更精確的大氣河流預報為應急規劃人員爭取到更多時間為洪水做準備

編者注（2023年3月13日）：大氣河一直以創紀錄的降雨量和積雪深度淹沒加利福尼亞州，造成洪水。這些情況已被很好地預測和準確預報。《大眾科學》最近解釋了氣象學家是如何在如此短的時間內更好地完成這項工作的。

我在舊金山市中心西爾斯美食餐廳吃早餐，隨意地看著櫃檯後面的電視螢幕上播放的當地五天天氣預報。底部的一個小符號顯示，今天剩下的時間都是晴朗的太陽。星期三有一個友好的雲朵和幾滴雨點，星期四有一個黑暗、威脅性的雲朵，雨點更重。我知道星期四的情況會比符號傳達的要糟糕得多。我一直在研究詳細的衛星資料和天氣模型，它們表明一條主要的大氣河（AR）很可能襲擊這座城市。這個符號完全不足以傳達即將到來的風暴的威脅。

大氣河本質上是天空中的水蒸氣河流，被強勁的低空風推動，有時速度達到颶風級別。氣象界直到 2010 年代初才正式定義它們，此前，改進的衛星成像和科學揭示了這些風暴是如何在遙遠的海洋上形成的。當它們襲擊各大洲的西海岸時，它們可以增長到 2000 英里長、500 英里寬和兩英里深。一條普通的大氣河帶來的降雨量遠遠超過世界那些地區的典型降雨或雷暴，輸送的水汽量相當於密西西比河注入墨西哥灣流量的 25 倍。

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這些風暴可能會造成災難性的洪水，包括某些地區一個世紀以來可能遇到的最大洪水。它們可能會成群結隊地出現——一系列風暴，彷彿在跑步機上滾滾而來。每年有幾次，它們會襲擊美國、加拿大、歐洲、非洲、南美洲和紐西蘭的西海岸。它們也可以到達內陸深處：今年六月撕裂黃石國家公園道路並迫使公園關閉的洶湧陸地河流，在很大程度上是由一條異常強烈的大氣河推動的。

大氣河並不總是具有破壞性；有時它們會為乾旱地區帶來受歡迎的雨水。它們可以有益地增加積雪，並幫助填滿天然和人造水庫。然而，很難提前幾天以上知道風暴究竟會在哪裡登陸。儘管它們很大，但它們也可能變化莫測，因為從海面溫度到高空冷空氣團，許多因素都會影響它們的程序。

就在大氣河預計襲擊舊金山的同一天，我計劃在 2016 年美國地球物理聯合會會議上展示關於這些風暴的新見解。電視天氣圖示的不足之處讓我震驚，我發誓要完成大氣河的強度等級——我和同事們討論了一段時間的預報和通訊工具。我設想在螢幕上為星期四顯示一個方形黃色框，其中以粗體黑色字元顯示風暴系統的等級，類似於颶風被劃分為 1 到 5 級的方式，而不是太陽或雲的簡單圖示。這種等級將使天氣預報員、應急規劃人員、安全人員和水庫管理人員以及公眾能夠更好地為潛在的洪水、交通中斷、電線杆倒塌、泥石流或疏散做好準備。

國家氣象局 (NWS) 預報員提供正式的觀察和警告，這些觀察和警告會觸發眾多地方官員採取行動。在舊金山的那一週，一些專家正在關注由加州大學聖地亞哥分校斯克裡普斯海洋研究所的西部天氣和水極端中心 (CW3E) 開發和提供的一套新穎的大氣河預報工具，我在那裡工作。這些工具跟蹤 10 個或更多變數，包括幾千英尺高空的風，以及水蒸氣的水平運動，這些變數顯示了大氣河襲擊海岸線的機率。為了建立一個清晰且令人信服的等級系統，我們需要將這 10 個變數簡化為兩個量，這兩個量代表即將到來的大氣河的強度和持續時間。

我們設計的等級從 AR1（主要是有利的降水）到 AR5（主要是危險的）。目標是促使人們密切關注初始強度級別以及隨後的任何變化，因為強烈的 AR 可能會在數小時到數天的時間內衝擊沿海或內陸山區，帶來大量的雨雪，迫使地面人員定期重新評估行動。

我們的團隊於 2019 年在《美國氣象學會公報》上釋出了 AR 等級。風暴在該等級上的排名反映了每次科學家首次看到大氣河正在形成時幕後發生的大量工作。過去兩年襲擊美國西海岸的幾起強大氣河案例研究表明，研究人員和天氣預報員在告知應急規劃人員和水資源管理人員風暴將帶來有利於補充供水的降雨，還是會跨越閾值進入洪水和山體滑坡方面做得更好了。

透過加強準備，官員可以降低財產和生命風險，並瞭解如何最大限度地提高蓄水量。2021 年 1 月，一場大氣河導致加利福尼亞州大蘇爾海岸沿線的懸崖邊道路發生嚴重山體滑坡，但沒有造成一人死亡，這表明官員們可以很好地利用最新的預報科學來觀察這些風暴並管理後果。這種情況下的知識、預報和結果說明了更好的預報和溝通在幫助各地西海岸為大型風暴做好準備方面的全部潛力。

拯救生命

在 2021 年 1 月下旬，研究人員可以看到太平洋上空的大氣模式正在形成，將給北美西海岸帶來另一次極端事件。問題是大氣河將在哪裡登陸以及強度如何。研究人員之間的緊張氣氛迅速升溫；在全球某些地中海氣候地區，水通常是一種稀缺資源，因此居民、農民和企業主都歡迎降雨。但當然，洪水暴雨會破壞農業、基礎設施和生命。

在太平洋西北地區，河流在連續數週的暴雨後仍然水位很高。那裡的人們最不需要的就是另一場潮溼的風暴。在一直乾旱的加利福尼亞州，幾英寸的降雨會帶來急需的緩解，但一場浸透性降雨可能會在已被野火剝蝕的陡峭山坡上引起山體滑坡。

1 月 20 日，一個由大氣科學家、氣象學家、飛機機組人員和位於 CW3E 的機構間大氣河偵察指揮中心的工作人員組成的團隊決定派遣資料收集飛機進入正在合併的風暴。儘管衛星和海洋浮標資料對於天氣模型至關重要，但它們無法充分監測大氣河的位置、強度或水蒸氣含量，部分原因是與大氣河相關的多雲或多雨條件可能會阻礙衛星資料收集或使其不太準確。偵察飛行彌補了這些差距。

兩天後，美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 駕駛的一架 G-IV 噴氣式飛機爬升到夏威夷以西海洋上空 40,000 英尺的高度。每隔大約 10 分鐘，持續幾個小時，它就會釋放投落式探空儀——小型儀器，它們透過降落傘漂浮下降約 20 分鐘，並測量風速和風向、水蒸氣、溫度和壓力。這些儀器將資料無線電傳輸回飛機，飛機將其傳送到全球天氣資料中心，天氣預報模型從中提取資料以開始下一次預報，通常每 6 或 12 小時一次。這架噴氣式飛機還操作了一個原型無線電掩星感測器，該感測器使用 GPS 衛星訊號來感知飛機側面 180 英里範圍內的氣象條件。來自大約 100 個與全球漂流浮標計劃一起部署的漂流海洋浮標的氣壓資料也正在進入資料中心。

為了緩解太平洋西北地區浸水人們的擔憂，飛行資料有助於預測大氣河將在更南的地方登陸。但降雨是對遭受乾旱的加利福尼亞州有利，還是會變得強烈而危險？

1 月 22 日深夜，CW3E 分析表明風暴強度很可能為 AR1。我們開始向區域專家傳送簡訊或電子郵件通知，這些專家在也使用標準 NWS 預報資訊的同時，將為負責地面行動的市政領導人提供建議。在聖克魯斯山脈上方，最近的野火燒燬了陡峭的山坡，消防隊長開始為山體滑坡做準備。大蘇爾的交通管理人員準備在 1 號公路沿線發生山體滑坡時關閉道路，那裡的某些山坡高出太平洋 1,000 英尺。

在美國陸軍工程兵部隊舊金山灣區辦事處和當地公用事業機構索諾瑪水務局，水庫運營商使用 CW3E 的工具和 NWS 預報來確定俄羅斯河及其支流流入大水庫門多西諾湖的流量多少是有益的，多少可能會導致洪水。如果預測的降雨量不大，他們可以保持水庫閘門關閉，以儘可能多地保留水，以備即將到來的旱季之需。

1 月 23 日，我們向夏威夷西北方向派遣 G-IV 噴氣式飛機，以測量現在成熟但移動緩慢的低壓系統，該系統正在向北泵送水蒸氣和熱量，進入來自日本和西伯利亞的快速向東移動的低壓槽的路徑。這種相互作用將影響大氣河的形成地點以及未來幾天的移動軌跡。CW3E 的工具表明，風暴可能會在加利福尼亞州達到 AR2 級別，這提高了海岸線上每個人的風險。

更高的等級促使我們進行更頻繁的飛行，包括來自美國空軍後備隊西海岸 AR 偵察基地的兩架 C-130 天氣偵察機。到 1 月 24 日，預報預測大氣河可能會在洛杉磯以北的康塞普申角附近停滯。但一些集合預報——天氣模型，它們從相同的起始時間進行多次執行，但起始條件略有不同——顯示風暴可能會在更北的地方停滯，靠近大蘇爾，那裡的火災最為嚴重。NWS 預報員釋出了警告，其中部分內容是：“大氣河邊界和相關的強降雨將在週三下午停滯在我們預報區域的最南端[靠近康塞普申角]，然後在週三晚上至週四凌晨緩慢向北移動……在我們任何火災疤痕區域，包括……週三上午的 SCU 火災複合區，都可能出現過多的降雨率……在山區，預計降雨總量為 4 到 7 英寸，但在聖克魯斯山脈高達 9 英寸，在聖露西亞山脈高達 11 英寸。”

到 1 月 26 日，大氣河的目標是在康塞普申角和聖何塞之間。AR 偵察每天執行更多工，以確定風暴將達到 AR2 或 AR3 級別並會停滯，這意味著一些不幸的沿海地區可能會經歷長達一天半的暴雨。應急準備官員預先部署了裝置和人員，以便在蒙特雷和聖克魯斯周圍的燒燬地區以及脆弱的大蘇爾 1 號公路沿線進行可能的救援。

1 月 27 日清晨，陣雨進入 NWS“NEXRAD”天氣雷達網路的視野。正如預測的那樣，一系列風暴中的第一場襲擊了海灣地區北部，但很快就穿過了那裡。門多西諾湖附近地面上的 AR 觀測站——使用垂直向上看的雷達——向預報員和水庫運營商證實，主要事件將在他們南部。風暴在該湖上產生了 2 到 3 英寸的降雨，提供了非常有益的流入。

果然，風暴在大蘇爾附近停滯為 AR3，並在兩天內降下了超過 10 英寸的雨量。附近的聖露西亞山脈降雨量更多。暴雨造成城市洪水以及火災燒燬的山坡上發生嚴重的泥石流，摧毀了房屋和商業建築，並嚴重破壞了沿海重要的 1 號公路。這條道路最終被關閉數月以進行重大維修，擾亂了交通和當地經濟。該事件成為 2021 年美國“十億美元級天氣災害”之一。

至關重要的是，沒有人喪生。初步分析表明，AR 偵察資料改進了預報，並將降水預報誤差降低了多達 50%；如果沒有它，大蘇爾的預測降雨量將遠低於實際降雨量。這有助於準確的警告和應急響應。

警告世界

隨著氣候變化帶來更多極端降雨事件，美國聯邦政府越來越關注大氣河。2021 年 12 月，NOAA 的科學諮詢委員會向國會決策者傳送了一套關於未來十年的正式建議“天氣研究優先事項”。這些建議呼籲需要關於大氣河的更好資訊，以支援水庫執行等。實施工作可能很快開始，這得益於 CW3E 專用於大氣河的超級計算機，該計算機可以執行最先進的模型，並與 NWS 合作測試資料的人工智慧分析。

在葡萄牙，大氣河也造成了嚴重的洪水，科學家最近建議預報員使用新的等級量表。南美洲南部西海岸的預報員也在考慮採用它。而且，在不久的將來，您可能會在您最喜歡的天氣應用程式或預報中看到 AR 圖示作為標準組成部分。

更好的預報可以提高社會在面對氣候變化時的復原力。僅僅在過去五年中，美國西部的主要地區就面臨著創紀錄的乾旱，隨後又遭遇了創紀錄的洪水，氣候科學家表示，這種劇烈波動在未來可能會更頻繁地發生。這些極端情況似乎是由更強的大氣河推動的，然後被更長、更熱的乾旱期隔開。

大氣河預報已經幫助水資源管理者利用即將到來的降水和徑流。以門多西諾湖地區為例，該地區位於舊金山以北 100 英里處，靠近海岸。工程師在 1959 年透過築壩俄羅斯河東支流建造了該湖，以幫助控制下游災難性的洪水。該專案還為索諾瑪縣葡萄酒產區建立了一個水庫和一個水電站。如果風暴在 1 月至 3 月期間將湖泊的水量推高到 68,000 英畝英尺以上，管理者通常會透過大壩釋放多餘的水。但如果在 3 月下旬或 4 月下旬（洪水季節結束時）才略微超過這個水平，他們會將水保留下來以備乾旱的夏季之需。然而，隨著氣候變化，自 2000 年左右以來，大多數年份春季降雨量都不足以重新注滿湖泊。

鑑於這種趨勢，以及最近一項名為“預報資訊水庫執行”的科學和工程專案，陸軍工程兵部隊於 2021 年在該水庫採用了這種新方法的五年示範。它允許運營商在風暴過後，在 68,000 英畝英尺的“保護池”之上，最多保留 11,000 英畝英尺的額外水（“緩衝池”）。只要未來幾天沒有預測到大氣河，每天都會重新考慮這個選項。如果在春季結束前沒有發生強烈的 AR，這種做法可以保留足夠的水，為 20,000 戶或更多家庭供水一年。

2020 年 1 月初，新的 AR 工具表明可能會有一場風暴來襲。當風暴來臨時，陸軍工程兵部隊水庫運營商保持大壩關閉，使湖泊部分蓄水至緩衝池限制。不久之後，又來了一場溫和的 AR，運營商保留了全部 11,000 英畝英尺的水。在冬季的剩餘時間裡，如果預報有 AR，他們會釋放額外的湖水，但沒有其他重大風暴到來。11,000 英畝英尺的水變得極其寶貴，因為那個夏天，湖泊以北和以南的俄羅斯河流域，一直到舊金山，都非常乾燥。這種方法使水資源管理者能夠在乾旱條件下更可靠地提供供水。

2021 年 11 月，在溫哥華地區，大氣河預報也至關重要，此前秋季出現了暴雨和山區降雪。兩場背靠背的 AR4 襲擊了溫哥華、其上方的山脈和大不列顛哥倫比亞省，兩天內降雨量高達 11 英寸。嚴重的洪水和山體滑坡封閉了通往該市的主要公路和鐵路線，使其與加拿大其他地區隔絕。溫哥華港是該國最大的港口，不得不在 COVID 大流行帶來的前所未有的供應鏈危機中停止運營。AR 預報幫助官員決定疏散數千人。

現在，在尚未廣泛認識到大氣河的地方，也可以進行預報。2022 年 1 月，墨西哥灣上空的一場風暴達到“極端”強度，橫跨美國東南部，並在東北部引發了一場危險的東北風暴。在南極洲，有證據表明，大氣河帶來了大部分落在冰蓋較高部分的新雪，但在 2022 年 3 月，一股溫暖潮溼的氣流被認為是造成氣溫比正常水平高出 72 華氏度的罪魁禍首，給內陸帶來了大量降雪，但沿海地區帶來了降雨和融雪。大氣河也與格陵蘭冰蓋最近的大規模融化和降雨有關。

進一步改進 AR 預報將有助於科學家確定大氣河在未來氣候變化中可能扮演的角色。在此之前，預報員的重點是加強對當地應急和水資源規劃人員的預報，包括陸軍工程兵部隊和加利福尼亞州水資源部，它們在開發和將 AR 資訊納入決策方面具有創新性。或許可以提前一天釋出即將到來的風暴的 AR 警告，或者可以更準確地預測降雨總量，從而使人們遠離危險或提高未來不可避免的乾旱期的供水可靠性。