互动科普

大气中有一种水气通道，它蕴藏着巨量水气，俨然成为一条条“大气河”。美国加利福尼亚的一条大气河每200年左右便会造成大洪水泛滥，而气候变化会使得洪水变得更强。

撰文：迈克尔·D·德廷杰（Michael D. Dettinger） B·林恩·英格拉姆（B. Lynn Ingram）

翻译：傅慎明 审校：孙建华

近年来的类似事件造成了更大的灾难。加利福尼亚州中央河谷是超过600万居民的家园，而其中约有140万人口居住在萨克拉门托。这里每年的农作物产值约为200亿美元，其中包括占世界产量70%的杏仁。这里的部分土地由于过量抽取地下水而塌陷了30英尺左右，使得这些地区更容易受到洪水的侵袭。科学家近日模拟了一场类似的超强暴风雨过程，虽然模拟的暴风雨仅仅持续了23天，但其造成的财产和农产品损失竟可高达4,000亿美元。数以千计的人口将会在这场灾难中罹难，除非政府的灾前预警和人员疏散做得非常完备。

难道1861-1862年的特大洪水事件仅仅是少见的怪胎？事实表明并非如此。对大范围地区沉积物的最新研究表明，至少在过去两千年内，上述强度的灾难性洪水每两个世纪左右便在加利福尼亚州发生一次。1861-1862年的超强暴风雨也袭击了南起北墨西哥、南加利福尼亚州，北至加拿大不列颠哥伦比亚省的西海岸一带地区，造成了有气象记录以来的最强洪水。气候学家猜测这些特大洪水事件以及地球上其他地区的类似事件是由“大气河”（atmospheric river）造成的，而对于大气河，很多人可能一无所知。但是对于加利福尼亚州而言，新的特大洪水可能已经不远了。

空中的河流

大气河是大气中距地面约为1英里的一条水气输送通道，它的宽度仅为250英里左右，而长度却能达到上千英里，有时，大气河可以横穿整个大洋，如太平洋。大气河能输送相当于10到15条密西西比河的总水量（密西西比河全年总水量约为6 000立方千米），将这些水气由热带输送到中纬度地区。当北上的大气河受到美国西海岸山脉（如内华达山）的阻挡时，它将被迫抬升，水气因温度降低而凝结，从而产生大量降水。

住在北美西海岸的居民很久以前就知道叫做“菠萝快车”（pineapple expresses）的风暴系统，这种系统源自夏威夷附近的热带地区，能够产生3～5天的暴雨和暴雪。研究表明，这是大气河的一种表现形式。根据最近的研究，每年加利福尼亚州会受到多达9条大气河的影响。尽管这些过程很少会产生真正的大洪水，然而即使其中“普通”强度的过程也与美国其他地区的暴风雨强度相当，因而这对防洪人员、防洪机关以及水利管理部门是一个很大的挑战。

大气河也能为美国其他大陆的西海岸带来降雨，有时会在“不可能”的区域产生降水。例如，2010年5月发生在美国纳什维尔及其周边地区的大洪水，造成了约30人死亡，以及超过20亿美元的财产损失，这场灾难的制造者便是一条不常见的大气河，它将来自墨西哥湾的水气向北输送到田纳西州，从而造成肆虐了两天的暴雨灾害。2009年英格兰南部以及西班牙多地的特大洪水过程也是由大气河造成。然而，我们仅对太平洋沿岸附近的大气河有着较好的认识，最近的研究表明，这些大气河会随着全球变暖而越发强大。

意外的发现

尽管大气河会引发难以置信的灾难，然而人们仅是近年来才发现它的存在，并且发现的过程有些偶然。

1998年1月，美国国家海洋和大气管理局（national oceanic and atmospheric administration，noaa）的环境技术实验室启动了名为CALJET的研究项目，以期改进对袭击加利福尼亚州海岸的强风暴事件的预报。实验室的气象研究学家马蒂·拉尔夫（Marty Ralph）等利用装备了特殊设施的飞机，飞入北太平洋的一个冬季风暴系统中进行直接观测，这个风暴被描述成一支喷流（jet）——一个高风速带。

研究人员发现，单个风暴几天内便可输送大量的水气，这些水气相当于中纬度向极地输送水气总量的20%。喷流主要集中在海面以上约1英里的高度，利用传统的地面天气图很难判断在这个高度上是否存在喷流。

无独有偶，1998年，当时在麻省理工学院的研究者朱勇（Yong Zhu）和已故的雷金纳德·纽厄尔（Reginald Newell）利用欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）的模型模拟全球的风场和水气模态时发现了一个怪异的特征。他们发现在热带地区之外，平均而言，向极地输送的水气，其总量的95%是通过五至六条窄带输送的，这些水气输送带有些随机地分布于全球，在中纬度由西向东移动。为了描述这些水气带，他们创造了一个新术语“大气河”。

大致与此同时，载有专用微波传感器成像仪的卫星第一次提供了清楚、完整的全球水气分布观测。卫星图像显示，水气倾向于集中在又长又窄而且会移动的通道内，这些通道通常是从温暖湿润的热带地区延伸至热带之外的干燥寒冷地区，这些触手状的水气通道从出现到消亡的时间跨度在几天到数周不等。

毋庸置疑，研究者们很快将这三个显著互补的发现结合在一起。自此开始，科学家展开了越来越多的研究来更好地描述美国西海岸大气河的特征。垂直扫描雷达和风廓线仪的新观测已经被应用于研究大气河。美国国家海洋和大气管理局的水文气象试验台计划进一步向内陆拓展，来研究当大气河深入内陆时会有什么现象发生。

利用这些观测网的资料，预报员对天气模型中大气河的识别，以及对其何时影响美国西海岸的预报正做得越来越好。近年来，我们可以提前一周以上对一些影响大陆的暴风雨过程进行预报。大气河也能被气候模型模拟，并用于预测未来的气候变化。气象预报员们对自己的预测能力更有信心了，他们开始警告公众，极端强降水将会比过去来得更早。这种预报技术的提高为应急管理机关提供了更长的准备时间。

特大洪水的规律

尽管有了更深的科学理解，但1861－1862年的大洪水事件如今已经几乎被遗忘了。在过去一个世纪里，加利福尼亚州和美国西部的社区以及工农业拓展到很多类似的泛洪区，而这些地区在150年前曾被大洪水淹没过。各地居民没有意识到，也不了解其生命及财产存在着很高风险。同时，气候学家十分焦急，因为多种迹象综合表明，一场超级风暴将会很快再次发生。

有一项研究引人关注，该研究在时间上追溯至2 000年前，为的是将此期间内各种能表明洪水发生和频率的证据结合在一起，正如一个侦探回到一个很早以前的罪案现场。相关研究人员详查了记载于湖床、漫滩、沼泽以及海底盆地沉淀物中的证据。洪水沿着山坡汹涌而下，穿越了大地，冲刷了山区，卷起泥土、淤泥和沙粒，并在膨胀的水流中携带输送这些物质。当洪流遇到漫滩、沼泽、江河口或海洋而减速时，携带的物质会脱离水流而变成沉淀物，最先是较大的碎石，接着是沙子，最后是淤泥和泥土。

每发生一次洪水事件，这种过程就会重演一次，随着时间推移，旧的洪水沉积物又被常规天气所产生的沉积物覆盖。科学家从这些沉淀物中提取沉积物芯，回到实验室分析，然后由此确定洪水事件发生的时间。

例如，研究者已经在北加利福利亚旧金山湾附近的湿地之下发现了洪水沉积物。通常情况下，穿越了沼泽地的典型入流河，仅仅遗留薄薄的一层泥土和淤泥。大洪水的水流更加湍急，携带了更大的颗粒，因此留下了更厚且更粗糙的沉积物。洪水层可由常见的放射性碳元素测年法来确定年份，其在此项应用中的测量精度可达约100年以内。英格拉姆（本文作者之一）以及地理学家弗朗西斯·马拉默德－罗姆（Frances Malamud-Roam）所开展的对沼泽核的研究发现了公元1100、1400和1650年前后的特大洪水沉积物。1861－1862年特大洪水事件的相应沉淀层很难识别，这是由于在洪水之前和之后数十年间，内华达山脉东麓的黄金开采移动了大量的淤泥和沙土，而这些行为抹去了大洪水所留下的痕迹。

在旧金山湾之下采集的沉积物芯也表明，在公元1400年前后，这个海湾充满了淡水（与1861－1862年特大洪水事件的过程相类似），这表明此期间有特大洪水过程出现。

地质学家们在加利福尼亚州南部沿圣巴巴拉海岸发现了更多的证据，而这个地区现有全州2/3（约3,800万）的人口居住。每年春季和冬季都有沉淀物沉积到海床（春季形成浅色的以硅藻为主的海藻层；冬季形成深色的淤泥层）。由于深水中的氧气浓度对善于搅动和挖掘的底栖生物而言过低，数千年以来，每年形成的沉积层都未受到明显的破坏。沉积物芯中的厚淤泥层表明，这里有过6次显著的大洪水过程，分别发生于公元212年、440年、603年、1029年、1418年和1605年。最近三次特大洪水的年份与旧金山湾附近沼泽沉积物所表明的洪水年份（1100年前后、1400年前后和1650年前后）具有很好的相关性，这些证据共同确认了大范围的特大洪水每几百年便会泛滥一次。[2012年10月，密歇根大学的英格里德·亨迪（Ingrid Hendy）和同事发表了一篇文章，这篇文章采用了不同于放射性碳元素的测年方法，测出了同一地区的一组日期，这组日期与上文中的6个具体日期有100~300年的偏差，然而特大洪水约每两百年发生一次的基本形式保持不变。]

在圣巴巴拉盆地，最厚的洪水沉积层出现于1605年前后，沉积物有5厘米厚，距离海岸数英里。公元440年和1418年的特大洪水各自留下了超过2.5厘米厚的沉积层。1958年和1964年的大洪水是过去一个世纪内最强的洪水事件，而这些洪水仅在沉积物芯顶部留下了0.6厘米和0.2厘米的沉积层。由此可知，此前留下5厘米和2.5厘米沉积物的特大洪水事件，其破坏性要比我们所看到过的巨大得多。

萨克拉门托河是北加利福尼亚最大的河流，在其泛洪区内一个叫做小帕克的小型湖泊中采集的沉积物芯表明，在旧金山湾东北约150英里处也有特大洪水泛滥的迹象。特大洪水中，满载沉积物的水流倾泻进湖泊，沉积物由于水流减速而降落到湖底，形成了较厚的粗糙沉积层。加利福尼亚大学伯克利分校的地理学家罗杰·拜恩（Roger Byrne）以及他当时的研究生唐纳德·G·沙利文（Donald G. Sullivan）采用放射性碳元素测年法得到了与1861-1862年特大洪水事件强度相当的一组特大洪水事件的年代序列：1235-1360年，1295-1410年，1555-1615年，1750-1770年以及1810-1820年。也就是说，100~200年出现一次特大洪水。

某些特大洪水事件也在加利福尼亚州西北角克拉马斯山的狭窄山谷中留下了足迹，两次尤其巨量的沉积在1600年和1750年前后形成，这个结论再次与其他的数据相吻合。

将所有的历史数据整合到一起，可以发现1605年的特大洪水事件比任何其他的特大洪水事件至少强了50%。尽管放射性碳元素测年法有显著的不确定性，并可能会因测年法的改善而重新划定年份，但是那个令人不安的底线依然存在，即类似或强于1861—1862年特大洪水事件的大洪水是每两个世纪左右就会发生一次的常规事件。对于加利福尼亚州而言，灾难已经过去了150年，因而下一次特大洪水可能会很快来临。

洪灾将至

具有讽刺意味的是，在加利福尼亚州上空所形成的大气河所带来的影响并不都是坏的，每年出现的较小大气河是重要的降水源。通过综合分析最近几十年大气河带到美国西海岸的雨雪量以及长期降水、雪融水和流量的相关记录，研究者发现，在1950到2010年之间，大气河为加利福尼亚州提供了约30%~50%的水量，其时间跨度仅为每年10天左右。研究者还发现在西海岸的其他地区也有类似的情况。然而在同一时期，与大气河相伴的暴风雨事件还引发了加利福尼亚州河流80%以上的洪灾和中央河谷81%的溃堤过程（以文献完整记录了的128次溃堤计算）。

由于大气河在洪灾中扮演了可怕的角色，而在水气输送过程中又扮演了至关重要的角色，人们自然想知道，当气候变化愈演愈烈时，这些大气河会发生怎样的变化。回想起朱勇和纽厄尔最先定义了“大气河”这个术语，来描述他们在数值天气模型中所发现的现象，他们用到的数值模型与另外一些主要用于预测温室气体浓度升高会在未来造成什么后果的模型密切相关。科学家并没有在天气和气候模型中刻意地加入有关大气河的相关程序，在使用大气模型对过去、现在和未来进行大致模拟时，大气河的出现是大气和大气水循环的自然结果。因此，大气河在政府间气候变化评估小组所使用的气候预测模型中也会出现。

德廷杰（本文作者之一）最近对于世界范围内7个不同气候模型结果的回顾表明，大气河在整个21世纪可能将会继续造访加利福尼亚州。在预测中，由于不断增加的温室气体浓度，全球气温平均会上升约2.2℃。由于气温越高大气所含水气越多，大气河将会携带更多水气。

另一方面，由于热带和极地地区变暖速率不同，中纬度太平洋上空的风场估计会略有减弱。大气河所产生的降雨主要是其所含水气量以及移动速度的综合结果，因而出现了一个问题：更湿的大气或更弱的风场谁起主要作用？7个气候模型中，有6个模型的结果是，未来（截至2100年）大气河给加利福尼亚州所带来的平均降雨和降雪量会增加约10%，由此可知，湿度增加的作用超过了风场减弱的作用。

所有的7个模型都预测，造访加利福尼亚州的大气河数目也会增加，从历史平均的约9条增长至11条。所有7个模型的预测结果还表明，不期而至的大气河将会触发比历史上任何一次强风暴系统都猛烈的暴风雨过程。鉴于大气河在加利福尼亚州洪灾中起到了显著作用，那么就是这些中等强度的增长也应引起人们的关注，并且需要进一步研究以确认这些预测是否可靠。

未雨绸缪

大气河的活动可能会变得更频繁且强度更强，然而大量的居民目前正居住于受大气河影响的路径上，因此整个社会为之做出一些准备是很明智的选择。

为了有例可循，使得加利福尼亚州应急机关可以用来检测他们目前的计划和方法，美国地质调查局（U.S. Geological Survery, USGS）的科学家设计了文章开头时提到的剧情：一个与1861－1862年大小相当的超强风暴过程袭击了加利福尼亚州，但其维持期为23天而非43天（因而没人可以说这个方案是不现实的）。为了进一步确保这个被称为“大气河1 000风暴”（Atmospheric River 1 000 Storm，ARkStorm）的过程尽可能地接近实际，科学家们将过去50年内最大的两个暴风雨过程（1969年1月和1986年2月）结合在一起，并由此制造了“大气河1,000风暴”。

当项目负责人通过一系列的天气、径流、工程以及经济模型来模拟“大气河1,000风暴”事件后，模拟结果表明，持续的洪水能够在加利福尼亚州北部和南部的大部分低地发生。这种规模的洪水可以导致150万居民受灾。高水位所引起的破坏和混乱、数百次的山体滑坡和强风暴在某些地区可以导致4,000亿美元的财产和农作物损失，而长期商业和雇佣关系的破坏最终会造成超过7,000亿美元的经济损失。根据其他地区近年来的灾难统计，我们相信这样大范围的一次灾难可以造成数以千计的人口丧生（大气河1 000风暴的相关模拟没有预测死亡人数）。

该项目组的很多成员还致力于另一项被称为“震动”（ShakeOut）的灾难模拟研究（一次假想的加利福尼亚州南部7.8级地震）。“大气河1,000风暴”灾难所带来的损失约是地震的3倍。由此可知，大气河所带来的另一场超强风暴对这个州的威胁远大于一场大地震。一次“大气河1,000风暴”事件的发生对于加利福尼亚州是可能的，甚至不可避免，而加利福尼亚州并没有设计用于防护这一强度洪水的防护系统。目前唯一的优势在于随着科技的进步，任何地区的强暴风雨过程可能提前数天到一周以上被预报出来。合理的计划和持续努力地提高天气预报能力能够减少财产损失和人员伤亡。

相同的预言和警告对于沿太平洋西海岸的其他大洲同样适用，科学家对沿加利福尼亚州海岸大气河的研究比世界上任何其他地区的相应研究都更加深入，但是他们也没什么理由来预测其他地区的暴风雨会频次更少或强度更小。下一次特大洪水可能发生在智利、西班牙、纳米比亚或者澳大利亚西部。

加利福利亚人以及沿西海岸的所有居民应该对大气河所带来的威胁提高警惕，并且应该对暴风雨以及洪水的相关预报认真对待。规划人员、市以及州领导也应该在决定未来投资时考虑到大洪水的因素。前事不忘，后事之师。

本文译者：傅慎明是中国科学院大气物理研究所副研究员，承担了梅雨期大别山地区中尺度涡旋的活动特征及演变机理研究等项目。

本文审校：孙建华是中国科学院大气物理研究所研究员，研究方向为中尺度高影响天气发生、发展机理与预测理论，特别是在暴雨中尺度系统的机理研究方面取得了进展。