在震耳欲聋的雷暴过后，一片诡异的寂静降临。随后，密苏里州乔普林市漆黑的天空中，一个巨大的、尖啸的多涡旋龙卷风伸出了触角。风速超过每小时200英里，在小镇上撕开了一条四分之三英里宽、六英里长的破坏性路径，摧毁了学校、医院、企业和房屋，夺走了大约160人的生命。
在2011年5月22日星期日晚上龙卷风袭击前近20分钟，政府预报员发布了预警。龙卷风观察预警已生效数小时，而恶劣天气展望也已发布数日。这些预警比通常情况来得更早，但显然还不够及时。尽管应急官员处于高度戒备状态，但许多当地居民却没有。
乔普林龙卷风只是2011年春季众多龙卷风悲剧之一。一个月前，一场破纪录的龙卷风群袭击了南部部分地区，造成300多人丧生。四月是有记录以来最繁忙的月份，约有750次龙卷风。
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2011年以550人死亡成为美国历史上死亡人数第四多的龙卷风年份。这一多风暴年份也代价高昂。2011年发生的14起极端天气和气候事件——从乔普林龙卷风到飓风洪水和暴风雪——每起都造成超过10亿美元的损失。这种强度持续到2012年初；3月2日，龙卷风在11个中西部和南部州造成40多人死亡。
近几十年来，极端天气预报工具取得了进步，但美国国家海洋和大气管理局的研究人员和工程师们正在努力改进雷达、卫星和超级计算机，以进一步延长龙卷风和雷暴的预警时间，并更好地确定飓风强度和预报洪水。如果这些努力取得成功，十年后，居民将提前一小时收到关于严重龙卷风的预警，例如，让他们有足够的时间消化信息，召集家人并寻找避难所。
雷达的力量
气象学家道格·福赛思（Doug Forsyth）正在领导改进雷达的工作，雷达在大多数天气预报中都发挥着作用。福赛思是美国国家海洋和大气管理局国家强风暴实验室雷达研究和开发部门的负责人，他最关心的是延长龙卷风的预警时间，因为致命的龙卷风形成迅速，而雷达是预报员感知新生龙卷风的主要工具。
雷达的工作原理是发射无线电波，无线电波会从大气中的粒子（如雨滴、冰甚至昆虫和尘埃）反射回来。通过测量返回雷达的无线电波的强度以及往返所需的时间，预报员可以看到降水的位置和强度。美国国家气象局目前使用的多普勒雷达还可以测量返回波的频率变化，从而提供降水移动的方向和速度。这项关键信息使预报员能够在龙卷风形成之前看到雷暴内部发生的旋转。
1973年，美国国家海洋和大气管理局的气象学家罗杰·布朗（Rodger Brown）、莱斯·莱蒙（Les Lemon）和唐·伯吉斯（Don Burgess）在分析袭击俄克拉荷马州联合市的龙卷风数据时，发现了这项信息的预测能力。他们注意到雷达数据中非常强的出站速度紧挨着非常强的入站速度。这些数据的视觉呈现如此非同寻常，以至于研究人员最初不知道这意味着什么。然而，在将数据与龙卷风的位置匹配后，他们将这些数据命名为“龙卷涡旋特征”（Tornadic Vortex Signature，TVS）。TVS现在是最重要和最广为人知的指标，表明极有可能正在发生龙卷风或在不久的将来有可能发生龙卷风。这些数据使龙卷风预警的提前时间得以延长，从1987年的全国平均3.5分钟增加到今天的14分钟。
虽然多普勒雷达具有变革性，但它并非完美。它使像福赛思这样的气象学家无法看到给定粒子的形状，而形状可以区分例如暴雨和沙尘暴。具有讽刺意味的是，当一次失败的视力检查使他从美国空军飞行员的雄心壮志转向气象学事业时，他的人生轨迹发生了改变。从那时起，福赛思一直专注于雷达升级，以便为预报员提供更好的大气视野。
一项关键的升级称为双极化。这项技术使预报员能够更自信地区分降水类型和降水量。虽然雨滴和冰雹有时可能具有相同的水平宽度——因此在多普勒雷达图像中看起来相同——但雨滴更扁平。了解粒子形状的差异减少了预报员识别雷达扫描中特征所需的猜测。这种理解有助于产生更准确的预报，以便居民知道他们应该为冰雹而不是雨做好准备，例如。
有关粒子大小和形状的信息还有助于区分龙卷风和强雷暴卷起的空中碎片，因此气象学家可以识别正在发生的破坏性风暴。当追踪器正在处理肉眼看不见的龙卷风时，粒子数据尤其重要。如果龙卷风被暴雨笼罩或发生在夜间，双极化仍然可以检测到空中碎片。
美国国家气象局正在将双极化技术——它也有助于监测飓风和暴风雪中的降水——整合到全国所有160部多普勒雷达中，预计到2013年中完成。与此同时，美国国家海洋和大气管理局的人员正在培训预报员解释新的图像。位于北卡罗来纳州纽波特/莫尔黑德市的天气预报办公室是第一个使用这种雷达扫描热带气旋的机构，当时飓风“艾琳”于2011年在北卡罗来纳州登陆。在那次风暴期间，双极化雷达在检测降水率方面比更北部的传统多普勒雷达更准确，因此在预测洪水方面也更准确。改进后的能力无疑挽救了卡罗来纳州的人们的生命；在更靠北的海岸，在没有这项技术的情况下，飓风“艾琳”尽管有早期预警，但仍然更致命，夺走了近30人的生命。
美国国家海洋和大气管理局的研究气象学家帕姆·海因塞尔曼（Pam Heinselman）认为，美国海军用于探测和跟踪敌舰和导弹的另一项先进雷达技术也具有改善天气预报的巨大潜力。海因塞尔曼领导着位于俄克拉荷马州诺曼市的国家天气雷达试验台的一个电气工程师、预报员和社会科学家团队，专注于一种名为相控阵雷达的技术。
当前的多普勒雷达一次扫描一个仰角，使用机械转动的抛物面天线。一旦天线完成完整的360度切片扫描，它就会向上倾斜以采样大气层的另一个小扇区。在从最低到最高仰角采样后（在恶劣天气期间，相当于14个单独的切片），雷达返回到最低仰角并重新开始整个过程。在恶劣天气期间扫描整个大气层需要多普勒雷达四到六分钟。
相比之下，相控阵雷达同时发出多束波束，无需倾斜天线，从而将风暴扫描之间的时间缩短到不到一分钟。这种改进将使气象学家能够“看到”雷暴环流中快速演变的变化，并最终更快地检测到导致龙卷风的变化。海因塞尔曼和她的团队已经证明，相控阵雷达还可以收集目前无法获得的风暴信息，例如风场的快速变化，这可能会先于风暴强度的快速变化。
海因塞尔曼和其他人认为，仅相控阵技术就可以将龙卷风预警时间延长到18分钟以上，但还需要进行更多的研究和开发。理想情况下，相控阵系统将有四个面板，用于发射和接收无线电波，以提供360度的大气视野——东西南北各一个。诺曼市的研究人员只制造了可用于天气监视的单面板系统，相控阵雷达成为全国范围内的常态可能还需要至少十年时间。
天眼
当然，即使是最好的雷达也无法看到山脉上方或飓风形成的海域。预报员依靠卫星来应对这些情况，并且还依靠卫星来提供更广泛的数据，以补充来自给定雷达的局部信息。美国国家海洋和大气管理局的天气卫星提供了超过90%的日常和长期预报数据，它们对于提前数天提供恶劣天气潜在警报至关重要。为了改进这种基本环境情报的传递，美国国家海洋和大气管理局将在未来五年内部署一系列新技术。
如果没有更详细的卫星观测，延长准确天气预报的范围——特别是对于飓风等极端事件——将受到严重限制。天气监测需要两种类型的卫星：地球静止卫星和极地轨道卫星。地球静止卫星固定在距地面约22,000英里的一个位置，传输地球表面的近连续视图。通过使用每隔15分钟拍摄的图片循环，预报员可以监测快速增长的风暴或检测飓风的变化（但不能检测龙卷风）。
极地卫星在距地面约515英里的高度绕地球两极轨道运行，可以更近距离、更详细地观测大气不同层的温度和湿度。一组全球性的低地球轨道（LEO）卫星每12小时覆盖全球。
美国国家海洋和大气管理局计划在本十年发射一系列新的低地球轨道卫星，作为联合极地卫星系统的一部分，这些卫星配备了更新的硬件和更精密的仪器。它们的数据将用于计算机模型，以改进天气预报，包括飓风路径和强度、强雷暴和洪水。先进的微波和红外传感器套件将传递大大改进的大气温度、压力和湿度的三维信息，因为温度和湿度的快速变化，加上低压，预示着强风暴。红外传感器在无云区域提供这些测量数据，而微波传感器可以“穿透云层”看到地球表面。
2011年4月，在强风暴系统席卷南部六个州的前五天，美国国家海洋和大气管理局当前的极地轨道卫星提供的数据被输入模型后，促使美国国家海洋和大气管理局风暴预测中心预测“可能发生历史性的龙卷风爆发”。该中心在事件发生前的午夜将风险等级提升至最高级别。这种展望级别是为最极端的情况保留的，不确定性最小，仅在检测到极度爆发性风暴的可能性时使用。新的低地球轨道卫星应该能够提前五到七天做出这样的预测。
地球静止卫星也将得到改进。将安装在2015年发射的地球静止业务环境卫星-R系列卫星上的先进仪器将每五分钟对地球进行可见光和红外波长成像。它们将观测频率从每15分钟增加到每五分钟或更短，使科学家能够监测强风暴的快速增强。地球静止业务环境卫星-R卫星还将提供世界上第一个从太空观察西半球闪电发生位置的视野。闪电绘图仪将帮助预报员检测云内和云对地闪电频率的跳跃式增长。研究表明，这些跳跃式增长发生在冰雹、强风甚至龙卷风发生前20分钟或更长时间。
数十亿的数据
每项新的雷达技术和卫星技术都可以将预警时间提前几分钟，但将从所有这些系统获得的数据整合到预报计算机模型中，可以提供更多的时间。例如，龙卷风预警可以提前一小时发布。这种提前时间本可以在乔普林市发挥巨大作用。
预报模型基于控制大气运动、化学反应和其他关系的物理定律。它们处理数百万个代表当前天气和环境条件（如温度、压力和风）的数字，以预测大气层的未来状态。想象一下覆盖地球表面的网格。再想象一下几百英尺高的另一个网格——以及另一个又一个，一层又一层，一直到距地面约30英里的平流层顶部。需要数百万行代码来转换正在观测的数十亿个网格点。
今天的典型预报模型使用表面网格，网格大小约为5到30平方英里。正方形越小，模型的分辨率越高，并且它在检测可能引发风暴的小规模大气变化方面就越好。然而，处理更多的数据点需要更快的超级计算机。
建模方面的进步还需要能够整合所有这些数据并解释它们的人才。美国国家海洋和大气管理局环境建模中心代理主任比尔·拉彭塔（Bill Lapenta）负责这项转换工作，该中心负责为未来12、24、36、48和72小时及更长时间生成数值预报。气象学家将美国国家海洋和大气管理局的模型与来自国际建模中心的其他模型进行比较，以得出在网络或晚间新闻中看到的预报。
位于西弗吉尼亚州费尔蒙特的美国国家海洋和大气管理局超级计算机每秒可以处理73.1万亿次计算。但拉彭塔认为，更快的速度是可能的，这将使模型能够以更小的尺度运行。例如，仅一平方英里的网格将使模型能够模拟将常规雷暴或飓风变成怪兽的小规模条件。美国国家海洋和大气管理局计划使用橡树岭国家实验室的一些最新超级计算机开始构建此类模型。拉彭塔希望这种高分辨率模型可能会在2020年左右开始出现。
拉彭塔预见到，在未来十年内，新型雷达和卫星不断增强的能力将与新一代精细的天气预报模型相结合，这些模型将在速度超过每秒百亿亿次计算的计算机上实时运行。为了使它们成为现实，像拉彭塔这样的科学家正在研究需要在编码中体现的数学、物理和生物地球化学关系，以便这些关系能够无缝地协同工作。
如果美国国家海洋和大气管理局对这种“脑力”的重大投资取得回报，预报员将不必等待雷达图像检测到实际风暴后再发布提前14或18分钟的预警。相反，他们将能够根据提前很久生成的非常准确的模型预报发布龙卷风、强雷暴和山洪预警，让公众有30到60分钟的时间采取安全预防措施。
更优秀的科学，更明智的决策
随着所有这些改进，纽约市天气预报办公室的气象学家加里·孔特（Gary Conte）等将能够更准确、更长时间地提前预报可能导致城市瘫痪的天气灾害，例如冰雪风暴。恶劣天气展望将扩展到五天以上，飓风预报将扩展到七天以上，春季洪水威胁将在数周前已知。对天气做好准备的国家的愿景是避免2011年未减轻的灾难的驱动力。
目标是到2021年，重建和蓬勃发展的乔普林市将提前一小时以上收到严重龙卷风预警。家庭将有更多时间聚集并进入安全房间。养老院和医院将能够将居民和患者转移到避难所。零售商将有时间让员工安全并关门歇业。手机将发出多条寻求庇护的提示信息，而当地气象学家将在电视和广播中播放类似的警告。龙卷风警报器的嘹亮呼叫将增强这些警告的紧迫性。因此，即使是大自然最强大的龙卷风也会穿过城镇，而不会造成任何生命损失。
本文以“更好地关注风暴”为标题在印刷版上发表。