编者注（2023年3月13日）：大气河一直以创纪录的降雨量和积雪深度淹没加利福尼亚州，造成洪水。这些情况已被很好地预测和准确预报。《大众科学》最近解释了气象学家是如何在如此短的时间内更好地完成这项工作的。
我在旧金山市中心西尔斯美食餐厅吃早餐，随意地看着柜台后面的电视屏幕上播放的当地五天天气预报。底部的一个小符号显示，今天剩下的时间都是晴朗的太阳。星期三有一个友好的云朵和几滴雨点，星期四有一个黑暗、威胁性的云朵，雨点更重。我知道星期四的情况会比符号传达的要糟糕得多。我一直在研究详细的卫星数据和天气模型，它们表明一条主要的大气河（AR）很可能袭击这座城市。这个符号完全不足以传达即将到来的风暴的威胁。
大气河本质上是天空中的水蒸气河流，被强劲的低空风推动，有时速度达到飓风级别。气象界直到 2010 年代初才正式定义它们，此前，改进的卫星成像和科学揭示了这些风暴是如何在遥远的海洋上形成的。当它们袭击各大洲的西海岸时，它们可以增长到 2000 英里长、500 英里宽和两英里深。一条普通的大气河带来的降雨量远远超过世界那些地区的典型降雨或雷暴，输送的水汽量相当于密西西比河注入墨西哥湾流量的 25 倍。
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这些风暴可能会造成灾难性的洪水，包括某些地区一个世纪以来可能遇到的最大洪水。它们可能会成群结队地出现——一系列风暴，仿佛在跑步机上滚滚而来。每年有几次，它们会袭击美国、加拿大、欧洲、非洲、南美洲和新西兰的西海岸。它们也可以到达内陆深处：今年六月撕裂黄石国家公园道路并迫使公园关闭的汹涌陆地河流，在很大程度上是由一条异常强烈的大气河推动的。
大气河并不总是具有破坏性；有时它们会为干旱地区带来受欢迎的雨水。它们可以有益地增加积雪，并帮助填满天然和人造水库。然而，很难提前几天以上知道风暴究竟会在哪里登陆。尽管它们很大，但它们也可能变化莫测，因为从海面温度到高空冷空气团，许多因素都会影响它们的进程。
就在大气河预计袭击旧金山的同一天，我计划在 2016 年美国地球物理联合会会议上展示关于这些风暴的新见解。电视天气图标的不足之处让我震惊，我发誓要完成大气河的强度等级——我和同事们讨论了一段时间的预报和通信工具。我设想在屏幕上为星期四显示一个方形黄色框，其中以粗体黑色字符显示风暴系统的等级，类似于飓风被划分为 1 到 5 级的方式，而不是太阳或云的简单图标。这种等级将使天气预报员、应急规划人员、安全人员和水库管理人员以及公众能够更好地为潜在的洪水、交通中断、电线杆倒塌、泥石流或疏散做好准备。
国家气象局 (NWS) 预报员提供正式的观察和警告，这些观察和警告会触发众多地方官员采取行动。在旧金山的那一周，一些专家正在关注由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的西部天气和水极端中心 (CW3E) 开发和提供的一套新颖的大气河预报工具，我在那里工作。这些工具跟踪 10 个或更多变量，包括几千英尺高空的风，以及水蒸气的水平运动，这些变量显示了大气河袭击海岸线的几率。为了创建一个清晰且令人信服的等级系统，我们需要将这 10 个变量简化为两个量，这两个量代表即将到来的大气河的强度和持续时间。
我们设计的等级从 AR1（主要是有利的降水）到 AR5（主要是危险的）。目标是促使人们密切关注初始强度级别以及随后的任何变化，因为强烈的 AR 可能会在数小时到数天的时间内冲击沿海或内陆山区，带来大量的雨雪，迫使地面人员定期重新评估行动。
图片来源：Jen Christiansen；资料来源：“大气河强度和影响等级”，F. Martin Ralph 等人，《美国气象学会公报》，第 100 卷；2019 年 2 月（参考文献）
我们的团队于 2019 年在《美国气象学会公报》上发布了 AR 等级。风暴在该等级上的排名反映了每次科学家首次看到大气河正在形成时幕后发生的大量工作。过去两年袭击美国西海岸的几起强大气河案例研究表明，研究人员和天气预报员在告知应急规划人员和水资源管理人员风暴将带来有利于补充供水的降雨，还是会跨越阈值进入洪水和山体滑坡方面做得更好了。
通过加强准备，官员可以降低财产和生命风险，并了解如何最大限度地提高蓄水量。2021 年 1 月，一场大气河导致加利福尼亚州大苏尔海岸沿线的悬崖边道路发生严重山体滑坡，但没有造成一人死亡，这表明官员们可以很好地利用最新的预报科学来观察这些风暴并管理后果。这种情况下的知识、预报和结果说明了更好的预报和沟通在帮助各地西海岸为大型风暴做好准备方面的全部潜力。
拯救生命
在 2021 年 1 月下旬，研究人员可以看到太平洋上空的大气模式正在形成，将给北美西海岸带来另一次极端事件。问题是大气河将在哪里登陆以及强度如何。研究人员之间的紧张气氛迅速升温；在全球某些地中海气候地区，水通常是一种稀缺资源，因此居民、农民和企业主都欢迎降雨。但当然，洪水暴雨会破坏农业、基础设施和生命。
在太平洋西北地区，河流在连续数周的暴雨后仍然水位很高。那里的人们最不需要的就是另一场潮湿的风暴。在一直干旱的加利福尼亚州，几英寸的降雨会带来急需的缓解，但一场浸透性降雨可能会在已被野火剥蚀的陡峭山坡上引起山体滑坡。
1 月 20 日，一个由大气科学家、气象学家、飞机机组人员和位于 CW3E 的机构间大气河侦察指挥中心的工作人员组成的团队决定派遣数据收集飞机进入正在合并的风暴。尽管卫星和海洋浮标数据对于天气模型至关重要，但它们无法充分监测大气河的位置、强度或水蒸气含量，部分原因是与大气河相关的多云或多雨条件可能会阻碍卫星数据收集或使其不太准确。侦察飞行弥补了这些差距。
图片来源：Nick Bockelman（入门）和 Jen Christiansen（地图）；资料来源：NOAA/ESRL 物理科学实验室，科罗拉多州博尔德（水汽底图）；“NCEP/NCAR 40 年再分析项目”，E. Kalnay 等人，《美国气象学会公报》，第 77 卷；1996 年 3 月（水汽数据分析模型）；“1979 年至今压力水平上的 ERA5 月平均数据”，H. Hersbach 等人，哥白尼气候变化服务，气候数据存储，2019 年（运动数据，通过 Jason Cordeira）；“大气河强度和影响等级”，F. Martin Ralph 等人，《美国气象学会公报》，第 100 卷；2019 年 2 月（参考文献）
两天后，美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 驾驶的一架 G-IV 喷气式飞机爬升到夏威夷以西海洋上空 40,000 英尺的高度。每隔大约 10 分钟，持续几个小时，它就会释放投落式探空仪——小型仪器，它们通过降落伞漂浮下降约 20 分钟，并测量风速和风向、水蒸气、温度和压力。这些仪器将数据无线电传输回飞机，飞机将其发送到全球天气数据中心，天气预报模型从中提取数据以开始下一次预报，通常每 6 或 12 小时一次。这架喷气式飞机还操作了一个原型无线电掩星传感器，该传感器使用 GPS 卫星信号来感知飞机侧面 180 英里范围内的气象条件。来自大约 100 个与全球漂流浮标计划一起部署的漂流海洋浮标的气压数据也正在进入数据中心。
为了缓解太平洋西北地区浸水人们的担忧，飞行数据有助于预测大气河将在更南的地方登陆。但降雨是对遭受干旱的加利福尼亚州有利，还是会变得强烈而危险？
1 月 22 日深夜，CW3E 分析表明风暴强度很可能为 AR1。我们开始向区域专家发送短信或电子邮件通知，这些专家在也使用标准 NWS 预报信息的同时，将为负责地面行动的市政领导人提供建议。在圣克鲁斯山脉上方，最近的野火烧毁了陡峭的山坡，消防队长开始为山体滑坡做准备。大苏尔的交通管理人员准备在 1 号公路沿线发生山体滑坡时关闭道路，那里的某些山坡高出太平洋 1,000 英尺。
在美国陆军工程兵部队旧金山湾区办事处和当地公用事业机构索诺玛水务局，水库运营商使用 CW3E 的工具和 NWS 预报来确定俄罗斯河及其支流流入大水库门多西诺湖的流量多少是有益的，多少可能会导致洪水。如果预测的降雨量不大，他们可以保持水库闸门关闭，以尽可能多地保留水，以备即将到来的旱季之需。
1 月 23 日，我们向夏威夷西北方向派遣 G-IV 喷气式飞机，以测量现在成熟但移动缓慢的低压系统，该系统正在向北泵送水蒸气和热量，进入来自日本和西伯利亚的快速向东移动的低压槽的路径。这种相互作用将影响大气河的形成地点以及未来几天的移动轨迹。CW3E 的工具表明，风暴可能会在加利福尼亚州达到 AR2 级别，这提高了海岸线上每个人的风险。
更高的等级促使我们进行更频繁的飞行，包括来自美国空军后备队西海岸 AR 侦察基地的两架 C-130 天气侦察机。到 1 月 24 日，预报预测大气河可能会在洛杉矶以北的康塞普申角附近停滞。但一些集合预报——天气模型，它们从相同的起始时间进行多次运行，但起始条件略有不同——显示风暴可能会在更北的地方停滞，靠近大苏尔，那里的火灾最为严重。NWS 预报员发布了警告，其中部分内容是：“大气河边界和相关的强降雨将在周三下午停滞在我们预报区域的最南端[靠近康塞普申角]，然后在周三晚上至周四凌晨缓慢向北移动……在我们任何火灾疤痕区域，包括……周三上午的 SCU 火灾复合区，都可能出现过多的降雨率……在山区，预计降雨总量为 4 到 7 英寸，但在圣克鲁斯山脉高达 9 英寸，在圣卢西亚山脉高达 11 英寸。”
到 1 月 26 日，大气河的目标是在康塞普申角和圣何塞之间。AR 侦察每天执行更多任务，以确定风暴将达到 AR2 或 AR3 级别并会停滞，这意味着一些不幸的沿海地区可能会经历长达一天半的暴雨。应急准备官员预先部署了设备和人员，以便在蒙特雷和圣克鲁斯周围的烧毁地区以及脆弱的大苏尔 1 号公路沿线进行可能的救援。
2021 年 1 月，大气河使山坡饱和，导致泥石流，1 号公路在多个地方被切断。图片来源：USGS
1 月 27 日清晨，阵雨进入 NWS“NEXRAD”天气雷达网络的视野。正如预测的那样，一系列风暴中的第一场袭击了海湾地区北部，但很快就穿过了那里。门多西诺湖附近地面上的 AR 观测站——使用垂直向上看的雷达——向预报员和水库运营商证实，主要事件将在他们南部。风暴在该湖上产生了 2 到 3 英寸的降雨，提供了非常有益的流入。
果然，风暴在大苏尔附近停滞为 AR3，并在两天内降下了超过 10 英寸的雨量。附近的圣卢西亚山脉降雨量更多。暴雨造成城市洪水以及火灾烧毁的山坡上发生严重的泥石流，摧毁了房屋和商业建筑，并严重破坏了沿海重要的 1 号公路。这条道路最终被关闭数月以进行重大维修，扰乱了交通和当地经济。该事件成为 2021 年美国“十亿美元级天气灾害”之一。
至关重要的是，没有人丧生。初步分析表明，AR 侦察数据改进了预报，并将降水预报误差降低了多达 50%；如果没有它，大苏尔的预测降雨量将远低于实际降雨量。这有助于准确的警告和应急响应。
警告世界
随着气候变化带来更多极端降雨事件，美国联邦政府越来越关注大气河。2021 年 12 月，NOAA 的科学咨询委员会向国会决策者发送了一套关于未来十年的正式建议“天气研究优先事项”。这些建议呼吁需要关于大气河的更好信息，以支持水库运行等。实施工作可能很快开始，这得益于 CW3E 专用于大气河的超级计算机，该计算机可以运行最先进的模型，并与 NWS 合作测试数据的人工智能分析。
在葡萄牙，大气河也造成了严重的洪水，科学家最近建议预报员使用新的等级量表。南美洲南部西海岸的预报员也在考虑采用它。而且，在不久的将来，您可能会在您最喜欢的天气应用程序或预报中看到 AR 图标作为标准组成部分。
更好的预报可以提高社会在面对气候变化时的复原力。仅仅在过去五年中，美国西部的主要地区就面临着创纪录的干旱，随后又遭遇了创纪录的洪水，气候科学家表示，这种剧烈波动在未来可能会更频繁地发生。这些极端情况似乎是由更强的大气河推动的，然后被更长、更热的干旱期隔开。
大气河预报已经帮助水资源管理者利用即将到来的降水和径流。以门多西诺湖地区为例，该地区位于旧金山以北 100 英里处，靠近海岸。工程师在 1959 年通过筑坝俄罗斯河东支流建造了该湖，以帮助控制下游灾难性的洪水。该项目还为索诺玛县葡萄酒产区创建了一个水库和一个水电站。如果风暴在 1 月至 3 月期间将湖泊的水量推高到 68,000 英亩英尺以上，管理者通常会通过大坝释放多余的水。但如果在 3 月下旬或 4 月下旬（洪水季节结束时）才略微超过这个水平，他们会将水保留下来以备干旱的夏季之需。然而，随着气候变化，自 2000 年左右以来，大多数年份春季降雨量都不足以重新注满湖泊。
鉴于这种趋势，以及最近一项名为“预报信息水库运行”的科学和工程项目，陆军工程兵部队于 2021 年在该水库采用了这种新方法的五年示范。它允许运营商在风暴过后，在 68,000 英亩英尺的“保护池”之上，最多保留 11,000 英亩英尺的额外水（“缓冲池”）。只要未来几天没有预测到大气河，每天都会重新考虑这个选项。如果在春季结束前没有发生强烈的 AR，这种做法可以保留足够的水，为 20,000 户或更多家庭供水一年。
2020 年 1 月初，新的 AR 工具表明可能会有一场风暴来袭。当风暴来临时，陆军工程兵部队水库运营商保持大坝关闭，使湖泊部分蓄水至缓冲池限制。不久之后，又来了一场温和的 AR，运营商保留了全部 11,000 英亩英尺的水。在冬季的剩余时间里，如果预报有 AR，他们会释放额外的湖水，但没有其他重大风暴到来。11,000 英亩英尺的水变得极其宝贵，因为那个夏天，湖泊以北和以南的俄罗斯河流域，一直到旧金山，都非常干燥。这种方法使水资源管理者能够在干旱条件下更可靠地提供供水。
2021 年 11 月，在温哥华地区，大气河预报也至关重要，此前秋季出现了暴雨和山区降雪。两场背靠背的 AR4 袭击了温哥华、其上方的山脉和大不列颠哥伦比亚省，两天内降雨量高达 11 英寸。严重的洪水和山体滑坡封闭了通往该市的主要公路和铁路线，使其与加拿大其他地区隔绝。温哥华港是该国最大的港口，不得不在 COVID 大流行带来的前所未有的供应链危机中停止运营。AR 预报帮助官员决定疏散数千人。
现在，在尚未广泛认识到大气河的地方，也可以进行预报。2022 年 1 月，墨西哥湾上空的一场风暴达到“极端”强度，横跨美国东南部，并在东北部引发了一场危险的东北风暴。在南极洲，有证据表明，大气河带来了大部分落在冰盖较高部分的新雪，但在 2022 年 3 月，一股温暖潮湿的气流被认为是造成气温比正常水平高出 72 华氏度的罪魁祸首，给内陆带来了大量降雪，但沿海地区带来了降雨和融雪。大气河也与格陵兰冰盖最近的大规模融化和降雨有关。
进一步改进 AR 预报将有助于科学家确定大气河在未来气候变化中可能扮演的角色。在此之前，预报员的重点是加强对当地应急和水资源规划人员的预报，包括陆军工程兵部队和加利福尼亚州水资源部，它们在开发和将 AR 信息纳入决策方面具有创新性。或许可以提前一天发布即将到来的风暴的 AR 警告，或者可以更准确地预测降雨总量，从而使人们远离危险或提高未来不可避免的干旱期的供水可靠性。