" 大氣河 " 就像橫亙在空中的河流，它們攜帶著大量水汽，很有可能會引發洪澇災害，但是受多種因素的影響，它們總是變化莫測。值得關注的是，如今有科學家開發出了一套新的預測工具。這套工具可以追蹤監測 " 大氣河 " 發展過程中的位置、強勁程度和持續時間，并據此分析它的強度等級。在現實世界中，這樣一套預測系統真的可以起效，降低潛在災害的威脅么？

撰文｜F. 馬丁 · 拉爾夫（F. Martin Ralph）

翻譯｜雍陽陽

某個星期一的早上，我在美國舊金山市中心的西爾斯美食（Sears Fine Food）餐廳一邊吃早餐，一邊漫不經心地看著柜臺后面的電視屏幕，上面正在播放當地未來 5 天的天氣預報。屏幕底部的一個小符號顯示著一個帶著笑臉的太陽，這表明當天余下的時間里將是陽光燦爛。到了星期三，天氣符號就變成了一朵友好的云彩與幾點雨滴，星期四則是烏云密布并伴有更多的雨滴。我知道星期四的天氣狀況將會比這個符號所傳達的更為惡劣。因為我一直在研究衛星數據和天氣模型，相關跡象表明一條 " 浩浩蕩蕩 " 的 " 大氣河 "（atmosphericriver，AR）將會襲擊這座城市。而天氣預報上的符號不足以傳達即將來臨的風暴會帶來的威脅。

" 大氣河 " 在本質上是由懸在空中的水汽形成的 " 河流 "，它們會被低緯度的強風向前推進，有時可達颶風級速度。直到 21 世紀 10 年代，美國氣象學會才在氣象學術語表（Glossaryof Meteorology）中公布了 " 大氣河 " 的標準定義，在此之前，多虧了先進的衛星成像等科學技術，氣象學家了解了 " 大氣河 " 風暴是如何在遙遠的海洋上空形成的。等到 " 大氣河 " 襲擊美國西海岸時，它們可能已經伸展到約 3200 千米長，寬度和厚度分別演變成約 800 千米和 3 千米。在世界上的一些地區，一次 " 大氣河 " 帶來的平均降雨量遠大于一場典型降雨或雷暴，它輸送的水汽量相當于密西西比河注入墨西哥灣的流量的 25 倍。

這些風暴會帶來洪澇災害，對于部分地區來說可能是百年一遇的大洪水。它們還可能會綿綿不斷地產生一系列風暴。" 大氣河 " 每年都會數次襲擊美國西海岸、加拿大、歐洲、非洲、南美洲和新西蘭，此外還能深入內陸。例如，在今年 6 月，位于美國內陸地區的黃石國家公園被迫關閉，因為洶涌的洪水沖毀了公園的道路，而這在很大程度上是由一次超強 " 大氣河 " 引發的。

值得一提的是，" 大氣河 " 并不總是帶來災難，有時也會給干旱地區帶來期盼已久的雨水。它們還有助于增加積雪，補充天然湖泊和人造水庫的蓄水量。然而，氣象學家還很難提前幾天就知道一場風暴將在何地登陸。正如可以快速變得巨大一樣，" 大氣河 " 總是變化莫測，因為從海表溫度到高空冷氣團的多種因素都有可能影響它們的發展過程。

2016 年，就在 " 大氣河 " 預計登陸舊金山的同一天，我也要在當地舉辦的美國地球物理學會會議上介紹對這種風暴的新見解。電視上天氣預報符號的不足之處，促使我下定決心建立一張 " 大氣河 " 強度等級表，將它作為一種預測和溝通工具。對此，我和同事已經討論了一段時間。我設想用一個黃色方框來代表風暴系統，同時用黑體加粗的字符顯示強度等級。

這套工具可以追蹤 10 個或更多的變量，包括數百上千米高空的氣流，以及水汽的水平運動。這些變量對預測 " 大氣河 " 襲擊一處海岸的幾率發揮著一定的作用。為了建立一個清晰且具有說服力的等級劃分系統，我們需要將那 10 個變量簡化為兩類，分別表示一次即將來臨的 " 大氣河 " 的強勁程度和持續時間。

" 大氣河 " 強度等級表

我們將 " 大氣河 " 的等級劃分成了 5 級：從 AR1（主要帶來有益降雨）至 AR5（主要引發災害）。這樣做的目的是提醒人們密切關注 " 大氣河 " 的初始等級，以及后續的任何變化，因為強烈的 " 大氣河 " 會使沿海地區或內陸山區遭受數小時到數天的暴雨或暴雪，所以地勤人員需要每隔一段時間就重新評估當前需要采取的措施。

2019 年，我們的研究團隊在《美國氣象學會公報》上發表了 " 大氣河 " 強度等級表。要想根據這張等級表判斷一場 " 大氣河 " 的強度，科學家實際需要在觀測到一次即將來臨的 " 大氣河 " 之后做大量的研究工作。在過去兩年里，數次強烈的 " 大氣河 " 襲擊了美國西海岸。在這些案例中，利用 " 大氣河 " 等級表，研究人員和天氣預報員得以更準確地告知應急人員和水資源管理員，這究竟是一場有利于補充水源的降雨，還是一場引發洪水和山體滑坡的暴雨。

當準備更充分后，政府部門既可以降低風暴對生命和財產安全的威脅，也能知道如何最大程度地增加儲水量。2021 年 1 月，" 大氣河 " 使加利福尼亞州大瑟爾海岸發生了嚴重的山體滑坡，后續的泥石流還導致懸崖邊的部分道路坍塌。此次事故并沒有造成人員死亡，這表明政府可以利用最新的預測方式，準確監測風暴并做好后果管理。很明顯，充分發揮準確預測與溝通的能力，有助于美國西海岸做好應對強風暴的準備。

拯救生命

2021 年 1 月底，研究人員觀測到太平洋上空正在形成一個大氣環流，它將會給美國西海岸帶來另一場極端天氣事件。但問題是，這條 " 大氣河 " 會在哪里登陸，以及強度如何？此時，研究人員的不安感也在急劇上升。美國西海岸的一部分地區就像全球其他地中海氣候區一樣，水通常是一種稀缺資源，所以居民、農民和商人都期盼著降雨。但是，暴雨又會引發洪水，摧毀農業和基礎設施，甚至危及人民生命安全。

當時，在太平洋西北地區，河流水位在數周暴雨后仍居高不下。因此，那里的人們最不希望看到的就是另一場風暴的來臨。然而，對于遭受嚴重干旱的加利福尼亞州，幾厘米的降水量就能緩解現有的旱情，但如果雨水滲透已被野火燒盡的陡峭山坡，就會導致山體滑坡。

2021 年 1 月 20 日，由大氣科學家、氣象學家、機組人員和來自跨機構 " 大氣河 " 偵察指揮中心的工作人員組成的一支研究團隊決定，派飛機飛入正在聚集和發展的風暴中收集數據。盡管衛星數據和海洋浮標數據對天氣模型至關重要，但二者并不能充分監測 " 大氣河 " 的位置、強勁程度和水汽含量。這部分是因為 " 大氣河 " 往往伴隨著多云或多雨的現象，會阻礙衛星采集數據或降低準確度，而偵察飛機剛好可以彌補這些不足之處。

一條 " 大氣河 " 會在前進過程中從四面八方吸納水分。

兩天后，美國海洋和大氣管理局（NOAA）的一架叫做灣流 4 號（G-IV）的噴氣式飛機爬升至夏威夷以西的太平洋上空約 12 千米處。在觀測的幾個小時內，偵察飛機每隔 10 分鐘左右就會釋放一次下投式探空儀（dropsondes）。這種小型儀器會乘著附帶的降落傘向下飄落 20 分鐘，同時測量風速、風向、水汽、溫度和壓力，并通過無線電將數據傳送給偵察飛機。隨后，飛機會將數據發送給全球天氣數據中心。在那里，氣象預測模型會利用這些數據開始新一輪的預報——通常每 6 或 12 個小時預報一次。這架噴氣式飛機還攜帶了無線電掩星探測儀的原型機，它可以使用 GPS 衛星信號，探測飛機周圍約 290 千米內的大氣狀況。同時，還有 100 多個海洋漂流浮標收集的氣壓數據也會送至全球天氣數據中心，這些浮標是由全球漂流浮標計劃（GlobalDrifter Program）部署的。新的消息多少能讓已經有過多水量的太平洋西北地區安心些。來自偵察飛機的數據顯示，" 大氣河 " 很有可能會在更南的地方登陸。

2021 年 1 月 22 日，CW3E 的分析顯示此次風暴的強度可能是 AR1 級。隨后，我們開始給當地專家發送包含預測信息的短信或電子郵件。根據這條信息，再加上 NWS 常規的預報信息，這些專家會向負責實地行動的市政領導提供應急建議。在加利福尼亞州的圣克魯斯，許多陡峭的山坡都已經被野火燒過，當地的消防隊長正在為潛在的山體滑坡做準備。在加利福尼亞州的大瑟爾，交通管理部門也為了防范山體滑坡準備關閉 1 號公路，畢竟這里有些斜坡可高達 300 米。

2021 年 1 月，" 大氣河 " 帶來的雨水浸透山坡，造成了泥石流，進而導致加利福尼亞州 1 號公路中斷。

2021 年 1 月 23 日，我們派 G-IV 噴氣式飛機到夏威夷的西北部，探測一個如今已經發展成熟但移動緩慢的低壓系統。這個低壓系統正在朝著一道即將來臨的低壓槽路徑向北輸送水汽和熱量，而這道低壓槽正在從日本和西伯利亞向東快速移動。這兩個低壓系統之間的相互作用將影響未來幾天內 " 大氣河 " 會在哪里形成，以及如何移動。根據 CW3E 的等級劃分工具，這場風暴可能會在加利福尼亞州登陸并達到 AR2 級，而這會增加沿海地區的災害風險。

相比于上一次預測，新預測顯示 " 大氣河 " 的等級變高了，這也促使我們更頻繁地開展偵察飛行，例如，兩架來自美國空軍預備役基地的 C-130 氣象偵察機在美國西海岸偵察 " 大氣河 "。到了 2021 年 1 月 24 日，天氣預報預測 " 大氣河 " 會在美國洛杉磯北部的康賽普遜岬附近停滯。但一些集成模型顯示，風暴可能會停滯在更遠的北部，即大瑟爾附近，那里曾爆發過大規模山火。

到了 2021 年 1 月 26 日，" 大氣河 " 開始朝著康賽普遜岬與圣何塞之間的區域前進。" 大氣河 " 偵察飛機每天都要執行更多次的偵察任務，監測發現，這場風暴將達到 AR2 或 AR3 級并發生停滯，這意味著一些不幸的沿海地區可能會遭受長達一天半的暴雨。在蒙特雷和圣克魯斯附近的燃燒區域，以及 1 號公路上 " 脆弱 " 的大瑟爾路段，應急管理部門已預先部署了救援設備和人員。

2021 年 1 月 27 日凌晨，NWS 的下一代天氣雷達（NEXRAD）網絡追蹤到了陣雨。正如預測的那樣，在一系列即將來襲的風暴中，第一場先襲擊了舊金山灣區北部，但很快就穿過了那里。門多西諾湖附近有一個地面 " 大氣河 " 觀測站，它使用直視雷達，確定主要風暴將出現在水庫南部，并將這個消息 " 傳達 " 給預報員和水庫操作員。相比之下，在門多西諾湖，風暴僅產生了約 5~8 厘米的降雨，而這樣的降雨多半是有益的。

果不其然，AR3 級風暴在大瑟爾附近停滯，并且兩天內的降雨量就超過了 25 厘米。而在圣盧西亞，山脈附近甚至有更大的降雨量。傾盆大雨既導致城市洪水泛濫，也在大火燒過的山坡引發嚴重的泥石流，由此摧毀了房屋和商業建筑，并嚴重破壞了重要的沿海 1 號公路。最終，這條道路被關閉數月進行重大維修，而這也中斷了交通，影響了當地經濟。因此，這次事件成為 2021 年美國 " 造成數十億美元損失的天氣災害 " 之一。

重要的是，這次事件并沒有造成人員死亡。初步分析表明，" 大氣河 " 偵察數據改善了預測結果，可以使降雨預報誤差降低 50%，否則對大瑟爾的預測降雨量將比實際降雨量少得多。也就是說，這有助于提高準確預警和應急響應的能力。