方哲卿：“东方之星”遭遇的极端天气，你会碰上吗
12月30日，“东方之星”号客轮翻沉事故报告公布，推翻了原先“龙卷风”的猜测，而是“由突发罕见的强对流天气——飑线伴有下击暴流——带来的强风暴雨袭击导致的特别重大灾难性事件。”
听到这则消息，普通民众大概更加一头雾水了。原本的“龙卷风”至少耳熟能详，但现在这“飑线”、“下击暴流”又是什么鬼？身边的小伙伴甚至直接把“飑（biao）线”读成了“包馅”。作为气象工作者，实有必要就此做一些科普工作。
我们就从最根本的原因讲起，只要稍微有些物理常识，就能轻松理解事件的来龙去脉。
船为什么沉得这么快？
在讲解天气之前，我们先把翻船的过程阐述清楚，大家就能明白事情不是“风吹船翻”这么简单。
从“东方之星”号客轮翻沉的130秒动画来看，我们可以看到“由于船舶突然侧倾，导致船上人员失去重心，翻沉过程持续时间仅1分多钟”。这短短一分钟，完全来不及上演泰坦尼克沉没时的生死恋，是什么让“东方之星”沉没得如此迅速？
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**原因在于平衡船舶的重力和浮力的作用在瞬间发生了改变。**如下图所示，向下的箭头代表重力，向上的代表浮力，风从右边吹来，船舶略微逆时针倾斜，重心位置在浮心位置的右侧，**两个力都是让船向顺时针方向翻转，使船舶重新平衡。**然而当风大到一定程度，倾斜度超过一定的角度之后，**重心位置偏移到浮心位置的左侧，两个力的效果就会瞬间转变为逆时针，加速了船舶翻沉的速度。**所以船舶航行时特别注意垂直于船体的侧风侧浪。
也是因为这个原因，我们才会在视频中看到，船长在发现风力增大后，调转了方向，让船头迎着西北风。遗憾的是，尽管船长应急操作正确，船体所受侧风的力度应当有一定减少，但沉船事故还是发生了。为什么？因为这风不仅风力猛，而且风向乱，不是简单调转船头就能应对的。
风来了，为何如此猛烈
回到开头，“东方之星”之所以“在劫难逃”源于两重夹击：飑线+下击暴流。
“飑”古同“飙”，意为暴风，持续时间较长的西北风，就是随着飑线而来的；如何理解“线”呢？请看下图飑线移动发展的示意：原本像细胞一样的扁圆形雷暴云团，在移动过程中，变成了一个弓状的“线”。
大尺度天气系统带来了较强的西北风，这时，飑线移动路径的虚线位置处发生了“下击暴流”，产生了瞬间乱流，最终引起了船体侧翻。
下击暴流，顾名思义是垂直向下的风暴流。在气象学中，根据风速大小，把垂直向下的风分成下沉气流和下击暴流两类，后者的界定是在气流冲向地面辐散后引起的地面上水平风速超过8级风。
在下击暴流接触到地表后，四散开来并没有固定的风向。在船已经很难控制的时候，下击暴流带来的风向莫测，加强了原有风的威力，使得船首向右下风偏转，**船体承受12-13级的瞬时大风，导致迅速发生了侧翻。**这等风力堪比台风眼区，回想台风过境时房屋倒塌、大树被连根拔起的情况，就知道这是多大的破坏力。
也是这个“下击暴流”，是空难事故中的常见“凶手”。它垂直向下吹的过程中，对正在起降的飞机足以构成致命的威胁。
1982年7月，美国莫伊圣特国际机场上的一架飞机就遭遇低空下击暴流，机上145人全部遇难。2000年6月，武汉航空公司一架飞机也曾在武汉王家墩机场遇到雷暴云，受下击暴流影响坠机失事，造成49人死亡。
参见下图详细分析这个过程：飞机的抬升力源于飞机上下表面的压力差，而这压力差的又源自流线型设计造成的速度差不同，总体而言相对空速越大飞机升力越大。当飞机接近下击暴流区域时，遇到了迎头风，相对空速增加，飞机在过大的升力作用下开始偏离预定的航迹上升。为了使飞机回到航迹上，飞行员通常使飞机本身进行减速和低头。但当继续前行至下击暴流区域的核心时，垂直风越来越大，而迎头风逐渐减少至0。穿过中心后，变成了顺风且越来越大，飞机的相对空速减少，加上之前飞行员的减速低头操作，飞机突然开始加速向下俯冲，如果此时飞行员应变不当，就非常容易坠毁。
那下击暴流的成因是什么呢？最通俗易懂的理解方法就是类比股市暴跌。股市暴跌是因为前期的暴涨，而下击暴流的出现，就是因为对应有强烈的上升气流，上升气流是产生对流天气的根本原因。
预防这样的事故，我们能做什么
说到这里，大家可以发现，虽然造成事故的过程曲折复杂，但对灾害天气本身的理解，还是相当直观，一言以蔽之：“空气上升凝结成云，空气下沉刮风下雨”。下雨带来的下沉气流，大家并不陌生，雨时的那阵凉风就和下击暴流没什么本质区别。但不必过于担心，毕竟风力达到8级以上，甚至12-13级的下击暴流非常罕见。
如果依据气象统计资料，按极大风力≥8级大风、1小时雨量≥20毫米暴雨、以及冰雹、龙卷风、雷击5项中，出现一种作为强雷暴天气为标准。上海出现强雷暴天气年均23.9天，强雷暴中伴有大风的，年均12.7天。伴有龙卷风的，年均2.7天。这样来看，普通人遇上的概率还是挺小的，加上及时的天气预警，大家一般会在室内避风，应该安全无虞。
**尽管气象部门可以对大尺度的超强台风做出预警，但目前的科技水平难以对中小尺度的龙卷风、下击暴流走这样的极端事件，做出准确的预报。**在一次成云降雨的过程中，对形成低气压，产生气流上升的过程有较好的预报能力，然而一旦雷暴云团形成，之后它是否会出现飑线、下击暴流，如果出现又是在何时何地，就很难预测。因为雷暴一旦发生之后，剧烈的对流让一切都变得难以判断。对此，目前的气象部门既缺乏足够精细的观测数据，也缺少成熟的预报技术。
即便是气象水平先进的美国，面对已经做过多年深入研究的龙卷风灾害,预警错误率仍然高达70%。
气象学家徐祥德院士对目前的预测水平做出过客观的表述：“下击暴流导致的空气辐散现象仅仅发生在离地面较近的高度范围内，只有发生在离雷达非常近的距离才能被发现。从2004年开始，美国利用WSR－88D雷达进行了下击暴流识别和预警，结果表明：下击暴流的预警时间与其离雷达的距离有关，距离在20－45公里左右，提前预警时间为5.5分钟；在45－80公里范围内提前预警时间基本为0；小于20公里和大于80公里，则无法进行下击暴流预警。而岳阳天气雷达距事发地点50公里。目前国内下击暴流识别业务预警算法正在研究当中。”
尽管目前技术手段有限，但科技是不断向前发展的。在查询下击暴流造成的空难时，不难发现事故频发的时间差不多都是在20年前。一段对话解释了这一现象。“当时人们并不了解一团微爆气流的构造。但很快人们就弄清楚了。他们非常非常迅速地开发了一个风切变告警系统。”随后美国联邦航空署（US Federal Aviation Administration）立即要求所有商用飞机安装这些装置。
也许目前的技术成本之下，要给每艘客轮都能安装上监测下击暴流的装置还不太现实。然而值得期待的是，随着技术的革新，人类有可能获得更低廉的监测手段。但愿先进预报观测技术的发展，能够早日帮助人类规避极端天气灾害，减少生命财产的损失。
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