能否避免下一场飓风之殇
——“卡特里娜”10周年看美国大气科学领域之变

　　编者按：2005年8月25日，飓风“卡特里娜”于美国佛罗里达州登陆，数小时后，进入墨西哥湾，在28日迅速增强为5级飓风，29日破晓时分登陆墨西哥湾新奥尔良海岸。风暴潮给路易斯安那州、密西西比州及阿拉巴马州造成灾难性破坏。

　　当时，美国气象部门准确预报出它将由西北转向偏西方向移动，但由于防灾减灾能力薄弱及灾后救援不当，“卡特里娜”成为美国史上破坏最大的飓风。

　　10年过去，这一案例被科学界无数次提及并开展深入研究。“卡特里娜”事件作为防灾减灾失败的典型，不断被人们总结，美国政府及相关部门也尝试改善这一状况。本版回顾了从2005年至2015年的10年间，美国在大气科学领域为提高飓风监测预报及防灾减灾能力所做的努力。

　　预报：

　　■飓风48小时路径预报准确率提升50%

　　■预报时效扩展为5天     

　　■用模式探索预报数周至数月后的飓风

　　2005年8月24日早晨，“卡特里娜”飓风正式编号，美国气象部门准确预报出它将由西北转向偏西方向移动。此时的墨西哥湾，垂直风切变弱，海温很高。27日，“卡特里娜”眼壁置换完成后，强度骤然增强。28日增强为5级飓风。

　　这与预报基本吻合。它“如期”登陆并影响美国。只是预报的“发令枪”作用没有得到很好发挥。

　　在“卡特里娜”之后，美国大气科学领域的科学家为改变这一状况，付出大量努力，旨在通过向公众发布更精确的预报，让其真正发挥作用。

　　10年来，美国国家海洋与大气管理局（NOAA）研发多项预报工具和模拟系统，使飓风路径和强度预报的准确率大大提升。

　　2008年，NOAA发起一项飓风预报改进计划（HFIP），促进高分辨率计算机模式发展。同年，NOAA开始利用气候预报系统（CFS）进行飓风季节预报。到2009年，气候预报系统的24英里（约39公里）空间分辨率格点化预报，可对已命名风暴和飓风进行直接季节性统计预测。该系统还可以对包括厄尔尼诺在内的关键性大气海洋条件进行预报。

　　在此基础上，风暴平均强度、飓风降水率、超强风暴数量预报水平得到了提升。如今，NOAA的全球模式系统可以准确模拟全球不同区域最具有代表性的热带气旋数量和强度，有望准确判断强度和路径变化对风暴潮风险的影响。此外，NOAA的飓风天气研究和预报模式（HWRF）也值得一提，它不仅能模拟飓风强度、小尺度预报以及大气和海洋相互作用，还能用于模拟全球同时出现的风暴。NOAA未来还将改进飓风活动模式中的物理表示方法，制作更好的模式。

　　截至2014年，美国气象部门飓风48小时路径预报的平均误差由2005年的110海里（约204公里）缩小为65海里（约120公里）。相比2005年，飓风提前2天路径预报准确率提升了50%，提前4天的准确率提升25%。

　　在完善路径及强度预报的同时，NOAA将飓风预报时效由3天扩展为5天；风暴潮监测和预警也由2010年的提前12小时分别延长为提前48小时和36小时。美国国家飓风中心（NHC）的重要产品“热带天气展望”也由原来的2天延长为5天。

　　在这10年中，美国气象科技工作者对飓风预报时效的野心还不止于此。为了提升计算机模拟水平，增加对飓风活动长期变异性的认识，NOAA联合其他机构及大学研究部门，建立了专门的研究室。2014年至2015年，NOAA研发出全球最高分辨率模拟系统——15英里(约24公里)空间分辨率格点化预报系统，可以对数周至数月后将要出现的飓风进行预报。

　　10年来，NOAA甚至开始利用全球模式对几十到百年尺度的飓风活动进行预测。起初高分辨率模拟能力有限，但如今已经开发出的一些新系统和新模式，可以提前预测飓风数量及活动区域范围，将来有望提前几年预测出飓风。目前，NOAA正致力于探索预报数周至数月后将要出现的飓风和其登陆的准确位置。

　　在“卡特里娜”之后，科技工作者研发出“草原狼”无人机，其装载的雷达能收集暴风雨内部资料。上图为工作人员监控“草原狼”无人机在台风眼底部的飞行状况。下图为研究人员展示约6.35斤重的该无人机。来源：NOAA网站

　　监测：

　　■卫星监测图像将30秒更新一次

　　■无人机装载的雷达能收集暴风雨内部气象数据

　　■借助卫星研究海底海丘峡谷及闪电与飓风的关系

　　卫星监测数据在飓风预报中有着不可替代的作用。这一点“卡特里娜”来临时就已经得到了证明：如果当时没有气象卫星所提供的监测数据，它的路径和强度可能无法预测，灾害或许会更重。

　　10年来，人们对天气和气候预测的精确性要求越来越高，“工欲善其事，必先利其器”，卫星这把利器在数量、数据采集频率、图像分辨率及观测内容方面有了明显提升。

　　今年4月底，在受到多方关注的NOAA气象卫星大会上，一个重要内容就是关于美国新一代气象卫星的发展。按照NOAA的计划，“地球静止轨道环境业务卫星-R”（GOES-R）将于2016年发射，届时静止卫星系统数据采集能力将显著提高，卫星监测图像可达到30秒更新一次。而当年“卡特里娜”飓风时的卫星监测图像更新速度为5分钟一次。技术层面提升带来的现实意义令人期待：在GOES-R的帮助下，气象部门关于飓风路径和登陆时间的预报能力将获提升。

　　这样的技术提升在过去10年中并不罕见。2012年，飓风“桑迪”登陆美国，与2005年相比，美国静止轨道环境业务卫星队伍有了更多成员。这些新补充进来的静止卫星图像更新速度更快，分辨率也更高。另外，作为与静止卫星系统互为功能补充的极轨卫星系统，也比2005年有了质的发展。以其中的Suomi NPP极轨卫星为例，其在大气数据收集方面，不仅成像分辨率有所提高，更是在夜间取像方面有了突破。

　　飓风监测预报是一个复杂的系统工程，除了气象卫星监测外，如何增强雷达的数据采集能力，也是NOAA这10年的研究重点。

　　卫星固然能对飓风进行整体监测，但雷达通过搭载飞机却可以深入飓风内部。两者在数据收集方面相得益彰。

　　在“卡特里娜”飓风影响期间，美国已经使用“P-3飓风猎人”飞机采集雷达数据。然而NOAA并不满足于此，因为该飞机无法在飓风内部飞得更低，而他们希望获得更低位置的数据。通过一系列努力，“草原狼”无人机正式启用。无人机装载的雷达能收集暴风雨内部风速、气压、气温、湿度，甚至能收集海表温度。这对提升飓风强度预报的意义在于，将上述数据进行比对，能分析出飓风是怎样从海洋获得能量进而不断发展的。

　　可以说，更先进的卫星和雷达系统能帮助美国气象部门在现有飓风预报模式下，达到更高精度。此外，NOAA还赋予新一代卫星系统新的“职责”。他们目前正在搭建一个新的模式平台，试图找到海洋底部海丘峡谷特性与飓风的关系。其实现手段就是新一代卫星所提供的高分辨率图像。
另外，通过新一代卫星系统，美国气象人员将可获得近乎全覆盖的地球闪电图，这能帮助他们研究闪电和飓风加强之间是否存在一定关系。

　　防灾减灾：

　　■数字海岸计划及可视化技术“具象”了监测数据

　　■未来10年继续在识别风险、绿色基础设施、集合各领域科学家及防灾减灾人文指标上下功夫

　　2005年8月27日，时任密西西比州州长赫利要求所有居住在墨西哥湾沿岸的居民迅速撤离。27日深夜，时任新奥尔良市市长雷·纳金请求48.5万居民全部疏散：“请大家注意，这不是演习，而是真事。”

　　但是，预警信号及撤出令发布后，人们采取何种应对措施不存在强制性。新奥尔良市多数被困居民是穷人，没有交通工具，几乎没能力离开。加之部分人对飓风预警抱侥幸心理，不相信会有巨大灾难来临而未撤离。

　　29日破晓时分，“卡特里娜”在美国墨西哥湾新奥尔良海岸登陆。到了中午，城内工业运河的防洪堤有两处决堤，大水涌进第九区的街道，水深3英尺至10英尺（0.9米至3米）。夜间，第17街运河旁的防洪堤撑不住了，决堤300英尺(91.4米)，80%的地区被洪水吞没。

　　那些没有听从撤出令的人后悔了。当时27岁的彼得森被困在新奥尔良：“如果早些撤走，就不会像老鼠这样被困住。厕所不能用，手机也不行。”
美国作为全球最发达的国家之一，它的防灾减灾应急能力，在飓风洪水的洗涤下，显得脆弱不堪。

　　在“卡特里娜”之后，美国才意识到飓风、海啸和其他恶劣天气会给人们带来毁灭性伤害。之后，“卡特里娜”事件作为防灾减灾失败的典型，不断被人们总结，政府及相关部门也尝试改善这一状况。

　　10年来，NOAA开展数字海岸计划，在防灾减灾数据上寻找突破口，让人们更容易看懂数据背后的意义。并且，NOAA海岸管理办公室整合美国国家气象局的资源，通过研究社会科学，试图找到可以增加公众理解恶劣天气的途径。

　　他们认为，可视化信息受人欢迎。在此基础上，科学家研发了一些产品，如海平面上升数据，可以查看社区在风暴潮来临时会受到何种影响；再如，沿海洪水风险图，可以选择地图上任意位置，查看哪些人员及自然资源会暴露于洪水风险中；还有沿岸县级快照，可以将精确到县级的洪水、湿地及相关工作情况打印成图表；此外，海岸社区防灾减灾指数为社区自我评估提供了一个简单廉价的方法，目前已有54个社区使用这一方法确认可能发生的灾害。

　　10年来，各方都给予资金和技术援助。联邦机构近期还确定了沿海社区下一个10年的目标，例如加强识别风险能力、建设绿色基础设施、集合各领域科学家及确定防灾减灾人文指标等。

　　在“卡特里娜”10年之际，77岁的新奥尔良公民布莱恩回忆，当年一些政客说飓风没那么严重，认为大堤能够抵挡洪水，一些民众听信了才没有离开。如果当时，防灾减灾如现在这般有足够的数据支撑，基础设施有优良的排水能力，公民有充分的防灾意识，新奥尔良也许不会满目疮痍。

　　（来源：《中国气象报》2015年9月9日四版 记者：孙楠 郝静 卢健）