式无线电桅杆到气象气球再到无人驾驶飞机），成功需要的不仅仅是大胆的驾驶。它需要大量有条不紊的规划，而这又需要大量的提前信息。“即使在风暴缓慢的日子里也很难做到，”恶劣天气研究中心的团队负责人乔希·沃曼说。 “在今天这样的日子里，这几乎是不可能的。”

现在，距离风暴追逐季节结束仅剩五周，VORTEX2 团队已经迫不及待地要出发了。美国每年仅报告约 1,000 次龙卷风，这种罕见性是风暴追逐的核心挑战。龙卷风出其不意地登陆，造成严重破坏，然后消失。研究人员在试图确定下一次龙卷风袭击的地点和时间时，只能依靠零散的数据。这使得追逐龙卷风变得困难，提供可靠的警告也更加困难。事实上，70% 的龙卷风警告都是误报。因此，人们往往不太重视下一次警告。“我们检测到旋转，然后发出警告，因为我们害怕不这样做，”团队负责人唐·伯吉斯 (Don Burgess) 说，他在大学兼职担任研究气象学家
俄克拉荷马州。

在试图改善这种情况的过程中，VORTEX2 团队面临着先有鸡还是先有蛋的难题：拦截更多龙卷风需要更好的预测模型，但更好的预测模型需要拦截更多龙卷风。当 VORTEX2 去年完成搜寻时，该团队只成功包围了怀俄明州拉格兰奇的一场龙卷风。这是一个重大的收获，但正如 Wurman 所说，“一场龙卷风是不够的。”

威克把手指放在地图上。“这里，”他指着预测的风暴活动中心说道，即东边大约 40 英里处。由于大多数龙卷风以每小时 15 英里的速度缓慢移动，典型的追踪策略是沿着它们行驶，并部署传感器和仪器来动态收集数据。但快速移动的风暴需要完全不同的机动方式。威克解释说，团队成员必须迅速分散开来，抢在风暴之前，设置一个能够测量约 1,000 平方英里范围内发生的一切的仪器围栏，然后等待龙卷风穿过。尽管如此，他警告说，即使经过几个小时的准备并占据了很大的面积，包围一个移动的灾区也并非易事。“当你独自一人时，很难追逐每小时 50 英里的风暴，更不用说有 50 辆车了，”他说。 “这么多人，就像是带着一车孩子去办事，而这些孩子都要在不同的时间去上厕所。”

目前，更好的驾驶员也会有所帮助。一名技术人员打断会议，宣布发生了事故，沃曼前往停车场评估损失。在所有的准备工作中，车队的 10 辆多普勒雷达卡车中的一辆撞上了另一辆，损坏了雷达和内部计算机之间的连接，这是两辆卡车的重要组成部分。维修可能需要几个小时。

沃曼看着卡车，摇了摇头。“过去 10 年里，我们用胶带封住了卡车上很多损坏的部件，”他说，“但这是最糟糕的情况了。”

为何追逐？

VORTEX 项目是世界上最雄心勃勃的龙卷风研究项目。当美国国家强风暴实验室于 1994 年和 1995 年进行最初的 VORTEX 实地试验时，威克和沃曼以及气象学家哈罗德布鲁克斯和唐伯吉斯成为首批使用雷达车包围龙卷风的科学家。借助“车轮上的多普勒”，他们能够捕捉到罕见的龙卷风地面视图，并首次记录下龙卷风的整个生命周期。

但基本问题仍然存在。例如，为什么会形成漏斗状龙卷风？为什么有些龙卷风很强，而有些则微不足道？是什么推动了它们？通过了解龙卷风的基本机制，威克和他的团队希望将龙卷风预警时间从 13 分钟缩短到 50 分钟，并最终减轻财产损失并挽救生命。

VORTEX2 包括更多研究人员、新的移动气象传感器和改进的预报技术。改进后的努力已取得成效。去年在拉格兰奇发生的龙卷风是历史上记录最详尽的龙卷风。本月，科学家们将在科罗拉多州开会，对数据进行分析。从那里开始，一个大目标是开发数十个可同时运行的计算机模型，以分钟为单位分析实时风暴数据，每个模型计算不同的输入：更大的雨滴、更大的风力、更大的湿度。综合结果将对未来情况产生更具体的猜测，这样，天气预报员在面对芝加哥以北 10 英里处形成的超级单体时，就可以避免对整个大都市地区发出全面警告，而是宣布小得多的区域的更准确概率。

当今的恶劣天气预警主要依靠 NEXRAD 收集的数据，NEXRAD 是由美国国家气象局运营的 159 个固定多普勒雷达网络。但固定雷达通常距离雷暴太远。其信号像手电筒光束一样扩散，越远就越分散。雷达也沿单一平面传播，因此当地球在下方弯曲时，它无法探测到大气层的低层区域。

VORTEX2 的解决方案是靠近超级单体，从每个可以想象的角度记录它。一架无线电遥控的无人驾驶飞机在云层中搜寻，收集超级单体气流的数据。团队成员驾驶车顶安装有仪器的车辆深入风暴下方，对温度和湿度等条件进行采样。安装在抗龙卷风平台上的摄像机拍摄漏斗内部的活动。

这种监测方法能够提供准确的风暴预报，不仅能提供更准确的风暴预警，还能改善机场航班飞行路线、森林火灾指数和城市规划。它们甚至还能降低电费。公用事业公司依靠风暴预警来确定需要发电量，如果预报错误，这些公司必须在最后一刻以高价购买能源，将成本转嫁给消费者。布鲁克斯说：“如果我们从现在起 30 年后回顾，发现这些模型从社会角度来看比龙卷风预警更重要，我一点也不会感到惊讶。”

今年，美国国家海洋和大气管理局将开始为 NEXRAD 升级新的双极化雷达，这已经是 VORTEX2 装备的标准组成部分，它发出水平和垂直微波，以便更准确地读取天空并区分雪、冰和雨滴。一个项目也在筹备中，将在全国各地的手机信号塔和屋顶上安装数千个多普勒装置。不过，目前寻找龙卷风的最佳方法仍然是坐上卡车去寻找它们。“我认为我们永远不会坐在扶手椅上做这项工作，”威克说。

设置陷阱

威克和其他领导已经做出了最乐观的预测：风暴将在下午 4 点袭击俄克拉荷马城东北部，工作人员只有几个小时的时间将 50 辆车完美地安置在一个面积相当于罗德岛的网格上。但到了上午 10:30，我们仍在酒店停车场组织工作。最后，到了 11 点，威克催促我和他的一名研究生上车，然后开车离开，随后是组成移动多普勒系统的 10 辆雷达车中的两辆。我们正前往网格的北部边界，距离约 25 英里，我们的雷达天线将从远处追踪风暴。

与此同时，技术人员设法修复了受损的雷达车，现在雷达车正朝我们东南方向 40 英里处驶去，靠近网格中心。单个多普勒雷达数据集对于跟踪风暴的发展很有用，但来自多个单元的协调数据更有启发性，就像将略有不同的视觉图像组合在一起（如三维视图）可以提供更多关于深度的信息一样。

30 分钟后，我们到达了科伊尔附近，但我们不能简单地停车等待。雷达需要开阔的视线，因此我们花了接下来的两个小时寻找没有房屋、树木或山丘遮挡的栖息地。我们最终找到了一片平坦的开阔土地，并把车停了下来。阴云密布的天空让我感到紧张。我们处于网格的边缘，距离预测的风暴中心尽可能远，但没有一个位置是安全的。在美国，龙卷风通常会从西南向东北移动，在急流和墨西哥湾升起的暖流的共同作用下移动，但它可能会突然改变方向。

我们下车时，我考虑到了这一点，并特别注意了风吹得草丛都弯了。一辆红色皮卡车缓缓停在我们旁边。“我们会被风吹吗？”司机问道。威克指着天空，指着现有的证据：一片灰色的浮云后面有一个凹痕。“那是暖气流围绕风暴后部的地方，”他说。“这东西可能再过一个小时就会形成龙卷风。”司机点点头。“我很感激，”他说完，开车走了。

闪电划过，威克带我回到小货车里。大雨开始拍打窗户。他又喝了一口 Dr Pepper，这是他今天的第三罐饮料，我们等待着，扫描雷达数据和团队其他成员的即时消息。什么都没有。一小时后，风暴改变路线，开始向南朝俄克拉荷马城移动，我开始明白人们对龙卷风的了解是多么的少，龙卷风有多危险。威克收到了 100 英里外诺曼的国家气象中心的即时消息。有人目击了一场龙卷风，但并不像预测的那样发生在俄克拉荷马城附近。事实上，它降落在威克的家乡诺曼，距离国家气象中心不到 200 码。然后是新闻报道：冰雹袭击摩尔附近的房屋。40 号州际公路上的汽车翻车。肖尼的一个加油站被摧毁。俄克拉荷马州至少有 58 场龙卷风，到今天结束时，将有 3 人死亡。沃曼的手机响了。是他父亲打来的，他想确认一下他的安全。“太安全了，”沃曼回答道。

风暴建模

威克说，三个月后，在诺曼的办公桌旁，大多数龙卷风都消失了，而那次险些发生的事件让这个项目蒙上了一周的阴影。“在那之后，我们决定全力以赴。”这意味着早上早点出发，白天休息的时间更少。在天气的配合下，到 6 月探险结束时，VORTEX2 已经拦截了 20 次龙卷风。“很多意外的事情都发生了，”威克说。

在为期两年的项目中，该团队收集了超过 50 TB 的数据，现在他们将制作出有史以来最详细的龙卷风解剖图。“这是一笔令人尴尬的财富，”沃曼说。“我们将在未来几年内拥有这些数据。”

研究人员特别关注龙卷风风暴内部和周围的风力数据，这些数据可能揭示龙卷风如何掀翻房屋屋顶、夷平城镇，从而改进建筑规范。“F-5 级龙卷风会吹倒任何东西，”威克说。“但对于较小的龙卷风，你可以让你的房子完好无损。只是要花更多的钱。”

在去俄克拉荷马城机场的路上，我经过 5 月 10 日龙卷风过后的废墟，觉得这样的投资是明智的。连根拔起的巨树排列在公路两旁。风暴掀翻了 Love's 加油站的屋顶，吹倒了加油站的墙壁，只留下扭曲的金属支撑梁。出租车司机告诉我，他的妹妹躲在加油站的步入式冷冻柜里躲避龙卷风。她吓坏了，给他打电话，但等他赶到她身边时，风暴已经过去了。“风暴来得太快了，”他打着响指说道。

自制龙卷风坦克

龙卷风可以拥有与炸弹一样大的动能，因此，经验丰富的风暴追逐者里德·蒂默和他的团队（探索频道系列剧《风暴追逐者》中的主角）为自己建造了一个重​​达四吨的坦克，被称为“主宰者”，以确保工作中的安全。

该团队首先拆除了一辆 2007 款雪佛兰 Tahoe 的内脏，然后用 16 号钢壳包裹起来。为了加固金属板，他们在其上喷涂了四分之一英寸厚的防弹凯夫拉纤维和聚氨酯混合物，称为 Rhino Lining。“你可以用大锤敲它，它马上就会反弹，”蒂默说。他们还安装了由半英寸厚的聚碳酸酯板制成的防弹窗户，这种塑料的强度足以抵御西瓜大小的冰雹和时速高达 150 英里的碎石。

当驶入暴风雨中时，工作人员会系上纳斯卡 (Nascar) 专用的五点式安全带，不过蒂默承认，在追逐过程中，他经常忙于用微型土豆枪发射气象探测器而无暇系安全带。（他可以在笔记本电脑上跟踪这些探测器，因为它们每秒测量五次 GPS 位置、温度、压力和湿度。）如果风速达到每小时 100 英里并威胁到卡车的行驶，工作人员会按下詹姆斯邦德式开关，启动电池供电的液压系统，将 Dominator 降到地面。卡车底部周围的橡胶护套会张开，形成真空密封，以防止碎片进入并帮助固定车辆。而且，由于油箱的缘故，Dominator 会消耗大量燃油，每加仑可行驶 14 英里。