當(dāng)前觀點：大洪水“空襲”美國的原因，找到了！| 地球知識局

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NO.2385-大氣河突襲美國

(資料圖片僅供參考)

作者：小凱

校稿：辜漢膺 / 編輯：板栗

1月14日，正當(dāng)中國多地迎來寒潮，給2023年帶來第一場降雪的同時，躲過此前超級寒潮的美國加利福尼亞州卻再次出現(xiàn)大風(fēng)雨雪天氣。

2022年的最后一天，加州迎來了創(chuàng)紀(jì)錄的大雨

自此之后，雨雨雨，淹淹淹不停歇了

（1月10日圣巴巴拉山洪暴發(fā) 圖：壹圖網(wǎng)）▼

連續(xù)幾天強降水引發(fā)的洪水造成至少19人死亡、高速公路關(guān)閉和大面積斷電。到夜間，加州的58個縣中有一半以上被宣布為災(zāi)區(qū)，近2600萬人處于洪水警報之下。

2022-12-26~2023-1-9

這期間，全州的降雨量總計就比平均水平高出大約400-600%了

要命的是，這還不算結(jié)束...

（土壤濕度對比 圖：NASA）▼

美國國家氣象局表示，雨帶和強風(fēng)從北部向南擴展，預(yù)計下周初還會有更多風(fēng)暴。此次洪災(zāi)與一種叫做“大氣河”的現(xiàn)象有關(guān)，即一條從太平洋熱帶延伸而來的水汽輸送通道，類似天上的河流，因此而得名。

被大氣河“欺負(fù)”得毫無還手之力

（1月4日，一條纖細(xì)有力的水汽帶從太平洋沖向美國西海岸）

（圖：NASA）▼

“大氣河”不單美國有，在中國也并不罕見。這是靜止衛(wèi)星在2020年7月5日12時拍攝的一張地球快照，橫貫中國東部地區(qū)并一直延伸到日本的云帶十分矚目。

葵花8號衛(wèi)星云圖，2020年7月5日12時▼

此時正值“黃梅時節(jié)家家雨”，在一個多月的時間內(nèi)，從我國的江南、長江中下游、江淮地區(qū)、到韓國和日本列島一帶持續(xù)出現(xiàn)陰雨天氣。

而在2020年7月上旬，梅雨似乎格外的強。在7月5日前后一周內(nèi)，長江中下游地區(qū)降水量超過210毫米，而在常年，整個梅雨期也不過降水280毫米左右。

2020年的梅雨期降雨量為1961年以來歷史最多

降水時間與2015年并列為1961年以來歷史最長▼

由于其超強的造雨能力，這次梅雨被大家稱為“超級暴力梅”。為了進(jìn)一步探究梅雨如此“暴力”原因，氣象學(xué)家借助衛(wèi)星，從高空觀察整個東亞地區(qū)。

分析衛(wèi)星接收到的地球大氣向外發(fā)射的微波信號，通過數(shù)學(xué)方法推算出大氣各個高度上的水汽含量，氣象學(xué)家發(fā)現(xiàn)在梅雨鋒的位置上水汽聚集成帶，再結(jié)合數(shù)值模型推算出風(fēng)的大小，一條長6265公里、寬670公里、深4公里的“空中懸河”浮現(xiàn)出面貌。

水汽在高空匯聚成了一條“河流”

(2020年7月5日11時, 700 hPa)▼

這條“空中懸河”當(dāng)天在長江中下游地區(qū)上空的水汽輸送量是該區(qū)域長江夏季徑流量的將近十倍，氣象學(xué)家將其形象地稱為“大氣河”。雖以“河流”為名，但是它和真實的地表河流還有很大的區(qū)別。

大氣河是從熱帶延伸到高緯度地區(qū)富含水汽的走廊

它們可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生大雨和降雪

（圖：NOAA）▼

首先，大氣河輸送的主要是水蒸氣而不是液態(tài)水，所以，盡管在長度上與長江相當(dāng)，但是由于水蒸氣不像液態(tài)水一樣聚集水分，寬度和深度很大，不能與長江相比。

其次，大氣河從發(fā)生到消亡經(jīng)歷幾天到十幾天，并且位置隨著風(fēng)場不斷移動和變化，換而言之，大氣河只是短暫且偶然地出現(xiàn)或經(jīng)過，不像地表河流可以沿固定路徑穩(wěn)定地輸水。

與地表真正的河流不同，大氣河是在隨時移動的

它并不會在一個地方停留太久

（2014年12月太平洋和美國西南部出現(xiàn)的一條大氣河）

（圖：NASA）▼

近年來，氣象學(xué)家意識到梅雨和大氣河之間似乎存在著緊密的聯(lián)系。以2020年江淮梅雨期為例，與大氣河相關(guān)的降水占總降水的50%-80%，同時，伴隨大氣河的降雨的強度是沒有大氣河時的6-12倍。還有一部分科學(xué)家們相信“超級暴力梅”的發(fā)生和大氣河超出常年的變化不無相關(guān)。

除了梅雨，很多暴雨中也有大氣河的蹤跡。有研究人員稱，發(fā)生在去年7月份連續(xù)兩場造成重大損失的京津冀7·12暴雨和河南7·20暴雨中，都有強盛的大氣河發(fā)生，在高空中向雨區(qū)輸送源源不斷地水汽。

臺風(fēng)煙花與鄭州之間事實上形成了一條水汽走廊

將大量水汽輸送到鄭州上空▼

一項對于2016年7月20日發(fā)生在北京特大暴雨的研究中，揭示了大氣河促進(jìn)暴雨發(fā)生的可能機制。在19日1時到21日6時，29個小時內(nèi)，全市平均降雨達(dá)到了210.7毫米，有8個國家基準(zhǔn)氣候站（全國共143個）的紀(jì)錄被打破。

在此次暴雨過程中，西伸的副熱帶高壓和青藏高原之間夾著一條強烈的東北向的大氣河，大量北上的水汽遇到燕山山脈的阻擋形成劇烈的降雨，促成了此次暴雨。

東海龍王表示他只是出來遛個彎

沒想到搞出這么大動靜

(2016年7月20日11時, 700 hPa)▼

根據(jù)歷史資料的統(tǒng)計研究表明，在夏季，東部地區(qū)全部降水中與大氣河有關(guān)的降水占到10%-20%，但是如果不計算總降水中的占比，而是計算以暴雨為主的極端降水時，這個占比達(dá)到30%-60%。

這說明為了理解東部地區(qū)的暴雨發(fā)生機制，減少洪澇災(zāi)害的損失，氣象學(xué)家必須了解大氣河的發(fā)生機制和演變邏輯。

我國東部地處世界上最大的季風(fēng)區(qū)，夏季南風(fēng)帶來充沛降水，冬季北風(fēng)帶來干冷天氣。對于東部地區(qū)來說，冬季降水雖然相比于夏季降水來說很少，但是其異常地變化也可能造成重大災(zāi)害。

南方冬季降水過多時容易造成濕害，影響多種作物的根系生長，降水過少則不利于作物過冬和次年的春耕。另外，偏多的冬季降水也可能造成雪災(zāi)或者凍雨，例如，2008年中國南方的雪災(zāi)造成了129人死亡，受災(zāi)人口更是超過1億。

地球大氣一個微小的變化

落到地球生物身上可能就是災(zāi)難性的巨變

（圖：wiki）▼

厄爾尼諾-拉尼娜現(xiàn)象是很多地區(qū)的氣候波動背后最主要的影響因素，它也顯著地調(diào)制著東亞大氣河的變化，進(jìn)而影響我國的降水過程。

研究表明，在我國東部地區(qū)與大氣河，在厄爾尼諾年的冬季，我國東部地區(qū)的降水偏多，其中60%的變化是增加的大氣河發(fā)生頻率導(dǎo)致的，可能造成暴雪災(zāi)害的極端降水的變化亦是如此；拉尼娜年則相反，東部地區(qū)總降水和極端降水都偏少，其中大氣河變化的貢獻(xiàn)舉足輕重。

在全球范圍來看，厄爾尼諾-拉尼娜現(xiàn)象

都與大氣河的發(fā)生有著千絲萬縷的聯(lián)系

（圖：NOAA）▼

大氣河的變化不僅在幾年間顯現(xiàn)出明顯波動，而且在幾十年的時間尺度上深刻地參與著氣候變化。過去一個多世紀(jì)以來，包括中國東部地區(qū)在內(nèi)的各個地方的氣候已經(jīng)且正在發(fā)生著難以逆轉(zhuǎn)的變化。

“南澇北旱”是我國東部地區(qū)氣候變化重要的內(nèi)容之一。所謂“南澇北旱”，指的是上個世紀(jì)下半葉以來，我國華南降水逐漸增多、華北降水逐漸減少的同步變化。最近的研究表明，這場“南澇北旱”的變局背后有“大氣河”的身影。

(紅(藍(lán))點表示在0.05水平上具有顯著正(負(fù))趨勢的網(wǎng)格)

(圖：Qiang Wang, Long Yang)▼

過去70年來，中國長江以南地區(qū)的每年有越來越多的大氣河發(fā)生，華北地區(qū)卻越來越少。具體而言，長江以南地區(qū)在本世紀(jì)10年代發(fā)生大氣河的年平均日數(shù)已經(jīng)比上世紀(jì)50年代增加了9-12天，華北地區(qū)則增加了3-6天。

大氣河“南增北減”的變化與所謂“南澇北旱”的年平均降水的變化趨勢一致。進(jìn)一步的研究說明了，該一致性實際上表示了大氣河的變化對年降水的變化具有顯著貢獻(xiàn)，在北方地區(qū)可達(dá)49%，南方地區(qū)相對較少，在10-30%之間。

東亞大氣河年頻率變化趨勢對年降水變化趨勢的貢獻(xiàn)率

（圖：Qiang Wang, Long Yang）▼

“大氣河”這個概念其實不是中國氣象學(xué)家的首創(chuàng)，而是一個“舶來品”。1994年，華裔科學(xué)家朱勇和合作者紐威爾首次在發(fā)表的論文中提出了大氣河（AtmosphericRivers）。

他們使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心的數(shù)據(jù)計算了全球的水汽輸送情況，發(fā)現(xiàn)窄而長的帶狀結(jié)構(gòu)可以輸送與亞馬遜河相當(dāng)?shù)乃?。?dāng)然，他們并沒有選用長江作比較。

大氣河在尺度上往往是巨大的

有時大氣河流所攜帶的水量可以是普通地表河流的數(shù)倍

（連接亞洲和北美的一條大氣河 圖：NASA）▼

美國人更加關(guān)注大氣河的原因來自對美國西海岸不安分的“降雨”的擔(dān)憂。每年冬季，大氣河常常連接夏威夷島附近和美國西海岸，太平洋熱帶的水蒸氣可以沿著大氣河直接輸送到落基山脈，遇到阻擋后往往引發(fā)猛烈地降雨。

美國西部最強的大氣河

通常能造成數(shù)億美元的損失

（2021年10月襲擊加利福尼亞州的大氣河 圖：NOAA）▼

由于夏威夷盛產(chǎn)菠蘿，這條時不時就出現(xiàn)的大氣河被形象的稱為“菠蘿快車”。

從夏威夷北部到華盛頓的“菠蘿快車”

（圖：wiki）▼

這列快車每年集中在每年1月和2月發(fā)車，根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的估計，單次降水過程，即可為美國西部帶來年降水量的30-50%。

車速過快時，一不小心就會給西海岸帶來洪澇災(zāi)害，2014年12月就曾造成過加州大面積斷電；有時也能深入內(nèi)陸造成破壞，去年6月，主要位于美國內(nèi)陸懷俄明州的黃石公園，因為一次大氣河過程造成的洪水被迫關(guān)閉。

西海岸各州的美國居民和大氣河已經(jīng)是“老相識”了

（一場強風(fēng)暴給舊金山灣地區(qū)帶來了超強的大氣河）

（2021年10月24日拍攝的衛(wèi)星圖像 圖：NASA）▼

大氣河常常通過強降水與地表河流聯(lián)手

用洪水洗涮大地

（2006年大氣河導(dǎo)致華盛頓州斯蒂拉瓜米什河發(fā)生洪水）（圖：wiki）▼

大氣河對美國西海岸的天氣變化和水資源供應(yīng)如此重要，美國人在上世紀(jì)末就開始籌劃加強對大氣河的研究并加強氣象部門的預(yù)報能力。

1998年，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的拉爾夫等人搭乘重型飛機在北太平洋上空的大氣河內(nèi)觀測并收集數(shù)據(jù)，從那時起，他一直致力于研究大氣河并構(gòu)建大氣河預(yù)報系統(tǒng)。時至今日，一套良好的預(yù)報系統(tǒng)為保障民眾生活發(fā)揮著重要作用。

大氣河常與溫帶氣旋相伴，兩者的形成相關(guān)。溫帶氣旋是發(fā)生在中高緯度地區(qū)的一種低壓天氣系統(tǒng)，由于氣旋中常有鋒面結(jié)構(gòu)，所以也被稱為鋒面氣旋。

溫帶氣旋一般是大范圍冷暖空氣碰撞的產(chǎn)物▼

通常氣象學(xué)家會根據(jù)溫帶氣旋的發(fā)生區(qū)域和移動路徑給經(jīng)常出現(xiàn)的氣旋命名，比如，蒙古氣旋、東北氣旋、黃淮氣旋、江淮氣旋等。

溫帶氣旋常導(dǎo)致風(fēng)雨天氣，有時伴有暴雨或強對流天氣

往往是洪澇災(zāi)害發(fā)生的“元兇”

（2016年7月導(dǎo)致北京等地發(fā)生特大暴雨的黃淮氣旋）

（圖：wiki）▼

溫帶氣旋的結(jié)構(gòu)可由“三條帶”簡單總結(jié)，也就是氣旋內(nèi)部主要存在三股氣流：

第一支氣流被稱為暖輸送帶，它起源于暖區(qū)中偏南地區(qū)，平行于冷鋒向北運動，在鋒面上方上升，最終在地面氣壓中心的東北側(cè)轉(zhuǎn)為西風(fēng)；

第二支氣流被稱為冷輸送帶，起源于對流層低層，相對于東移的氣旋中心向西運動；

第三支是干氣流，它來自對流層高層，進(jìn)入氣旋中心后隨著暖輸送帶上升。

氣旋中的三股氣流▼

三股氣流螺旋交匯，容易形成“逗點云系”，在衛(wèi)星云圖中一目了然?！岸狐c云系”席卷了干冷和暖濕空氣，在交界地方溫度變化劇烈形成鋒面，干冷氣流的一側(cè)不易成云降雨，暖濕氣流一側(cè)則被云覆蓋。

“逗點云系”▼

（2014年英國上空的溫帶氣旋 圖：NASA）▼

大氣河就形成在暖輸送帶中。窄而長的暖輸送帶內(nèi)聚集了大量的水汽，源源不斷地向氣旋運送，到達(dá)氣旋內(nèi)部后劇烈的上升運動又會將水汽凝結(jié)為水滴。水汽就這樣成為了能量的載體，通過相變釋放凝結(jié)潛熱為氣旋提供發(fā)展的動力。

大氣河流實際上是由一系列

處于不同生命周期的溫帶氣旋組成

（圖：NASA）▼

除此之外，東亞地區(qū)的大氣河的位置也受到副熱帶高壓的影響。

中國夏季主雨帶常常落在副熱帶高壓北側(cè)，其中重要的原因就是來自海洋表面的水汽受到副熱帶高壓的引導(dǎo)，在其周圍形成輸送通道。如果此時陸地上再有氣旋靠近，兩者共同作用下水汽輸送就會格外強烈，容易形成暴雨。

上文提到的2016年7月20日北京特大暴雨正是這種情況，在強烈的黃淮氣旋和副高的雙重加持下，大量水汽在異常強烈的大氣河輸送下到達(dá)燕山腳下，遇到陡峭的地形上升后迅速凝結(jié)成雨。

這倆強強聯(lián)手，堪稱無情的抽水機

將來自海洋表面的水汽一股腦傾瀉在華北地區(qū)▼

“大氣河”這個概念的提出相對比較晚，受到廣泛關(guān)注也就是近十幾年的事，我國的學(xué)者在東亞地區(qū)的大氣河研究方面更是剛剛起步。

通過衛(wèi)星和數(shù)值模型，我們看到了關(guān)于這顆藍(lán)色星球未曾想象過的新圖景。注視著一條條蜿蜒曲折的巨龍，我們猛然發(fā)現(xiàn)，原來我們從未真正想過熱帶遙遠(yuǎn)海洋的水汽是如何不遠(yuǎn)萬里來到身邊。

弄清楚盤旋在高空的“巨龍”的脾氣

日后才能更好地與之相處

(源于東南亞的大氣河穿過北太平洋在阿拉斯加?xùn)|南部登陸)

(圖：Ruping Mo）▼

對于科學(xué)研究來說，這個新概念意味著從一個新的角度審察已經(jīng)熟悉的知識體系，或?qū)⒊蔀閹硇抡J(rèn)知的契機；對于實際應(yīng)用來說，增加對大氣河的認(rèn)識將有助于改善我們對于極端降水、洪澇災(zāi)害、干旱的預(yù)報和應(yīng)對能力。

參考資料：

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2.Wang, T., K. Wei, and J. Ma, 2021: Atmospheric rivers and mei-yu rainfall in China: A case study of summer 2020. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1096-9

3.劉華. 中國東部冬季降水的時空分布特征及其與大氣環(huán)流和海溫的關(guān)系[D].南京信息工程大學(xué),2015.

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7.王迪. 溫帶氣旋輸送帶結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展機制動力學(xué)分析[D].南京大學(xué),2016.DOI:10.27235/d.cnki.gnjiu.2016.000914.

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