“大气河”风暴来袭

  【环球科技】

  “大气河”是一条水汽输送带，有时可以缓解干旱，但也很有可能会带来暴雨，引发洪涝灾害。这就需要科学家开发出更好的预测工具，以便更准确地预知一场“大气河”的来袭，降低风暴对生命财产安全的威胁。

1.水汽形成的河流

  某个星期一的早上，我在美国旧金山市中心的西尔斯美食（Sears Fine Food）餐厅一边吃早餐，一边漫不经心地看着柜台后面的电视屏幕，上面正在播放当地未来5天的天气预报。屏幕底部的一个小符号显示着一个带着笑脸的太阳，这表明当天余下的时间里将是阳光灿烂。到了星期三，天气符号就变成了一朵友好的云彩与几点雨滴，星期四则是乌云密布并伴有更多的雨滴。我知道星期四的天气状况将会比这个符号所传达得更为恶劣。因为我一直在研究卫星数据和天气模型，相关迹象表明一条“浩浩荡荡”的“大气河”（atmospheric river，AR）将会袭击这座城市。而天气预报上的符号不足以传达即将来临的风暴会带来的威胁。

  “大气河”在本质上是由悬在空中的水汽形成的“河流”，它们会被低纬度的强风向前推进，有时可达飓风级速度。直到2010年代，美国气象学会才在气象学术语表（Glossary of Meteorology）中公布了“大气河”的标准定义，在此之前，多亏了先进的卫星成像等科学技术，气象学家了解了“大气河”风暴是如何在遥远的海洋上空形成的。等到“大气河”袭击美国西海岸时，它们可能已经伸展到约3200千米长，宽度和厚度分别演变成约800千米和3千米。在世界上的一些地区，一次“大气河”带来的平均降雨量远大于一场典型降雨或雷暴，它输送的水汽量相当于密西西比河注入墨西哥湾的流量的25倍。

  这些风暴会带来洪涝灾害，对于部分地区来说可能是百年一遇的大洪水。它们还可能会绵绵不断地产生一系列风暴。“大气河”每年都会数次袭击美国西海岸、加拿大、欧洲、非洲、南美洲和新西兰，此外还能深入内陆。例如，在今年6月，位于美国内陆地区的黄石国家公园被迫关闭，因为汹涌的洪水冲毁了公园的道路，而这在很大程度上是由一次超强“大气河”引发的。

  值得一提的是，“大气河”并不总是带来灾难，有时也会给干旱地区带来期盼已久的雨水。它们还有助于增加积雪，补充天然湖泊和人造水库的蓄水量。然而，气象学家还很难提前几天就知道一场风暴将在何地登陆。正如可以快速变得巨大一样，“大气河”总是变化莫测，因为从海表温度到高空冷气团的多种因素都有可能影响它们的发展过程。

  2016年，就在“大气河”预计登陆旧金山的同一天，我也要在当地举办的美国地球物理学会会议上介绍对这种风暴的新见解。电视上天气预报符号的不足之处，促使我下定决心建立一张“大气河”强度等级表，将它作为一种预测和沟通工具。对此，我和同事已经讨论了一段时间。我设想用一个黄色方框来代表风暴系统，同时用黑体加粗的字符显示强度等级，而且“大气河”会像飓风一样被划分为1~5级。这种等级划分可以使天气预报员、应急计划人员、安全员和水库管理员，以及公众为潜在的泥石流、洪水、交通中断、电线脱落或人员疏散做更好的准备。

  美国气象局（NWS）的预报员会严密监测并发布预警，从而使相关地方政府采取必要的措施。在旧金山的那一周，一些气象学家听我报告了一套新的“大气河”预测工具。这套工具由我所在的工作单位——加利福尼亚大学圣迭戈分校斯克利普斯海洋研究所的西部天气与极端水灾中心（CW3E）开发和提供，可以追踪10个或更多的变量，包括数百上千米高空的气流，以及水汽的水平运动。这些变量对预测“大气河”袭击一处海岸的概率发挥着一定的作用。为了建立一个清晰且具有说服力的等级划分系统，我们需要将那10个变量简化为两类，分别表示一次即将来临的“大气河”的强劲程度和持续时间。

  我们将“大气河”的等级划分成了5级：从AR1（主要带来有益降雨）至AR5（主要引发灾害）。这样做的目的是提醒人们密切关注“大气河”的初始等级，以及后续的任何变化，因为强烈的“大气河”会使沿海地区或内陆山区遭受数小时到数天的暴雨或暴雪，所以地勤人员需要每隔一段时间就重新评估当前需要采取的措施。

  2019年，我们的研究团队在《美国气象学会公报》（the Bulletin of the American Meteorological Society）上发表了“大气河”强度等级表。要想根据这张等级表判断一场“大气河”的强度，科学家实际需要在观测到一次即将来临的“大气河”之后做大量的研究工作。在过去两年里，数次强烈的“大气河”袭击了美国西海岸。在这些案例中，利用“大气河”等级表，研究人员和天气预报员得以更准确地告知应急人员和水资源管理员，这究竟是一场有利于补充水源的降雨，还是一场引发洪水和山体滑坡的暴雨。

  当准备更充分后，政府部门既可以降低风暴对生命和财产安全的威胁，也能知道如何最大限度地增加储水量。2021年1月，“大气河”使加利福尼亚州大瑟尔（Big Sur）海岸发生了严重的山体滑坡，后续的泥石流还导致悬崖边的部分道路坍塌。此次事故并没有造成人员死亡，这表明政府可以利用最新的预测方式，准确监测风暴并做好后果管理。很明显，充分发挥准确预测与沟通的能力，有助于美国西海岸做好应对强风暴的准备。

2.拯救生命

  2021年1月底，研究人员观测到太平洋上空正在形成一个大气环流，它将会给美国西海岸带来另一场极端天气事件。但问题是，这条“大气河”会在哪里登陆，以及强度如何？此时，研究人员的不安感也在急剧上升。美国西海岸的一部分地区就像全球其他地中海气候区一样，水通常是一种稀缺资源，所以居民、农民和商人都期盼着降雨。但是，暴雨又会引发洪水，摧毁农业和基础设施，甚至危及人民生命安全。

  当时，在太平洋西北地区，河流水位在数周暴雨后仍居高不下。因此，那里的人们最不希望看到的就是另一场风暴的来临。然而，对于遭受严重干旱的加利福尼亚州，几厘米的降水量就能缓解现有的旱情，但如果雨水渗透已被野火烧尽的陡峭山坡，就会导致山体滑坡。

  2021年1月20日，由大气科学家、气象学家、机组人员和来自跨机构“大气河”侦察指挥中心（Interagency Atmospheric River Reconnaissance Command Center，办公地就在CW3E）的工作人员组成的一支研究团队决定，派飞机飞入正在聚集和发展的风暴中收集数据。尽管卫星数据和海洋浮标数据对天气模型至关重要，但二者并不能充分监测“大气河”的位置、强劲程度和水汽含量。这部分是因为“大气河”往往伴随着多云或多雨的现象，会阻碍卫星采集数据或降低准确度，而侦察飞机刚好可以弥补这些不足之处。

  两天后，美国海洋和大气管理局（NOAA）的一架叫作湾流4号（G-IV）的喷气式飞机爬升至夏威夷以西的太平洋上空约12千米处。在观测的几个小时内，侦察飞机每隔10分钟左右就会释放一次下投式探空仪（dropsonde）。这种小型仪器会乘着附带的降落伞向下飘落20分钟，同时测量风速、风向、水汽、温度和压力，并通过无线电将数据传送给侦察飞机。随后，飞机会将数据发送给全球天气数据中心。在那里，气象预测模型会利用这些数据开始新一轮的预报——通常每6或12个小时预报一次。这架喷气式飞机还携带了无线电掩星探测仪的原型机，它可以使用GPS卫星信号，探测飞机周围约290千米内的大气状况。同时，还有100多个海洋漂流浮标收集的气压数据也会送至全球天气数据中心，这些浮标是由全球漂流浮标计划（Global Drifter Program）部署的。

  新的消息多少能让已经有过多水量的太平洋西北地区安心些。来自侦察飞机的数据显示，“大气河”很有可能会在更南的地方登陆。但这场降雨对饱受干旱之苦的加利福尼亚州而言，究竟是机遇还是危机？

  2021年1月22日，CW3E的分析显示此次风暴的强度可能是AR1级。随后，我们开始给当地专家发送包含预测信息的短信或电子邮件。根据这条信息，再加上NWS常规的预报信息，这些专家会向负责实地行动的市政领导提供应急建议。在加利福尼亚州的圣克鲁斯（Santa Cruz），许多陡峭的山坡都已经被野火烧过，当地的消防队长正在为潜在的山体滑坡做准备。在加利福尼亚州的大瑟尔，交通管理部门也为了防范山体滑坡准备关闭1号公路，毕竟这里有些斜坡可高达300米。

  在美国陆军工兵部队的旧金山湾区办公室和索诺马水务局（Sonoma Water Agency，一家地方公共事业单位），水库操作员正在根据CW3E的强度等级表和NWS的预测结果，评估从俄罗斯河（Russian River，位于加利福尼亚州）及其支流流向门多西诺湖（Lake Mendocino，一个大型水库）的水量。他们想确定，流入多少是有益的，到达哪个阈值又会引发洪水。如果预测的降雨程度属于中等，他们就会关闭水库闸门，从而为即将到来的旱季储存尽可能多的水。

  2021年1月23日，我们派G-IV喷气式飞机到夏威夷的西北部，探测一个如今已经发展成熟但移动缓慢的低压系统。这个低压系统正在朝着一道即将来临的低压槽路径向北输送水汽和热量，而这道低压槽正在从日本和西伯利亚向东快速移动。这两个低压系统之间的相互作用将影响未来几天内“大气河”会在哪里形成，以及如何移动。根据CW3E的等级划分工具，这场风暴可能会在加利福尼亚州登陆并达到AR2级，而这会增加沿海地区的灾害风险。

  相比于上一次预测，新预测显示“大气河”的等级变高了，这也促使我们更频繁地开展侦察飞行，例如，两架来自美国空军预备役基地的C-130气象侦察机在美国西海岸侦察“大气河”。到了2021年1月24日，天气预报预测“大气河”会在美国洛杉矶北部的康赛普逊岬（Point Conception）附近停滞。但一些集成模型（多个天气模型的组合，它们运算的起始时间相同，但每个模型的初始条件会略有不同）显示，风暴可能会停滞在更远的北部，即大瑟尔附近，那里曾爆发过大规模山火。NWS预报员发布了一则警告，其中说道：“星期三下午，‘大气河’边缘和相关的强降雨将会停滞在比我们预测区域（康赛普逊岬附近）更南的地方。然后在当晚至星期四凌晨缓慢向北移动……强降雨可能会出现在大火烧过的任何地方，包括SCU复合大火区（SCU Fire Complex，加利福尼亚州有史以来过火面积最大的火灾）……周三早上，SCU大火烧过的地方会出现强降雨……在圣克鲁斯和圣卢西亚（Santa Lucia），山区总降雨量预计分别高达23和28厘米左右，除此之外的山区总降雨量预计在约10~18厘米之间。”

  到了2021年1月26日，“大气河”开始朝着康赛普逊岬与圣何塞（San Jose）之间的区域前进。“大气河”侦察飞机每天都要执行更多次的侦察任务，监测发现，这场风暴将达到AR2或AR3级并发生停滞，这意味着一些不幸的沿海地区可能会遭受长达一天半的暴雨。在蒙特雷（Monterey）和圣克鲁斯附近的燃烧区域，以及1号公路上“脆弱”的大瑟尔路段，应急管理部门已预先部署了救援设备和人员。

  2021年1月27日凌晨，NWS的下一代天气雷达（NEXRAD）网络追踪到了阵雨。正如预测的那样，在一系列即将来袭的风暴中，第一场先袭击了旧金山湾区北部，但很快就穿过了那里。门多西诺湖附近有一个地面“大气河”观测站，它使用直视雷达，确定主要风暴将出现在水库南部，并将这个消息“传达”给预报员和水库操作员。相比之下，在门多西诺湖，风暴仅产生了约5~8厘米的降雨，而这样的降雨多半是有益的。

  果不其然，AR3级风暴在大瑟尔附近停滞，并且两天内的降雨量就超过了25厘米。而在圣卢西亚，山脉附近甚至有更大的降雨量。倾盆大雨既导致城市洪水泛滥，也在大火烧过的山坡引发严重的泥石流，由此摧毁了房屋和商业建筑，并严重破坏了重要的沿海1号公路。最终，这条道路被关闭数月进行重大维修，而这也中断了交通，影响了当地经济。因此，这次事件成为2021年美国“造成数十亿美元损失的天气灾害”之一。

  重要的是，这次事件并没有造成人员死亡。初步分析表明，“大气河”侦察数据改善了预测结果，可以使降雨预报误差降低50%，否则对大瑟尔的预测降雨量将比实际降雨量少得多。也就是说，这有助于提高准确预警和应急响应的能力。

3.对世界的警示

  随着气候变化带来了更多的极端降雨事件，美国联邦政府越来越关注“大气河”这种现象。2021年12月，NOAA的科学顾问委员会向美国国会的政策制定者提交了一份名为“天气研究优先事项”（Priorities for Weather Research）的报告，提出了未来10年天气研究重点的建议，包括我们需要更好地掌握“大气河”相关的信息，从而支持水库调度。CW3E拥有一台专门研究“大气河”的超级计算机，可以运行最先进的模型并检验人工智能的数据分析结果。NOAA很快就会联合NWS，借助这台超级计算机开展“大气河”相关的研究。

  在葡萄牙，“大气河”也带来了大量的洪水，最近有科学家建议当地预报员使用新的“大气河”强度等级表。南美洲南部西海岸的天气预报员也在考虑采用这种方式。不久的将来，你可能会在最喜欢的天气应用程序或天气预报中，看到一个代表“大气河”的标准天气符号。

  更好的预测可以提高社会面对气候变化的韧性。就在过去5年里，美国西部的主要地区遭遇了创纪录的干旱，创纪录的洪涝也紧跟其后。气候学家指出，未来这种干旱与洪水的轮番上演可能会更加频繁。这些极端天气似乎是由更强的“大气河”，以及每两次风暴之间更长、更热的干旱期引发的。

  “大气河”预测已经在帮助水资源管理员利用即将到来的降雨和径流。以门多西诺湖流域为例，它位于旧金山海岸以北约160千米处。1959年，为了控制下游的毁灭性洪水，工程师在俄罗斯河的东支拦河筑坝，从而建造了这座门多西诺湖。这个项目还为索诺马县葡萄酒产区修建了一个水库和一个水力发电厂。每年的1月至3月间，如果风暴推高湖水水位，使水面面积达到275平方千米以上，那么管理员就会打开大坝释放多余的水。到了3月下旬或4月，汛期结束时，如果水位仅仅是适当超过了警戒水位，他们就会把水储存起来，应对即将来临的干旱夏季。然而，自2000年左右以来，气候变化使得大多数年份中，春雨已经不足以补充湖泊蓄水量。

  鉴于这样的趋势，再加上最近美国气象学会提出了一种名为“水库预报调度”（Forecast-Informed Reservoir Operations，FIRO）的水库调度策略，美国陆军从2021年开始使用这种方法在索诺马湖水库进行为期5年的示范试验。利用这种方法，水库操作员可以在风暴过后为缓冲池（buffer pool，位于水面面积约275平方千米的蓄水池的上方）多储存面积达45平方千米的水。只要未来几天没有预报“大气河”，他们每天都会实施这项试验。如果到春季结束还没有出现强烈的“大气河”，这项试验就能储存充足的水，满足2万多户家庭一年的用水量。

  2020年1月初，新的“大气河”预测工具预示可能会有一场风暴来袭。当风暴到达时，美国陆军水库操作员保持大坝关闭，这使缓冲池中填充了一部分湖水。紧接着，另一场中等级别的“大气河”到来，使缓冲池蓄满了水面面积约45平方千米的水。那年冬季余下的时间里，如果预报有“大气河”，他们就开闸释放多余的湖水，不过事实上并没有其他强风暴来袭。值得一提的是，那年夏天，从俄罗斯河流域一直到旧金山都非常干旱，因此多储存下来的水就变得极其珍贵。而这种蓄水方式使水库管理员在干旱情况下也能更可靠地提供水资源。

  2021年11月，对于加拿大温哥华地区而言，“大气河”预测也非常重要，因为此前这里已经遭受了一场秋季暴雨和高山积雪。最终，温哥华连续遭遇两次AR4级“大气河”的袭击，使得当地山脉和大不列颠哥伦比亚省两天内的降雨量就高达28厘米左右。严重的洪水和山体滑坡使通往温哥华的主要公路和铁路中断，从而切断了与加拿大其他地区的交通。作为加拿大最大的港口，温哥华港也不得不停止运营，而当时温哥华正处在一场由新冠肺炎疫情带来的前所未有的供应链危机当中。值得一提的是，“大气河”预测促使相关部门做出了撤离数千人的决定。

  如今，即便在“大气河”这个概念还没有完全普及的区域也可以进行预测。2022年1月，墨西哥湾上空形成的一场风暴达到“极强”等级，它穿过美国东南部，在美国东北部引发了一场危险的东北风暴。在南极洲，有证据表明，“大气河”使大部分新产生的雪都落在了冰盖更高的区域。2022年3月，一股温暖潮湿的气流导致南极洲气温比正常水平高出约22℃，这给南极洲内陆带来了大量降雪，给沿海地区带来的却是雨水和融雪。此外，“大气河”也与格陵兰岛冰盖最近出现的大规模融冰与降雨有关。

  进一步优化“大气河”预测将有助于科学家明确“大气河”在气候变化中扮演的角色。目前，预报员主要关注如何提高地方应急部门和水利规划部门的预测能力，例如美国陆军和加利福尼亚州水资源部。这些单位一直乐于创新性地推动“大气河”预测，并将相关信息纳入决策当中。未来，我们或许可以提前一天发布“大气河”预警，或者更准确地预测总降雨量，使人们远离危险，或者增加供水可靠性来抵御不可避免的旱季。当准备更充分后，安全部门与公共事业部门就能降低“大气河”对生命和财产安全的威胁，并且知道如何最大限度地增加储水量。

  （本文作者F.马丁·拉尔夫是一位气象学家，也是美国加利福尼亚大学圣迭戈分校斯克利普斯海洋研究所西部天气与极端水灾中心的创始主任；翻译：雍阳阳；本版图文由《环球科学》杂志社供稿）