一个周一的早晨,我正在旧金山市中心的西尔斯食品公司吃早餐,漫不经心地看着柜台后面的电视屏幕上当地五天的天气预报。底部有一个小符号,上面是一个快乐的太阳。周三有一片看起来很友好的云和几颗雨滴,周四有一片黑暗的、有威胁的云,雨滴更大。我知道周四的情况会比这个符号传达的要艰难得多。我一直在研究详细的卫星数据和天气模型,它们表明一条主要的大气河流(AR)可能会袭击这座城市。这个符号完全不足以传达即将来临的风暴的威胁。

ar本质上是空中的水蒸气河流,由强烈的低空风推动,有时以飓风的速度。直到21世纪10年代初,卫星图像的改进和科学揭示了这些风暴是如何在遥远的海洋上形成的,气象界才正式对它们进行了定义。它们可以长到2000英里长,500英里宽,2英里深,当它们袭击大陆西海岸时。在这些地区,平均一次AR带来的降雨量远远大于一场典型的降雨或雷暴,输送的蒸汽相当于密西西比河流入墨西哥湾的流量的25倍。

这些风暴会产生灾难性的洪水,包括一些地区可能会发生百年来最大的洪水。它们可能发生在家庭中——一连串的风暴,就像在跑步机上滚动一样。每年有几次,它们会袭击美国、加拿大、欧洲、非洲、南美和新西兰的西海岸。它们也可以到达遥远的内陆:汹涌的陆地河流撕裂了黄石国家公园的道路,并迫使公园在去年6月关闭,这在很大程度上是由一个非常强大的AR推动的。

自然灾害并不总是破坏性的;有时它们会给干旱地区带来受欢迎的雨水。它们可以有益地增加积雪,帮助填充天然和人造水库。然而,很难提前几天确切知道风暴将在哪里登陆。它们虽然很大,但变化无常,因为有很多力量会影响它们的发展,从海洋表面温度到高空的冷空气。

在AR预定袭击旧金山的同一天,我计划在2016年美国地球物理联合会会议上提出对这些风暴的新见解。我被电视天气图标的不足所震惊,我发誓要完成ars的强度等级,这是我和同事们讨论了一段时间的预报和通信工具。我想象的不是一个简单的太阳或云图标,而是一个方形的黄色方框,在周四的屏幕上用黑体字粗体字标出风暴系统的等级,类似于飓风被划分为1至5类的方式。这一排名将使天气预报员、应急计划人员、安全人员和水库管理人员以及公众更好地为潜在的洪水、交通中断、电线倒塌、泥石流或疏散做好准备。

国家气象局(NWS)的预报员提供正式的观察和警告,促使许多地方官员采取行动。在旧金山的那一周,一些专家正在使用一套新颖的增强现实预测工具,由加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的西部天气和水极端事件中心(CW3E)开发和提供,我就在那里工作。这些工具追踪了10个或更多的变量,包括几千英尺高空的风,以及水蒸气的水平运动,这些变量显示了AR击中海岸的几率。为了制作一个清晰且令人信服的排名系统,我们需要将这10个变量简化为两个数量,分别代表即将到来的AR的强度和持续时间。

我们设计的尺度从AR1(主要是有益降水)到AR5(主要是有害降水)。目标是促使人们密切关注最初的强度水平和随后的任何变化,因为强烈的自然灾害可以用大量的雨雪袭击沿海或内陆山区,持续数小时到数天,迫使地面人员定期重新评估行动。

图示显示AR尺度如何根据水汽运输的持续时间和数量确定大气河流强度。
资料来源:Jen Christiansen;资料来源:F.马丁·拉尔夫等人撰写的《大气河流的强度和影响的表征尺度》,在美国气象学会公报,卷。100;2019年2月(参考

我们的团队发表了AR量表美国气象学会公报在2019年。风暴在尺度上的排名反映了每次科学家第一次看到AR正在形成时,在幕后进行的大量工作。对过去两年袭击美国西海岸的几次强ar的案例研究表明,研究人员和天气预报员如何更好地向应急计划人员和水资源管理人员通报风暴是否会带来有利于补充供水的降雨,还是会越过洪水和山体滑坡的阈值。

有了更充分的准备,官员们可以减少财产和生命的风险,并知道如何最大限度地储存水。2021年1月的一次AR造成了严重的山体滑坡,切断了加州大苏尔海岸的悬崖边道路,但没有造成一人死亡,这表明官员们可以很好地利用最新的预测科学来观察这些风暴并管理后果。这种情况下的知识、预测和结果说明了更好的预测和通信的全部潜力,以帮助西海岸各地为大风暴做好准备。

拯救生命

2021年1月底,研究人员可以看到太平洋上空的大气模式正在形成,将给北美西海岸带来另一个极端事件。问题是AR会降落在哪里,强度有多大。研究人员之间的紧张关系迅速升温;在沿海的某些地区,就像全球的地中海气候一样,水通常是稀缺资源,所以居民、农民和企业主都欢迎雨水。当然,洪水会摧毁农业、基础设施和生命。

在太平洋西北地区,经过数周的暴雨,河流水位仍然很高。那里的人们最不需要的就是另一场潮湿的风暴。在干旱得令人痛苦的加州,几英寸的降雨会带来必要的缓解,但浸泡可能会在已经被野火夷为平地的陡峭山坡上引发山体滑坡。

1月20日,一个由大气科学家、气象学家、机组人员和总部设在CW3E的跨部门大气河流侦察指挥中心的工作人员组成的小组决定向正在形成的风暴派遣数据收集飞机。尽管卫星和海洋浮标数据对天气模型至关重要,但它们不能充分监测AR的位置、强度或水蒸气含量,部分原因是与AR相关的多云或多雨条件会阻碍卫星数据收集或降低其准确性。侦察飞行填补了这些空白。

地图显示了最近发生在加州的风暴的例子,在AR强度量表上排名1-5。
来源:Nick Bockelman (底漆)及珍·克里斯蒂安森(地图);来源:NOAA/ESRL物理科学实验室,博尔德,科罗拉多州(蒸汽基础图);“NCEP/NCAR 40年再分析项目,”E. Kalnay等人,在美国气象学会公报第77卷;一九九六年三月(蒸汽数据分析模型);“ERA5 1979年至今的压力水平月平均数据”,由H. Hersbach等人,哥白尼气候变化服务,气候数据存储,2019年(运动数据,来自Jason Cordeira);由F.马丁·拉尔夫等人撰写的《大气河流强度和影响的表征尺度》,在美国公报 气象学会,第100卷;2019年2月(参考

两天后,美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)驾驶的一架G-IV喷气式飞机爬升到夏威夷以西海域上空4万英尺的高度。每隔10分钟左右,在几个小时内,它就会释放下拉探测仪——一种小型仪器,通过降落伞向下漂流20分钟左右,测量风速和方向、水蒸气、温度和压力。这些仪器将数据通过无线电传回飞机,飞机将数据发送到全球天气数据中心,天气预报模型从那里开始进行下一次预报,通常每6或12小时一次。这架喷气式飞机还安装了一个无线电掩星传感器原型机,它使用GPS卫星信号来感知飞机一侧180英里范围内的大气状况。来自全球漂流者计划部署的大约100个漂流海洋浮标的气压数据也将传输到枢纽。

让太平洋西北地区受灾民众松了一口气的是,该航班的数据有助于预测AR将在更南的地方登陆。但是,降雨对遭受干旱打击的加州来说是好事呢,还是会带来巨大的危险呢?

1月22日晚些时候,CW3E分析显示风暴强度可能为AR1。我们开始向区域专家发送短信或电子邮件通知,这些专家在使用标准的国家气象局预报信息的同时,将为负责实地行动的民间领导人提供建议。在圣克鲁斯山上,最近的野火已经席卷了陡峭的山坡,消防队长开始为山体滑坡做准备。大苏尔的交通管理人员准备在1号公路沿线发生山体滑坡时封路,这里的一些斜坡高出太平洋1000英尺。

在美国陆军工程部队旧金山湾区办公室和索诺马水务署(当地公用事业公司),水库运营商使用CW3E的工具和国家气象局的预测,来确定从俄罗斯河和支流流入门多西诺湖(一个大型水库)的流量有多少是有益的,有多少可能导致洪水。如果预测的降雨量不大,他们可以关闭水库闸门,为即将到来的旱季保留尽可能多的水。

1月23日,我们派出G-IV急流在夏威夷西北方向测量现在已经成熟但移动缓慢的低压系统,该系统将水汽和热量向北输送到一个从日本和西伯利亚迅速向东移动的低压槽的路径上。这种相互作用将影响AR的形成地点以及它在未来几天的轨迹。CW3E的工具显示,风暴可能会在加州达到AR2级,增加了海岸上每个人的风险。

这一更高的排名促使我们进行了更频繁的飞行,包括从美国空军储备基地起飞的两架C-130天气侦察机,用于西海岸的AR侦察。到1月24日,天气预报预测AR可能会在洛杉矶北部的Point Conception附近停止运行。但是一些综合天气模型显示,风暴可能会在更北的大苏尔附近停止,那里的火灾最严重。这些天气模型从相同的开始时间进行多次运行,但在开始条件上有微小的变化。国家气象局预报员发布了一个警告,部分内容是说:“AR边界和相关的强降雨将在周三下午在我们预测区域的最南部(Point conceptpoint附近)停滞,然后在周三晚上缓慢上升到周四早些时候....过多的降雨率可能会越过我们的任何烧伤疤痕,包括……周三上午的SCU消防综合体....在丘陵地区,预计总降雨量为4至7英寸,圣克鲁斯山脉为9英寸,圣卢西亚山脉为11英寸。”

到1月26日,反雷达瞄准的目标是在concepte点和圣何塞之间。AR侦察每天都在执行更多的任务,这证实了风暴将达到AR2或AR3级别并将停止的迹象,这意味着一些不幸的沿海地区可能会经历长达一天半的大雨。应急准备官员在蒙特雷和圣克鲁斯周围的烧伤地区以及大苏尔沿线脆弱的1号公路沿线预先部署了可能的救援设备和人员。

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2021年1月,1号公路在多处被淹没在山腰的大气河造成的泥石流切断。来源:美国地质调查局

1月27日清晨,在美国气象局“NEXRAD”天气雷达网络的观测范围内出现阵雨。正如预测的那样,一系列风暴中的第一场袭击了湾区北部,但很快就通过了那里。在门多西诺湖附近的地面上有一个AR天文台,它使用雷达直接向上观察,向预报员和水库操作员证实,主要事件将发生在他们的南面。风暴只在湖面上产生了2到3英寸的降雨,提供了大量有益的流入。

果不其然,风暴在大苏尔附近停滞为AR3型,两天内降雨量超过10英寸。附近的圣卢西亚山脉甚至有更多掉落。暴雨造成了城市洪水,以及大火烧毁的山坡上的严重泥石流,摧毁了房屋和商业建筑,严重破坏了沿海重要的1号高速公路。这条道路最终被关闭了几个月进行重大维修,扰乱了交通和当地经济。该事件成为2021年美国“十亿美元级的天气灾害”之一。

重要的是,没有人丧生。初步分析表明,AR Recon数据改善了预测,并将降水预测误差减少了50%;如果没有它,大苏尔预计的降雨量会比实际的降雨量少得多。这有助于准确的警报和应急反应。

警告世界

随着气候变化带来更多极端降雨事件,美国联邦政府正更加关注ARs。2021年12月,NOAA的科学顾问委员会向国会的决策者发出了一套正式的未来十年的建议,“天气研究的优先事项”。这些建议指出,除其他事项外,需要更好地提供关于ARs的信息,以支持水库作业。在一台CW3E超级计算机的帮助下,该系统很快就会开始实施,该计算机专门用于ar,可以运行最先进的模型,并与国家气象局合作测试数据的人工智能分析。

在葡萄牙,ar也引起了严重的洪水,科学家最近建议天气预报员使用新的排名等级。南美洲南部西海岸的预报员也在考虑采用这种方法。不久的将来,你可能会看到AR图标成为你最喜欢的天气应用程序或天气预报的标准组成部分。

更好的预测可以提高社会面对气候变化的适应能力。就在过去的五年里,美国西部的主要地区遭遇了创纪录的干旱和创纪录的洪水,气候科学家说,这种波动在未来可能会更频繁地发生。这些极端情况似乎是由更强的ar引发的,然后被更长、更热的干旱期隔开。

AR预报已经在帮助水资源管理人员利用即将到来的降水和径流。以门多西诺湖地区为例,该地区位于旧金山以北100英里处,靠近海岸。1959年,工程师们为了控制下游毁灭性的洪水,在俄罗斯河东段筑坝,形成了这个湖。该项目还为索诺马县葡萄酒产区建造了一座水库和一座水电站。如果在1月至3月期间,风暴使湖水超过68,000英亩英尺的水位,管理人员通常会通过大坝释放多余的水。但如果在3月底或4月汛期结束时,这一水平仅被轻微超过,他们就会为干旱的夏季保留水。然而,随着气候变化,自2000年以来的大多数年份里,没有足够的春雨来填满这个湖。

考虑到这一趋势,以及最近一个名为“预测-知情水库作业”的科学和工程项目,陆军部队于2021年在该水库采用了为期五年的新方法演示。它允许运营商在风暴过后,在6.8万英亩英尺的“保护池”之上保留多达1.1万英亩英尺的额外水(“缓冲池”)。只要未来几天没有AR预测,每天都会重新考虑这个选项。如果到春季末没有发生强烈的AR,这种做法可以保留足够的水供应2万或更多的家庭一年。

2020年1月初,新的AR工具显示可能会发生风暴。当它到达时,陆军水库管理人员关闭了大坝,允许湖泊填充到缓冲池的极限。另一个适度的AR很快就出现了,运营商保留了整整11000英亩英尺。在冬天剩下的时间里,如果预报有AR,它们会释放额外的湖水,但没有其他大风暴到来。这1.1万英亩英尺的水变得极其珍贵,因为那个夏天,俄罗斯河流域的北部和南部,一直到旧金山,都非常干燥。这种方法使水资源管理人员能够在干旱条件下更可靠地提供供水。

AR预测在2021年11月对温哥华地区也至关重要,此前秋季大雨和山雪。连续两次ar4袭击了温哥华、其上方的山脉和不列颠哥伦比亚省,两天内降雨量高达11英寸。严重的洪水和山体滑坡关闭了通往这座城市的主要公路和铁路,切断了它与加拿大其他地区的联系。温哥华港是加拿大最大的港口,在新冠疫情带来的前所未有的供应链危机中不得不停止运营。AR预报帮助官员决定疏散数千人。

在ARs尚未得到广泛认可的地方,现在也可以进行预测。2022年1月,墨西哥湾上空的一场风暴达到了“极端”强度,穿过美国东南部,并在东北部引发了一场危险的东北风。在南极洲,有证据表明,ar带来了大部分落在冰盖较高部分的新雪,然而在2022年3月,一股温暖潮湿的气流导致了比正常温度高出72华氏度的温度,给内陆带来了大量的雪,但沿海地区却有雨水和融雪。ar也与格陵兰冰盖最近的大融化和降雨有关。

进一步改进AR预测将有助于科学家确定大气河流在未来气候变化中可能发挥的作用。在此之前,预报员的重点是加强对当地紧急情况和水资源规划者的预测,包括陆军部队和加州水资源部门,他们在开发和将AR信息纳入决策方面一直具有创新性。也许对即将到来的风暴的AR警告可以提前一天发出,或者可以更准确地预测降雨总量,使人们免受伤害,或者在不可避免的干旱日子到来时提高供水可靠性。