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NO.2385- 大氣河突襲美國
作者：小凱
校稿：辜漢膺 / 編輯：闆栗
1 月 14 日，正當中國多地迎來寒潮，給 2023 年帶來第一場降雪的同時，躲過此前超級寒潮的美國加利福尼亞州卻再次出現大風雨雪天氣。
2022 年的最後一天，加州迎來了創紀錄的大雨
自此之後，雨雨雨，淹淹淹不停歇了
（1 月 10 日聖巴巴拉山洪暴發 圖：壹圖網）▼
連續幾天強降水引發的洪水造成至少 19 人死亡、高速公路關閉和大面積斷電。到夜間，加州的 58 個縣中有一半以上被宣布為災區，近 2600 萬人處于洪水警報之下。
2022-12-26~2023-1-9
這期間，全州的降雨量總計就比平均水平高出大約 400-600% 了
要命的是，這還不算結束 ...
（土壤濕度對比 圖：NASA）▼
美國國家氣象局表示，雨帶和強風從北部向南擴展，預計下周初還會有更多風暴。此次洪災與一種叫做" 大氣河 "的現象有關，即一條從太平洋熱帶延伸而來的水汽輸送通道，類似天上的河流，因此而得名。
被大氣河 " 欺負 " 得毫無反手之力
（1 月 4 日，一條纖細有力的水汽帶從太平洋沖向美國西海岸）
（圖：NASA）▼
" 大氣河 " 不單美國有，在中國也并不罕見。這是靜止衛星在 2020 年 7 月 5 日 12 時拍攝的一張地球快照，橫貫中國東部地區并一直延申到日本的雲帶十分矚目。
葵花 8 号衛星雲圖，2020 年 7 月 5 日 12 時▼
此時正值 " 黃梅時節家家雨 "，在一個多月的時間内，從我國的江南、長江中下遊、江淮地區、到韓國和日本列島一帶持續出現陰雨天氣。
而在 2020 年 7 月上旬，梅雨似乎格外的強。在 7 月 5 日前後一周内，長江中下遊地區降水量超過 210 毫米，而在常年，整個梅雨期也不過降水 280 毫米左右。
2020 年的梅雨期降雨量為 1961 年以來曆史最多
降水時間與 2015 年并列為 1961 年以來曆史最長▼
由于其超強的造雨能力，這次梅雨被大家稱為 " 超級暴力梅 "。為了進一步探究梅雨如此 " 暴力 " 原因，氣象學家借助衛星，從高空觀察整個東亞地區。
分析衛星接收到的地球大氣向外發射的微波信号，通過數學方法推算出大氣各個高度上的水汽含量，氣象學家發現在梅雨鋒的位置上水汽聚集成帶，再結合數值模型推算出風的大小，一條長 6265 公裡、寬 670 公裡、深 4 公裡的 "空中懸河" 浮現出面貌。
水汽在高空彙聚成了一條 " 河流 "
( 2020 年 7 月 5 日 11 時 , 700 hPa ) ▼
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這裡有一條空中懸河
這條 " 空中懸河 " 當天在長江中下遊地區上空的水汽輸送量是該區域長江夏季徑流量的将近十倍，氣象學家将其形象的稱為 " 大氣河 "。雖以 " 河流 " 為名，但是它和真實的地表河流還有很大的區别。
大氣河是從熱帶延伸到高緯度地區富含水汽的走廊
它們可以在短時間内産生大雨和降雪
（圖：NOAA）▼
首先，大氣河輸送的主要是水蒸氣而不是液态水，所以，盡管在長度上與長江相當，但是由于水蒸氣不像液态水一樣聚集水分，寬度和深度很大，不能與長江相比。
其次，大氣河從發生到消亡經曆幾天到十幾天，并且位置随着風場不斷移動和變化，換而言之，大氣河隻是短暫且偶然地出現或經過，不像地表河流可以沿固定路徑穩定地輸水。
與地表真正的河流不同，大氣河是在随時移動的
它并不會在一個地方停留太久
（2014 年 12 月太平洋和美國西南部出現的一條大氣河）
近年來，氣象學家意識到梅雨和大氣河之間似乎存在着緊密的聯系。以 2020 年江淮梅雨期為例，與大氣河相關的降水占總降水的 50%-80%，同時，伴随大氣河的降雨的強度是沒有大氣河時的 6-12 倍。還有一部分科學家們相信 " 超級暴力梅 " 的發生和大氣河超出常年的變化不無相關。
除了梅雨，很多暴雨中也有大氣河的蹤迹。有研究人員稱，發生在去年 7 月份連續兩場造成重大損失的京津冀 7 · 12 暴雨和河南 7 · 20 暴雨中，都有強盛的大氣河發生，在高空中向雨區輸送源源不斷地水汽。
台風煙花與鄭州之間事實上形成了一條水汽走廊
将大量水汽輸送到鄭州上空▼
一項對于 2016 年 7 月 20 日發生在北京特大暴雨的研究中，揭示了大氣河促進暴雨發生的可能機制。在 19 日 1 時到 21 日 6 時，29 個小時内，全市平均降雨達到了 210.7 毫米，有 8 個國家基準氣候站（全國共 143 個）的紀錄被打破。
在此次暴雨過程中，西伸的副熱帶高壓和青藏高原之間夾着一條強烈的東北向的大氣河，大量北上的水汽遇到燕山山脈的阻擋形成劇烈的降雨，促成了此次暴雨。
東海龍王表示他隻是出來遛個彎
沒想到搞出這麼大動靜
( 2016 年 7 月 20 日 11 時 , 700 hPa ) ▼
根據曆史資料的統計研究表明，在夏季，東部地區全部降水中與大氣河有關的降水占到 10%-20%，但是如果不計算總降水中的占比，而是計算以暴雨為主的極端降水時，這個占比達到 30%-60%。
這說明為了理解東部地區的暴雨發生機制，減少洪澇災害的損失，氣象學家必須了解大氣河的發生機制和演變邏輯。
中國東部氣候與大氣河
我國東部地處世界上最大的季風區，夏季南風帶來充沛降水，冬季北風帶來幹冷天氣。對于東部地區來說，冬季降水雖然相比于夏季降水來說很少，但是其異常地變化也可能造成重大災害。
南方冬季降水過多時容易造成濕害，影響多種作物的根系生長，降水過少則不利于作物過冬和次年的春耕。另外，偏多的冬季降水也可能造成雪災或者凍雨，例如，2008 年中國南方的雪災造成了 129 人死亡，受災人口更是超過 1 億。
地球大氣一個微小的變化
落到地球生物身上可能就是災難性的巨變
（圖：wiki）▼
厄爾尼諾 - 拉尼娜現象是很多地區的氣候波動背後最主要的影響因素，它也顯著地調制着東亞大氣河的變化，進而影響我國的降水過程。
研究表明，在我國東部地區與大氣河，在厄爾尼諾年的冬季，我國東部地區的降水偏多，其中 60% 的變化是增加的大氣河發生頻率導緻的，可能造成暴雪災害的極端降水的變化亦是如此；拉尼娜年則相反，東部地區總降水和極端降水都偏少，其中大氣河變化的貢獻舉足輕重。
在全球範圍來看，厄爾尼諾 - 拉尼娜現象
都與大氣河的發生有着千絲萬縷的聯系
大氣河的變化不僅在幾年間顯現出明顯波動，而且在幾十年的時間尺度上深刻地參與着氣候變化。過去一個多世紀以來，包括中國東部地區在内的各個地方的氣候已經且正在發生着難以逆轉的變化。
" 南澇北旱 " 是我國東部地區氣候變化重要的内容之一。所謂 " 南澇北旱 "，指的是上個世紀下半葉以來，我國華南降水逐漸增多、華北降水逐漸減少的同步變化。最近的研究表明，這場 " 南澇北旱 " 的變局背後有 "大氣河" 的身影。
( 紅 ( 藍 ) 點表示在 0.05 水平上具有顯着正 ( 負 ) 趨勢的網格 )
( 圖：Qiang Wang, Long Yang ) ▼
過去 70 年來，中國長江以南地區的每年有越來越多的大氣河發生，華北地區卻越來越少。具體而言，長江以南地區在本世紀 10 年代發生大氣河的年平均日數已經比上世紀 50 年代增加了 9-12 天，華北地區則增加了 3-6 天。
大氣河 " 南增北減 " 的變化與所謂 " 南澇北旱 " 的年平均降水的變化趨勢一緻。進一步的研究說明了，該一緻性實際上表示了大氣河的變化對年降水的變化具有顯著貢獻，在北方地區可達 49%，南方地區相對較少，在 10-30% 之間。
東亞大氣河年頻率變化趨勢對年降水變化趨勢的貢獻率
（圖：Qiang Wang, Long Yang）▼
美國西海岸的 " 菠蘿快車 "
" 大氣河 " 這個概念其實不是中國氣象學家的首創，而是一個 "舶來品"。1994 年，華裔科學家朱勇和合作者紐威爾首次在發表的論文中提出了大氣河（Atmospheric Rivers）。
他們使用了歐洲中期天氣預報中心的數據計算了全球的水汽輸送情況，發現窄而長的帶狀結構可以輸送與亞馬遜河相當的水分。當然，他們并沒有選用長江作比較。
大氣河在尺度上往往是巨大的
有時大氣河流所攜帶的水量可以是普通地表河流的數倍
（連接亞洲和北美的一條大氣河 圖：NASA）▼
美國人更加關注大氣河的原因來自對美國西海岸不安分的 " 降雨 "的擔憂。每年冬季，大氣河常常連接夏威夷島附近和美國西海岸，太平洋熱帶的水蒸氣可以沿着大氣河直接輸送到落基山脈，遇到阻擋後往往引發猛烈地降雨。
美國西部最強的大氣河
通常能造成數億美元的損失
（2021 年 10 月襲擊加利福尼亞州的大氣河 圖：NOAA）▼
由于夏威夷盛産菠蘿，這條時不時就出現的大氣河被形象的稱為 "菠蘿快車"。
從夏威夷北部到華盛頓的 " 菠蘿快車 "
這列快車每年集中在每年 1 月和 2 月發車，根據美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的估計，單次降水過程，即可為美國西部帶來年降水量的 30-50%。
車速過快時，一不小心就會給西海岸帶來洪澇災害，2014 年 12 月就曾造成過加州大面積斷電；有時也能深入内陸造成破壞，去年 6 月，主要位于美國内陸懷俄明州的黃石公園，因為一次大氣河過程造成的洪水被迫關閉。
西海岸各州的美國居民和大氣河已經是 " 老相識 " 了
（一場強風暴給舊金山灣地區帶來了超強的大氣河）
（2021 年 10 月 24 日拍攝的衛星圖像 圖：NASA）▼
大氣河常常通過強降水與地表河流聯手
用洪水洗涮大地
（2006 年大氣河導緻華盛頓州斯蒂拉瓜米什河發生洪水）（圖：wiki）▼
大氣河對美國西海岸的天氣變化和水資源供應如此重要，美國人在上世紀末就開始籌劃加強對大氣河的研究并加強氣象部門的預報能力。
1998 年，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的拉爾夫等人搭乘重型飛機在北太平洋上空的大氣河内觀測并收集數據，從那時起，他一直緻力于研究大氣河并構建大氣河預報系統。時至今日，一套良好的預報系統為保障民衆生活發揮着重要作用。
大氣河的發生機制
大氣河常與溫帶氣旋相伴，兩者的形成相關。溫帶氣旋是發生在中高緯度地區的一種低壓天氣系統，由于氣旋中常有鋒面結構，所以也被稱為鋒面氣旋。
溫帶氣旋一般是大範圍冷暖空氣碰撞的産物▼
通常氣象學家會根據溫帶氣旋的發生區域和移動路徑給經常出現的氣旋命名，比如，蒙古氣旋、東北氣旋、黃淮氣旋、江淮氣旋等。
溫帶氣旋常導緻風雨天氣，有時伴有暴雨或強對流天氣
往往是洪澇災害發生的 " 元兇 "
（2016 年 7 月導緻北京等地發生特大暴雨的黃淮氣旋）
溫帶氣旋的結構可由 "三條帶" 簡單總結，也就是氣旋内部主要存在三股氣流：
第一支氣流被稱為暖輸送帶，它起源于暖區中偏南地區，平行于冷鋒向北運動，在鋒面上方上升，最終在地面氣壓中心的東北側轉為西風；
第二支氣流被稱為冷輸送帶，起源于對流層低層，相對于東移的氣旋中心向西運動；
第三支是幹氣流，它來自對流層高層，進入氣旋中心後随着暖輸送帶上升。
氣旋中的三股氣流▼
三股氣流螺旋交彙，容易形成 "逗點雲系"，在衛星雲圖中一目了然。" 逗點雲系 " 席卷了幹冷和暖濕空氣，在交界地方溫度變化劇烈形成鋒面，幹冷氣流的一側不易成雲降雨，暖濕氣流一側則被雲覆蓋。
" 逗點雲系 " ▼
（2014 年英國上空的溫帶氣旋 圖：NASA）▼
大氣河就形成在暖輸送帶中。窄而長的暖輸送帶内聚集了大量的水汽，源源不斷地向氣旋運送，到達氣旋内部後劇烈的上升運動又會将水汽凝結為水滴。水汽就這樣成為了能量的載體，通過相變釋放凝結潛熱為氣旋提供發展的動力。
大氣河流實際上是由一系列
處于不同生命周期的溫帶氣旋組成
除此之外，東亞地區的大氣河的位置也受到副熱帶高壓的影響。
中國夏季主雨帶常常落在副熱帶高壓北側，其中重要的原因就是來自海洋表面的水汽受到副熱帶高壓的引導，在其周圍形成輸送通道。如果此時陸地上再有氣旋靠近，兩者共同作用下水汽輸送就會格外強烈，容易形成暴雨。
上文提到的 2016 年 7 月 20 日北京特大暴雨正是這種情況，在強烈的黃淮氣旋和副高的雙重加持下，大量水汽在異常強烈的大氣河輸送下到達燕山腳下，遇到陡峭的地形上升後迅速凝結成雨。
這倆強強聯手，堪稱無情的抽水機
将來自海洋表面的水汽一股腦傾瀉在華北地區▼
" 大氣河 " 這個概念的提出相對比較晚，受到廣泛關注也就是近十幾年的事，我國的學者在東亞地區的大氣河研究方面更是剛剛起步。
通過衛星和數值模型，我們看到了關于這顆藍色星球未曾想象過的新圖景。注視着一條條蜿蜒曲折的巨龍，我們猛然發現，原來我們從未真正想過熱帶遙遠海洋的水汽是如何不遠萬裡來到身邊。
弄清楚盤旋在高空的 " 巨龍 " 的脾氣
日後才能更好地與之相處
( 源于東南亞的大氣河穿過北太平洋在阿拉斯加東南部登陸 )
( 圖：Ruping Mo）▼
對于科學研究來說，這個新概念意味着從一個新的角度審察已經熟悉的知識體系，或将成為帶來新認知的契機；對于實際應用來說，增加對大氣河的認識将有助于改善我們對于極端降水、洪澇災害、幹旱的預報和應對能力。
最後：
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* 本文内容為作者提供，不代表地球知識局立場
封面：壹圖網
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