1861年圣诞节前夕，来自太平洋的强烈暴雨开始袭击加利福尼亚州中部，并几乎持续不断地下了43天。倾盆大雨迅速将内华达山脉沿州东部边界流下的河流变成汹涌的洪流，冲走了整个社区和矿区。河流和雨水涌入该州广阔的中央山谷，将其变成一片长300英里、宽20英里的内陆海。数千人丧生，估计该州80万头牛中有四分之一被淹死。萨克拉门托市中心被10英尺高的棕色泥水淹没，其中充满了该地区陡峭山坡上无数次泥石流带来的碎片。加利福尼亚州立法机构瘫痪，迁往旧金山，直到萨克拉门托干涸——六个月后。到那时，该州已经破产。
如果今天发生类似的事件，破坏性将难以置信地更大。中央山谷是超过600万人的家园，其中140万人在萨克拉门托。这片土地每年生产约200亿美元的农作物，包括全球70%的杏仁——而且由于过度抽取地下水，部分地区海拔下降了30英尺，使得这些地区更容易发生洪水。科学家最近模拟了一场持续仅23天的类似无情风暴，结论是，即使是这次较小的侵袭也会造成4000亿美元的财产损失和农业损失。除非做好充分的准备和疏散工作，否则可能会有数千人丧生。
1861-62年的洪水是一次偶然事件吗？似乎不是。对广泛地区沉积物的新研究表明，这种规模的灾难性洪水在过去至少两千年中，大约每两个世纪就会淹没加利福尼亚州一次。1861-62年的风暴也袭击了从墨西哥北部和加利福尼亚州南部到不列颠哥伦比亚省的海岸线，造成了有记录以来最严重的洪水。气候科学家现在假设，这些洪水以及世界其他几个地区的类似洪水，是由大气河流造成的，这是一种您可能从未听说过的现象。他们认为，至少加利福尼亚州再次发生这种洪水只是时间问题。
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十条密西西比河，一英里高
大气河流是在大气中约一英里高度形成的长条水汽流。它们宽度仅为250英里，但延伸数千英里——有时跨越整个海洋盆地，例如太平洋。这些水汽输送带从热带地区携带相当于10到15条密西西比河的水量，并跨越中纬度地区。当其中一条到达美国西海岸并撞击内陆山脉，如内华达山脉时，它会被迫上升、冷却并凝结成大量降水。
北美西海岸的人们长期以来都知道一种名为“菠萝快车”的风暴，这种风暴从夏威夷附近的热带地区涌入，倾泻三到五天的暴雨和暴雪。事实证明，它们只是大气河流的一种形态。最近的调查显示，每年有多达九条大气河流袭击加利福尼亚州。其中很少有强大到足以产生真正的特大洪水，但即使是“正常”的风暴也与美国其他地区的暴雨一样强烈，因此它们对紧急救援人员以及防洪部门和水务管理者都构成了挑战。
大气河流也给其他大陆的西海岸带来降雨，并且偶尔会在不太可能的地方形成。例如，2010年5月发生在纳什维尔及其周边的灾难性洪水——造成约30人死亡和超过20亿美元的损失——就是由一条不寻常的大气河流引起的，该河流从墨西哥湾向北延伸到田纳西州，带来了连续两天的暴雨。2009年，英格兰南部和西班牙各地的大规模洪水也是由大气河流引起的。但这种现象在太平洋沿岸最容易理解，最新的研究表明，随着气候变暖，这些水汽河流未来可能会变得更大。
突然的发现
尽管大气河流具有令人难以置信的破坏力，但它们只是在相对较近的时间才被发现，部分原因是偶然。
1998年1月，美国国家海洋和大气管理局的环境技术实验室启动了一个名为CALJET的项目，旨在改进对袭击加利福尼亚海岸的大型风暴的预报。该实验室的研究气象学家马蒂·拉尔夫和其他人驾驶特制飞机飞越北太平洋，进入即将到来的冬季风暴，直接测量情况。那场风暴被描述为“急流”——一个高风区。研究人员发现，这场单独的风暴连续几天携带了大气中约20%的向极地移动的湿气。急流集中在海面以上约一英里的高度，高度足以使其难以通过地面传统气象观测来识别。
同样在1998年，麻省理工学院的 Yong Zhu 和已故的 Reginald Newell 注意到欧洲中期天气预报中心制作的全球风和水汽模式模拟中存在一个奇怪的特征。他们发现，在热带地区以外，平均约95%的向极地水汽输送发生在仅五到六个狭窄带中，这些狭窄带在全球范围内随机分布，从中纬度地区自西向东移动。为了描述这些带，他们创造了“大气河流”一词。
大约在同一时间，搭载新型特殊传感器微波成像仪的卫星首次提供了全球水汽分布的清晰而完整的观测结果。图像显示，水汽倾向于集中在狭长、移动的通道中，这些通道最常从温暖、潮湿的热带空气延伸到热带地区以外的干燥、凉爽地区。这些触角出现后又会在几天到几周的时间尺度内瓦解。
毋庸置疑，研究人员很快将这三个非常互补的发现联系起来。从那时起，科学家们进行了越来越多的研究，以更好地描述西海岸的大气河流。已经建立了新的具有向上雷达和测风仪的观测站来监测它们。美国国家海洋和大气管理局的水文气象试验台计划正在更深入内陆地区进行研究，以了解大气河流渗透到内陆时会发生什么。
利用这些网络的数据，预报员越来越擅长在天气模型中识别大气河流，并预测它们到达西海岸的时间。近年来，一些风暴在袭击陆地一周多前就被识别出来。大气河流也出现在用于预测未来气候变化的气候模型中。预报员对自己的预测能力越来越有信心，开始比过去更早地向公众发出关于特大暴雨的警告。这种改进为应急管理者提供了额外的准备时间。
每世纪一次特大洪水？
尽管科学认识有所提高，但1861-62年的洪水几乎已被今天的人们遗忘。加利福尼亚州和西部的社区、工业和农业运营部门在过去一个世纪中，已经扩展到150年前被淹没的许多洪泛区。各地的居民都没有意识到或不警惕生命和财产面临的明显风险。与此同时，焦虑的气候学家担心越来越多的证据表明，特大风暴可能会再次发生，而且很快就会发生。
这种担忧源于一项研究，该研究回顾了2000年的历史，以拼凑证据，揭示过去洪水的发生和频率，就像侦探回到很久以前的犯罪现场一样。他们正在筛选湖床、洪泛区、沼泽和海底盆地沉积物中存档的证据。当洪水沿着斜坡和陆地奔流而下时，它们会冲刷山丘，卷起粘土、淤泥和沙子，并将这些物质带入汹涌的水流中。当河流到达洪泛区、沼泽、河口或海洋时，流速减缓，它们会释放出沉积物：首先是较大的砾石，然后是沙子，最后是淤泥和粘土。自然会在这些事件后重建，随着时间的推移，洪水沉积物本身会被正常天气留下的较新沉积物掩埋。科学家从这些沉积物中提取垂直岩芯，并在实验室中分析保存的层，并确定发生的时间。
例如，在加利福尼亚州北部旧金山湾周围的潮汐沼泽下发现了洪水沉积物。通常，流入沼泽的河水只会沉积最细的沉积物——粘土和淤泥的薄层痕迹。特大洪水的更猛烈水流会携带更大的颗粒，并沉积更厚更粗糙的层。洪水层可以使用常见的放射性碳测年法进行测年，该方法在此应用中的精度约为100年。我们其中一位作者（英格拉姆）和地理学家弗朗西斯·马拉穆德-罗姆对沼泽岩芯的研究揭示了公元1100年、1400年和1650年左右发生的特大洪水的沉积物。然而，1861-62年事件的独特层很难区分，因为洪水发生前后的十年间，内华达山脉山麓的水力淘金活动移动了大量的淤泥和沙子，基本上抹去了洪水可能留下的任何痕迹。
从旧金山湾本身下方提取的沉积物岩芯也表明，1400年该海湾充满了淡水（就像1861-62年事件期间一样），表明发生了特大洪水。
地质学家在加利福尼亚州南部发现了更多证据，该州今天居住着该州近3800万人口的三分之二，沿着圣巴巴拉海岸。那里的沉积物每年春天都会沉降到海底（形成一层浅色的藻类层，称为硅藻），冬天再次沉降（形成一层深色的淤泥层）。由于那里的深水中的氧气浓度对于通常会翻动和挖掘的底栖生物来说非常低，因此每年的沉积物层数千年来一直保持着惊人的未受干扰状态。那里的沉积物岩芯揭示了六次明显的特大洪水，它们以公元212年、440年、603年、1029年、1418年和1605年的厚灰色淤泥层形式出现。最近的三个日期与旧金山湾周围沼泽沉积物显示的约1100年、1400年和1650年的日期非常吻合——证实了真正广泛的洪水每隔几百年就会发生一次。（10月，密歇根大学的英格丽德·亨迪和她的同事发表了一篇基于不同测年方法的论文；它发现圣巴巴拉的一组日期与这六个特定日期相差100到300年，但大约每200年发生一次特大洪水的相同基本模式仍然成立。）
圣巴巴拉盆地最厚的洪水层是在1605年沉积的。沉积物厚达两英寸，位于离岸几英里处。440年和1418年的洪水各自留下了超过一英寸厚的沉积层。相比之下，岩芯顶部附近分别由1958年和1964年的大型风暴留下的沉积层分别为0.24英寸和0.08英寸，这两次风暴是上个世纪最大的风暴之一。早期的三次洪水一定比我们所见过的任何一次都更严重。
在旧金山湾东北约150英里的一个小湖泊小帕克湖的沉积物岩芯中也发现了巨大洪水的证据，该湖泊位于加利福尼亚州北部最大河流萨克拉门托河的洪泛区。在特大洪水期间，富含沉积物的洪水会溢入湖中，沉积物沉降到湖底，形成厚而粗糙的沉积层。加州大学伯克利分校的地理学家罗杰·伯恩和他的研究生唐纳德·G·沙利文使用放射性碳测年法确定，在以下时间段中的每一个时间段都发生了一次与1861-62年灾难相当的洪水：1235-1360年、1295-1410年、1555-1615年、1750-70年和1810-20年。也就是说，每100到200年发生一次特大洪水。
某些特大洪水还在加利福尼亚州西北角克拉马斯山脉的狭窄峡谷中留下了它们经过的记录。大约在1600年和1750年，再次与其它数据一致，沉积了两个特别巨大的沉积物。
当所有历史证据放在一起时，表明1605年的洪水至少比任何其他特大洪水大50%。尽管放射性碳测年法具有很大的不确定性，如果测年方法改进，可能会重新解释，但令人不安的底线是，与1861-62年洪水一样大或更大的特大洪水大约每两个世纪就会正常发生一次。距那场灾难已经过去150年了，因此加利福尼亚州似乎很快就会再次发生这种情况。
灾难更可能发生
具有讽刺意味的是，在加利福尼亚州上空形成的大气河流并非都是坏事。每年出现的小型河流是重要的水源。通过分析近几十年大气河流给美国西海岸带来的雨雪量，以及关于长期降水、积雪和河流流量的记录，研究人员发现，在1950年至2010年期间，大气河流在每年仅10天的时间里就提供了加利福尼亚州30%至50%的水资源。他们发现西海岸其他地区的情况也类似。然而，在同一时期，这些风暴也造成了加利福尼亚州河流中80%以上的洪水，以及加利福尼亚州中央山谷128起有详细记录的堤坝决堤事件中的81%。
由于大气河流在洪水中扮演着可怕的角色，在供水中扮演着至关重要的角色，因此人们自然会想知道，随着气候变化越来越牢固，大气河流会发生什么变化。回想一下，朱和纽厄尔最初创造“大气河流”一词是为了描述他们在天气计算机模型中观察到的特征。这些模型与用于预测温室气体浓度升高未来后果的模型密切相关。科学家们并没有将大气河流编入天气和气候模型；当模型被释放以模拟过去、现在或未来时，河流会作为大气和大气水循环运作的自然结果而出现。因此，河流也出现在政府间气候变化专门委员会评估中使用的气候预测模型中。
我们其中一位作者（德廷格）最近对来自世界各地的七种不同气候模型进行的回顾表明，大气河流很可能在整个21世纪继续抵达加利福尼亚州。在预测中，由于温室气体浓度升高，气温平均升高约华氏4度。由于较温暖的大气层可以容纳更多的水汽，大气河流可能会携带更多的水分。
另一方面，由于预计热带地区和极地地区的升温速度不同，中纬度太平洋上空的风预计会略有减弱。大气河流产生的降雨主要取决于它们所含水汽的量以及它们的移动速度，因此问题就出现了：更潮湿的空气还是更弱的风会占上风？在七个气候模型中的六个模型中，到2100年，未来大气河流输送到加利福尼亚州的平均雨雪量平均增加约10%。更潮湿的空气胜过了更弱的风。
所有七个模型都预测，每年抵达加利福尼亚海岸的大气河流数量也将增加，从历史平均水平约9条增加到11条。所有七个气候模型都预测，偶尔会出现比任何历史特大风暴都更大的大气河流。鉴于大气河流在加利福尼亚州洪水中发挥的显着作用，即使是这些适度的增加也令人担忧，需要进一步调查以确定预测是否可靠。
准备时间到了
随着大气河流可能变得更加频繁和更大，并且现在有如此多的人居住在其路径中，社会明智的做法是做好准备。为了提供一个加利福尼亚州应急管理者可以用来测试其当前计划和方法的示例，美国地质调查局的科学家最近开发了本文开头提到的情景：一场规模与1861-62年风暴相当，但持续23天而不是43天的特大风暴（因此没有人会声称该情景不切实际）。为了进一步确保最终被称为ARkStorm（大气河流1000风暴）的情景尽可能真实，科学家们通过将过去50年中加利福尼亚州两次最大风暴序列的数据拼接在一起构建了它：1969年1月和1986年2月。
当项目负责人将ARkStorm事件输入各种天气、径流、工程和经济模型时，结果表明，持续的洪水可能会发生在加利福尼亚州北部和南部的大部分低洼地区。这种洪水可能导致150万人疏散。高水位、数百次山体滑坡和某些地点的飓风级大风造成的破坏和中断可能会造成4000亿美元的财产损失和农业损失。长期的商业和就业中断可能会使最终总成本超过7000亿美元。根据近年其他地方发生的灾难，我们认为如此广泛的灾难可能会造成数千人死亡（ARkStorm模拟没有预测死亡人数）。
成本约为同一美国地质调查局项目成员估计的ShakeOut灾难情景成本的三倍：ShakeOut灾难情景是南加利福尼亚州假想的7.8级地震。看来，大气河流特大风暴——加利福尼亚州的“另一个大事件”——可能比大地震给金州带来更大的风险。ARkStorm事件对于加利福尼亚州来说是合理的，甚至可能是不可避免的。而且该州的防洪系统并非旨在应对这种情况。唯一的优势是，今天，凭借改进的科学和技术，特大风暴很可能在几天到一周多的时间内被预测出来。适当的规划和不断努力改进预测可以减少损失和生命损失。
同样的希望和警告也适用于其他大陆的西海岸。科学家们对加利福尼亚州海岸沿线的大气河流进行了比世界上任何其他地方都更深入的研究，但他们几乎没有理由期望其他地方的风暴会不那么频繁或更小。下一次特大洪水可能发生在智利、西班牙、纳米比亚或西澳大利亚。
加利福尼亚人以及西海岸沿线的所有人，都应该意识到大气河流造成的威胁，并应认真对待风暴和洪水的预报。规划者以及城市和州领导人也应在决定未来投资时注意这一点。忘记过去的人很可能会重蹈覆辙。
本文将以“即将到来的特大洪水”为题发表在印刷版上。