他山之石可以攻玉——强对流专题4:中美强对流非全方位对比(上)

其实用“他山之石”来形容美国的强对流远不贴切,“他山之玉”才更准确。因为美国的强对流天气,不论是现象本身还是相关科技,都是世界的顶峰。地理和气候特点决定了美国的强对流天气,尤其是极端风雹(大风和龙卷)类天气的数量、强度在全世界首屈一指。匹配上美国的经济和科技实力之后,在强对流天气的科学研究、监测预警报技术、业务能力方面,美国一直都是全球领先的地位。自然而然,作为一穷二白起身的中国,美国是我们最好的老师,是我们追赶的对象。
令人欣慰和自豪的是,正如GDP,如航天,如军舰,如电信技术等等诸多领域的发展路程一样,经过多年尤其是近十多年以来的奋起直追,我们的强对流天气监测和预警报能力相对美国,已经从过去的望尘莫及,来到了现在的紧随身后。
本篇内容,打算跟大家聊聊中美强对流天气以及相关预报能力和业务的差异,也是为了回答诸如“为什么强对流天气的预报是世界性难题”和“我们比先进国家如何”之类经常在采访中会面对的问题。我所知很有限,不想也没能力去全面调查、引经据典和严密考证。只是一个从业者对行外人的聊天,尽量保证事实没有大问题,若有不严密或错误之处,欢迎指正,见谅。
一、“洪水之国”VS“龙卷之国”
当我在思考如何用最简练的语言来描述中美强对流天气的差异时,这两个词从脑海跳了出来。中美同处北半球,相当的国土面积,同一个纬度带,同样巨大的东西南北跨幅,天气气候其实是有很多类似之处的。但同样因为地理上的几个主要差异,导致了天气气候方面中美也有显著的不同特点。表现在对流性天气方面,就是中国的暴雨强对流更多,而美国的风雹(大风和冰雹)强对流更烈。
关于美国的强对流天气,你可能对好莱坞电影《龙卷风》比较熟悉和印象深刻。下面两图就是电影中的画面,其实这真真正正来源于生活。美国中南部的大平原上龙卷发生的数量很多(平均每年有一千多个),超强龙卷(就是可以把房子夷为平地再带走残渣的)也屡见不鲜。而大自然的这种壮丽震撼景象,也吸引了大量的追风者。
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1996年电影《龙卷风》画面(风与追风者来都自现实)
这种特点,是由于大平原地区特殊的地理与大气环流配置共同造成的。如果你查阅美国龙卷风走廊形成的原因,你会看到最多的描述是诸如“来自落基山脉的干冷空气与来自墨西哥湾的暖湿气流交汇”之类的描述,如下图所示。
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美国龙卷风走廊形成原因示意图(涛淘风云制)
这个说法本身极简练,也没啥问题。但是你想过吗,中国的各种天气何尝不是冷暖交汇呢。以最经典的中国雨带为例(下图),来自北方的冷空气与来自南方的暖湿气流交汇。主雨带中确实也会有些风雹类型的强对流天气,但与美国龙卷走廊相比,无论是强度和数量都要低不止一个量级。反过来,美国的暴雨强度和数量又比中国低不止一个量级。这又是为啥呢?
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中国主雨带形成原因示意图(涛淘风云制)
同样冷暖交汇,但其实交汇方式和规模却是五花八门,内中门道极多的。虽然亚欧大陆在东西的宽度上远大于北美大陆这个因素也对冷暖空气及其交汇有重要影响,但对于中美强对流天气差异性而言,坐镇中国西部的青藏高原是最关键和更具有决定性作用的(以下内容请结合上面两张图去想象)。
有人说美国西部也有庞大的落基山脉呀,对了,那就比比看它们的最大不同吧:青藏高原平均海拔4000米以上,是一大块“原”,落基山脉平均海拔2000多米,是一纵列“山”。很容易你就可以想到它决定了中美冷暖交汇的大不同:青藏高原与我国那些横向的山脉(秦岭、南岭)一起,极大的阻挡了北方冷空气的南下,尤其是从西路南下的力度,我国大部分冷空气影响南方的方式都是东路南下(当然了,这也有冷空气主体即冷高压是顺时针旋转的因素,这里不谈)。而北美的冷空气南下阻力远低于中国。
不过,这个知识点也不是我重点要说的,它早已成为常识,它说的是低空冷空气。下面的才是我想说的,稍微费点脑,但也不难。要点在于二维换三维,简单一句话就是:青藏高原阻挡和改变了高空冷空气。
青藏高原东西宽度,如果从帕米尔高原到川西高原算接近3000公里,南北从祁连山脉到喜马拉雅山脉大约1300公里。这对于中纬度的西风带大气而言,不仅仅是一大堵墙的问题。4、5千米海拔的高原,受到太阳强烈的日晒加热了高原地表大气,进而加热了高原及周边的高空大气,这就是一大个火炉呀,这个火炉作用远远不是一列低山的落基山脉能比的。这个架在中国西部高空的火炉,不仅挡住了低空冷空气南下,同时将由西风带大槽和涡旋携带的高空冷空气消减和阻挡得几乎干干净净。
强对流天气,需要的物理条件就是高空干冷空气交汇低空暖湿空气。当来自东太平洋和大西洋的低空暖湿气流大举北上美国时,来自西太平洋和印度洋的低空暖湿气流也在大举北上中国。但西风带大槽引导北极高空干冷空气大举南下并自上向下与暖湿气流大战时,青藏高原却对同样入侵东亚的高空冷空气说NO。青藏高原祭出两个大招:先用高墙一挡,再用火炉一烤——拜拜了您就歇菜吧!
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中美强对流大背景差异示意图——风雹(涛淘风云制)
就这样,虽然中国也有达成强对流条件的时候,但总体而言比美国差了很多,地理和大气环流的这个主因导致了两国强对流天气主要特点的巨大差异:美国的强对流多且强,是“龙卷之国”。
中国高空冷空气较弱,季风气候背景下的暖湿气流又较强,综合造成中国强对流的风雹相对不多和不强,而是以暴雨为主;又由于高空西风带具有强烈的驱赶低空冷空气和副高的作用,当青藏高原削弱西风带后,低空入侵我国的冷空气就变得磨磨唧唧,非常容易与低空暖湿气流形成拉锯。因此中国的暴雨猛烈且易持久。所以,中国是“洪水之国”。下图与上图相比增加了低空冷空气。
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中美强对流大背景差异示意图——暴雨(涛淘风云制)
必须指出:这个差异性是宏观、总体、相对而言的,并不是说中国风雹强对流就没有就弱或者绝对数量少,美国暴雨强对流亦然。
此外,同样由于青藏高原深厚的阻挡与加热作用,中国极寒天气与美国极寒天气也存在着显著的差异,如美国年初得克萨斯州气温摄氏零下几十度的极端情形基本上无法在中国南方上演,但有机会在东部尤其是东北上演
接下来即将到来的11月4日到7日全国寒潮天气以及后续几天对东北地区的剧烈影响,是2021诡异天气的又一个重要注脚,也是一个很好的可以与北美极寒天气做较的例子,我将会另文对比。
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