2015年6月1日，長江上一艘名為“東方之星”的大型客船被大風吹翻，引起400多人遇難。這起事故，在一開始的媒體報道之中被宣傳為“龍卷風”導致東方之星翻船。
對于龍卷風到底是什么，可能很多人都沒有親身經歷過，而關于龍卷風在大氣科學中的準確的定義與物理含義，更多人都無法搞清楚。因此蝌蚪君專訪了北京大學教授和博士生導師劉式達。劉式達是前任中國氣象學會副理事長、英國皇家氣象學會會員，他也曾經擔任過北京大學地球物理系主任長達10年之久。
這次長江翻船到底是不是龍卷風引起的？
劉式達說，關于這次長江翻船到底是不是龍卷風引起的，不能確定。因為目前大家似乎并沒有拍攝到事故當天晚上的照片，尤其是沒有拍到漏斗狀云， 所以他認為不能確定這次事故到底是不是龍卷風引起的。要確定龍卷風，光從雷達回波里是看不出來的，必須要拍攝到龍卷風的漏斗狀云的照片。
那么龍卷風到底是什么呢？請看下面的具體分析。
對龍卷風的分析還必須基于物理學的角度。
龍卷風的研究屬于大氣動力學這個學科
曾有一個叫李政道的大物理學家這樣說過：“人每時每刻都在呼吸著，所以并不覺得呼吸是一種幸福。但如果不能呼吸了，將會怎樣？物理學對我來說就好像呼吸一樣。”是的，我們人類生活在地球上，空氣的存在經常被大多數人忽視，以為這是習以為常的東西，其實空氣不但對我們的呼吸有用，而且還可以幫助飛機在高空翱翔，當然空氣的運動也會帶來臺風或者龍卷風。對于后者，有一門專門的研究學科，那就是“大氣動力學”。
劉式達介紹說，自己從江蘇揚州中學畢業后，一開始是在北京大學物理系，后來在北京大學的地球物理系，現在在物理學院大氣海洋科學系。當時北京大學的地球物理系最主要的科學家是謝義炳院士，他與劉式達是同一個中學畢業的，他是后來的北京大學地球物理系的系主任。他卸任后，劉式達接任系主任。
劉式達在北京大學教授的科目比較多，一開始是整個物理系的計算方法課程，就是那些龍格-庫塔方法，差分法，有限元法啊等等，后來他也從事湍流研究，改革開放以后，他主要從事非線性動力學的研究。而這些研究總的來說都與大氣的運動規律有關。大多數情況下，大氣的運動是一種湍流，其運動規律滿足納維——斯托克斯方程(蝌蚪君注：完整解決這個方程可以得到Clay數學研究所提供的100萬美元的獎金)。
蝌蚪君問道：“北京大學的老校長周培源也是搞湍流研究的吧？”
劉式達：“周培源主要搞水的湍流，我主要搞大氣的湍流。水與大氣有非常大的不同，水的密度是基本上是均勻的，大氣的密度隨著高度是變的。”
大氣也是一種流體，龍卷風就是發生在大氣中的一個天氣現象。但因為大氣的運動規律滿足納維——斯托克斯方程這個高度非線性的偏微分方程，而這個方程在一般情況下是無法求解的，因此大氣科學還是一個十分前沿的學科。劉式達教授與他的雙胞胎弟弟劉式適一起，出版了《大氣湍流》等許多高水平的著作，他兄弟也是北京大學的教授。
但中國還沒有專門研究龍卷風的機構
對于龍卷風很多人也許只在電影里看到過，而關于它到底是什么，估計很多人是“只可意會，不可言傳”了。比如龍卷風的一些基本的物理常識，就不是很多人能懂的。
蝌蚪君問道：“那么，我們把話題集中到龍卷風這個特殊的天氣現象。龍卷風的大小尺度，到底由什么物理量決定呢？”
劉式達回答說：“大氣中的不同天氣系統空氣受力的情況不一樣，受力情況決定龍卷風的形成。日常天氣預報中關心的中緯度的氣旋和反氣旋的尺度就有上千公里。而再比如說臺風，臺風的尺度是百公里量級。而至于你說的龍卷風，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米的量級。“
因為大多數中國人看到的龍卷風的報道都發生在國外，于是就會好奇為什么美國的龍卷風比中國的龍卷風要多，對于這個問題劉式達解釋說，這是因為美國的兩邊都是海洋，大西洋與太平洋，所以強對流比較豐富。而中國只有一邊是海洋，另外一邊是新疆，西藏等沙漠高原地帶，強對流沒有像美國那么豐富。
在美國一年要發生1000多次龍卷風，而在中國可能只有10幾次，也正因為中國的龍卷風樣本比美國少很多，所以中國目前還沒有專門研究龍卷風的機構。
龍卷風出現特征
關于天氣預報，有一個重要的方程叫做洛侖茲方程。洛侖茲方程是近似的納維——斯托克斯方程（這個方程在本文前面提到過，就是描述大氣運動的基本方程）。洛侖茲方程是天氣預報的基本方程，也是蝴蝶效應的起源。洛侖茲一開始做了3維的近似，后來也做過6維的近似。當時是1963年，計算機比較低端，更高維的近似計算機也算不出來了。
蝌蚪君問：“很多人關心的是，龍卷風能預報嗎？”
劉式達說：“我聽說美國可以提早10分鐘預報龍卷風。若有強的超對流單體的雷雨云，用雷達看到，可以預報，但雷雨云底下一定要形成一個漏斗狀的云，這是出現龍卷風的必要條件。云底下伸出一個很長的渦管，旋轉起來就形成龍卷風。”
蝌蚪君問道：“氣象衛星能拍攝到龍卷風的圖像嗎？”
劉式達解釋道：“龍卷風，它的尺度很小，大概只有幾十米到100米，這個尺寸太小了，由于云層阻擋，氣象衛星不易看到龍卷風的漏斗狀云，衛星也不可能時時跟著龍卷風。你看馬航的飛機失蹤了，飛機的長度有100多米（這個尺寸與龍卷風的尺寸差不多），沒有一顆衛星拍到了它失蹤時的圖像——到現在，飛機掉哪里去了不知道！“
那么龍卷風的出現，還有什么一定會出現的現象呢？
“龍卷風的出現，還必須要有一個高速上升的氣流？”蝌蚪君追問道。
“是的，平時空氣的上升氣流的速度只有每秒幾毫米，龍卷風發生時的垂直上升氣流的速度可以達到每秒6米。所以對流非常強烈，本來云層中的水平渦管受強烈上升氣流的影響變成垂直方向，這為龍卷風的產生提供了必要條件。”劉式達說。
在中國龍卷風為什么難預報
劉式達說，目前中國搞氣象的在做天氣預報的有一個傾向，在直接做計算機模擬之前，不善于對天氣現象作一些定性分析。而計算機模擬的網格很大，每個網格有一個經度那么大，一個經度就是110公里，因此很多細節都被抹平了，龍卷風這樣小尺度的氣體現象是模擬不出來的。
采訪結束前，劉式達再次告訴蝌蚪君，中國有幾個臺風研究中心，但沒有機構研究龍卷風（中國人拍攝到的龍卷風的照片也是很少，而美國人經常開著汽車去追拍龍卷風的圖像），他對龍卷風的數學物理結構做了一些理論研究，希望未來能在龍卷風預報的實踐中得到應用。比如他強調說，只需要用到力的平衡方程，就可以知道龍卷風的很多性質。
