1861年聖誕節前夕，來自太平洋的強烈暴雨開始襲擊加利福尼亞州中部，並幾乎持續不斷地下了43天。傾盆大雨迅速將內華達山脈沿州東部邊界流下的河流變成洶湧的洪流，沖走了整個社群和礦區。河流和雨水湧入該州廣闊的中央山谷，將其變成一片長300英里、寬20英里的內陸海。數千人喪生，估計該州80萬頭牛中有四分之一被淹死。薩克拉門託市中心被10英尺高的棕色泥水淹沒，其中充滿了該地區陡峭山坡上無數次泥石流帶來的碎片。加利福尼亞州立法機構癱瘓，遷往舊金山，直到薩克拉門託乾涸——六個月後。到那時，該州已經破產。
如果今天發生類似的事件，破壞性將難以置信地更大。中央山谷是超過600萬人的家園，其中140萬人在薩克拉門託。這片土地每年生產約200億美元的農作物，包括全球70%的杏仁——而且由於過度抽取地下水，部分地區海拔下降了30英尺，使得這些地區更容易發生洪水。科學家最近模擬了一場持續僅23天的類似無情風暴，結論是，即使是這次較小的侵襲也會造成4000億美元的財產損失和農業損失。除非做好充分的準備和疏散工作，否則可能會有數千人喪生。
1861-62年的洪水是一次偶然事件嗎？似乎不是。對廣泛地區沉積物的新研究表明，這種規模的災難性洪水在過去至少兩千年中，大約每兩個世紀就會淹沒加利福尼亞州一次。1861-62年的風暴也襲擊了從墨西哥北部和加利福尼亞州南部到不列顛哥倫比亞省的海岸線，造成了有記錄以來最嚴重的洪水。氣候科學家現在假設，這些洪水以及世界其他幾個地區的類似洪水，是由大氣河流造成的，這是一種您可能從未聽說過的現象。他們認為，至少加利福尼亞州再次發生這種洪水只是時間問題。
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十條密西西比河，一英里高
大氣河流是在大氣中約一英里高度形成的長條水汽流。它們寬度僅為250英里，但延伸數千英里——有時跨越整個海洋盆地，例如太平洋。這些水汽輸送帶從熱帶地區攜帶相當於10到15條密西西比河的水量，並跨越中緯度地區。當其中一條到達美國西海岸並撞擊內陸山脈，如內華達山脈時，它會被迫上升、冷卻並凝結成大量降水。
北美西海岸的人們長期以來都知道一種名為“菠蘿快車”的風暴，這種風暴從夏威夷附近的熱帶地區湧入，傾瀉三到五天的暴雨和暴雪。事實證明，它們只是大氣河流的一種形態。最近的調查顯示，每年有多達九條大氣河流襲擊加利福尼亞州。其中很少有強大到足以產生真正的特大洪水，但即使是“正常”的風暴也與美國其他地區的暴雨一樣強烈，因此它們對緊急救援人員以及防洪部門和水務管理者都構成了挑戰。
大氣河流也給其他大陸的西海岸帶來降雨，並且偶爾會在不太可能的地方形成。例如，2010年5月發生在納什維爾及其周邊的災難性洪水——造成約30人死亡和超過20億美元的損失——就是由一條不尋常的大氣河流引起的，該河流從墨西哥灣向北延伸到田納西州，帶來了連續兩天的暴雨。2009年，英格蘭南部和西班牙各地的大規模洪水也是由大氣河流引起的。但這種現象在太平洋沿岸最容易理解，最新的研究表明，隨著氣候變暖，這些水汽河流未來可能會變得更大。
突然的發現
儘管大氣河流具有令人難以置信的破壞力，但它們只是在相對較近的時間才被發現，部分原因是偶然。
1998年1月，美國國家海洋和大氣管理局的環境技術實驗室啟動了一個名為CALJET的專案，旨在改進對襲擊加利福尼亞海岸的大型風暴的預報。該實驗室的研究氣象學家馬蒂·拉爾夫和其他人駕駛特製飛機飛越北太平洋，進入即將到來的冬季風暴，直接測量情況。那場風暴被描述為“急流”——一個高風區。研究人員發現，這場單獨的風暴連續幾天攜帶了大氣中約20%的向極地移動的溼氣。急流集中在海面以上約一英里的高度，高度足以使其難以透過地面傳統氣象觀測來識別。
同樣在1998年，麻省理工學院的 Yong Zhu 和已故的 Reginald Newell 注意到歐洲中期天氣預報中心製作的全球風和水汽模式模擬中存在一個奇怪的特徵。他們發現，在熱帶地區以外，平均約95%的向極地水汽輸送發生在僅五到六個狹窄帶中，這些狹窄帶在全球範圍內隨機分佈，從中緯度地區自西向東移動。為了描述這些帶，他們創造了“大氣河流”一詞。
大約在同一時間，搭載新型特殊感測器微波成像儀的衛星首次提供了全球水汽分佈的清晰而完整的觀測結果。影像顯示，水汽傾向於集中在狹長、移動的通道中，這些通道最常從溫暖、潮溼的熱帶空氣延伸到熱帶地區以外的乾燥、涼爽地區。這些觸角出現後又會在幾天到幾周的時間尺度內瓦解。
毋庸置疑，研究人員很快將這三個非常互補的發現聯絡起來。從那時起，科學家們進行了越來越多的研究，以更好地描述西海岸的大氣河流。已經建立了新的具有向上雷達和測風儀的觀測站來監測它們。美國國家海洋和大氣管理局的水文氣象試驗檯計劃正在更深入內陸地區進行研究，以瞭解大氣河流滲透到內陸時會發生什麼。
利用這些網路的資料，預報員越來越擅長在天氣模型中識別大氣河流，並預測它們到達西海岸的時間。近年來，一些風暴在襲擊陸地一週多前就被識別出來。大氣河流也出現在用於預測未來氣候變化的氣候模型中。預報員對自己的預測能力越來越有信心，開始比過去更早地向公眾發出關於特大暴雨的警告。這種改進為應急管理者提供了額外的準備時間。
每世紀一次特大洪水？
儘管科學認識有所提高，但1861-62年的洪水幾乎已被今天的人們遺忘。加利福尼亞州和西部的社群、工業和農業運營部門在過去一個世紀中，已經擴充套件到150年前被淹沒的許多洪泛區。各地的居民都沒有意識到或不警惕生命和財產面臨的明顯風險。與此同時，焦慮的氣候學家擔心越來越多的證據表明，特大風暴可能會再次發生，而且很快就會發生。
這種擔憂源於一項研究，該研究回顧了2000年的歷史，以拼湊證據，揭示過去洪水的發生和頻率，就像偵探回到很久以前的犯罪現場一樣。他們正在篩選湖床、洪泛區、沼澤和海底盆地沉積物中存檔的證據。當洪水沿著斜坡和陸地奔流而下時，它們會沖刷山丘，捲起粘土、淤泥和沙子，並將這些物質帶入洶湧的水流中。當河流到達洪泛區、沼澤、河口或海洋時，流速減緩，它們會釋放出沉積物：首先是較大的礫石，然後是沙子，最後是淤泥和粘土。自然會在這些事件後重建，隨著時間的推移，洪水沉積物本身會被正常天氣留下的較新沉積物掩埋。科學家從這些沉積物中提取垂直巖芯，並在實驗室中分析儲存的層，並確定發生的時間。
例如，在加利福尼亞州北部舊金山灣周圍的潮汐沼澤下發現了洪水沉積物。通常，流入沼澤的河水只會沉積最細的沉積物——粘土和淤泥的薄層痕跡。特大洪水的更猛烈水流會攜帶更大的顆粒，並沉積更厚更粗糙的層。洪水層可以使用常見的放射性碳測年法進行測年，該方法在此應用中的精度約為100年。我們其中一位作者（英格拉姆）和地理學家弗朗西斯·馬拉穆德-羅姆對沼澤巖芯的研究揭示了公元1100年、1400年和1650年左右發生的特大洪水的沉積物。然而，1861-62年事件的獨特層很難區分，因為洪水發生前後的十年間，內華達山脈山麓的水力淘金活動移動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跡。
從舊金山灣本身下方提取的沉積物巖芯也表明，1400年該海灣充滿了淡水（就像1861-62年事件期間一樣），表明發生了特大洪水。
地質學家在加利福尼亞州南部發現了更多證據，該州今天居住著該州近3800萬人口的三分之二，沿著聖巴巴拉海岸。那裡的沉積物每年春天都會沉降到海底（形成一層淺色的藻類層，稱為矽藻），冬天再次沉降（形成一層深色的淤泥層）。由於那裡的深水中的氧氣濃度對於通常會翻動和挖掘的底棲生物來說非常低，因此每年的沉積物層數千年來一直保持著驚人的未受干擾狀態。那裡的沉積物巖芯揭示了六次明顯的特大洪水，它們以公元212年、440年、603年、1029年、1418年和1605年的厚灰色淤泥層形式出現。最近的三個日期與舊金山灣周圍沼澤沉積物顯示的約1100年、1400年和1650年的日期非常吻合——證實了真正廣泛的洪水每隔幾百年就會發生一次。（10月，密歇根大學的英格麗德·亨迪和她的同事發表了一篇基於不同測年方法的論文；它發現聖巴巴拉的一組日期與這六個特定日期相差100到300年，但大約每200年發生一次特大洪水的相同基本模式仍然成立。）
聖巴巴拉盆地最厚的洪水層是在1605年沉積的。沉積物厚達兩英寸，位於離岸幾英里處。440年和1418年的洪水各自留下了超過一英寸厚的沉積層。相比之下，巖芯頂部附近分別由1958年和1964年的大型風暴留下的沉積層分別為0.24英寸和0.08英寸，這兩次風暴是上個世紀最大的風暴之一。早期的三次洪水一定比我們所見過的任何一次都更嚴重。
在舊金山灣東北約150英里的一個小湖泊小帕克湖的沉積物巖芯中也發現了巨大洪水的證據，該湖泊位於加利福尼亞州北部最大河流薩克拉門託河的洪泛區。在特大洪水期間，富含沉積物的洪水會溢入湖中，沉積物沉降到湖底，形成厚而粗糙的沉積層。加州大學伯克利分校的地理學家羅傑·伯恩和他的研究生唐納德·G·沙利文使用放射性碳測年法確定，在以下時間段中的每一個時間段都發生了一次與1861-62年災難相當的洪水：1235-1360年、1295-1410年、1555-1615年、1750-70年和1810-20年。也就是說，每100到200年發生一次特大洪水。
某些特大洪水還在加利福尼亞州西北角克拉馬斯山脈的狹窄峽谷中留下了它們經過的記錄。大約在1600年和1750年，再次與其它資料一致，沉積了兩個特別巨大的沉積物。
當所有歷史證據放在一起時，表明1605年的洪水至少比任何其他特大洪水大50%。儘管放射性碳測年法具有很大的不確定性，如果測年方法改進，可能會重新解釋，但令人不安的底線是，與1861-62年洪水一樣大或更大的特大洪水大約每兩個世紀就會正常發生一次。距那場災難已經過去150年了，因此加利福尼亞州似乎很快就會再次發生這種情況。
災難更可能發生
具有諷刺意味的是，在加利福尼亞州上空形成的大氣河流並非都是壞事。每年出現的小型河流是重要的水源。透過分析近幾十年大氣河流給美國西海岸帶來的雨雪量，以及關於長期降水、積雪和河流流量的記錄，研究人員發現，在1950年至2010年期間，大氣河流在每年僅10天的時間裡就提供了加利福尼亞州30%至50%的水資源。他們發現西海岸其他地區的情況也類似。然而，在同一時期，這些風暴也造成了加利福尼亞州河流中80%以上的洪水，以及加利福尼亞州中央山谷128起有詳細記錄的堤壩決堤事件中的81%。
由於大氣河流在洪水中扮演著可怕的角色，在供水中扮演著至關重要的角色，因此人們自然會想知道，隨著氣候變化越來越牢固，大氣河流會發生什麼變化。回想一下，朱和紐厄爾最初創造“大氣河流”一詞是為了描述他們在天氣計算機模型中觀察到的特徵。這些模型與用於預測溫室氣體濃度升高未來後果的模型密切相關。科學家們並沒有將大氣河流編入天氣和氣候模型；當模型被釋放以模擬過去、現在或未來時，河流會作為大氣和大氣水迴圈運作的自然結果而出現。因此，河流也出現在政府間氣候變化專門委員會評估中使用的氣候預測模型中。
我們其中一位作者（德廷格）最近對來自世界各地的七種不同氣候模型進行的回顧表明，大氣河流很可能在整個21世紀繼續抵達加利福尼亞州。在預測中，由於溫室氣體濃度升高，氣溫平均升高約華氏4度。由於較溫暖的大氣層可以容納更多的水汽，大氣河流可能會攜帶更多的水分。
另一方面，由於預計熱帶地區和極地地區的升溫速度不同，中緯度太平洋上空的風預計會略有減弱。大氣河流產生的降雨主要取決於它們所含水汽的量以及它們的移動速度，因此問題就出現了：更潮溼的空氣還是更弱的風會佔上風？在七個氣候模型中的六個模型中，到2100年，未來大氣河流輸送到加利福尼亞州的平均雨雪量平均增加約10%。更潮溼的空氣勝過了更弱的風。
所有七個模型都預測，每年抵達加利福尼亞海岸的大氣河流數量也將增加，從歷史平均水平約9條增加到11條。所有七個氣候模型都預測，偶爾會出現比任何歷史特大風暴都更大的大氣河流。鑑於大氣河流在加利福尼亞州洪水中發揮的顯著作用，即使是這些適度的增加也令人擔憂，需要進一步調查以確定預測是否可靠。
準備時間到了
隨著大氣河流可能變得更加頻繁和更大，並且現在有如此多的人居住在其路徑中，社會明智的做法是做好準備。為了提供一個加利福尼亞州應急管理者可以用來測試其當前計劃和方法的示例，美國地質調查局的科學家最近開發了本文開頭提到的情景：一場規模與1861-62年風暴相當，但持續23天而不是43天的特大風暴（因此沒有人會聲稱該情景不切實際）。為了進一步確保最終被稱為ARkStorm（大氣河流1000風暴）的情景儘可能真實，科學家們透過將過去50年中加利福尼亞州兩次最大風暴序列的資料拼接在一起構建了它：1969年1月和1986年2月。
當專案負責人將ARkStorm事件輸入各種天氣、徑流、工程和經濟模型時，結果表明，持續的洪水可能會發生在加利福尼亞州北部和南部的大部分低窪地區。這種洪水可能導致150萬人疏散。高水位、數百次山體滑坡和某些地點的颶風級大風造成的破壞和中斷可能會造成4000億美元的財產損失和農業損失。長期的商業和就業中斷可能會使最終總成本超過7000億美元。根據近年其他地方發生的災難，我們認為如此廣泛的災難可能會造成數千人死亡（ARkStorm模擬沒有預測死亡人數）。
成本約為同一美國地質調查局專案成員估計的ShakeOut災難情景成本的三倍：ShakeOut災難情景是南加利福尼亞州假想的7.8級地震。看來，大氣河流特大風暴——加利福尼亞州的“另一個大事件”——可能比大地震給金州帶來更大的風險。ARkStorm事件對於加利福尼亞州來說是合理的，甚至可能是不可避免的。而且該州的防洪系統並非旨在應對這種情況。唯一的優勢是，今天，憑藉改進的科學和技術，特大風暴很可能在幾天到一週多的時間內被預測出來。適當的規劃和不斷努力改進預測可以減少損失和生命損失。
同樣的希望和警告也適用於其他大陸的西海岸。科學家們對加利福尼亞州海岸沿線的大氣河流進行了比世界上任何其他地方都更深入的研究，但他們幾乎沒有理由期望其他地方的風暴會不那麼頻繁或更小。下一次特大洪水可能發生在智利、西班牙、奈米比亞或西澳大利亞。
加利福尼亞人以及西海岸沿線的所有人，都應該意識到大氣河流造成的威脅，並應認真對待風暴和洪水的預報。規劃者以及城市和州領導人也應在決定未來投資時注意這一點。忘記過去的人很可能會重蹈覆轍。
本文將以“即將到來的特大洪水”為題發表在印刷版上。