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2023-01-17 15:32
空中有条雨做的河:那些年大暴雨的原因找到了

本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:小凯,校稿:辜汉膺,编辑:板栗,原文标题:《大洪水“空袭”美国的原因,找到了!》,题图来自:视觉中国


1月14日,正当中国多地迎来寒潮,给2023年带来第一场降雪的同时,躲过此前超级寒潮的美国加利福尼亚州却再次出现大风雨雪天气。


连续几天强降水引发的洪水造成至少19人死亡、高速公路关闭和大面积断电。到夜间,加州的58个县中有一半以上被宣布为灾区,近2600万人处于洪水警报之下。


2022-12-26~2023-1-9,这期间,全州的降雨量总计就比平均水平高出大约400~600%了,要命的是,这还不算结束(土壤湿度对比  图:NASA)▼



美国国家气象局表示,雨带和强风从北部向南扩展,预计下周初还会有更多风暴。此次洪灾与一种叫做“大气河”的现象有关,即一条从太平洋热带延伸而来的水汽输送通道,类似天上的河流,因此而得名。


被大气河“欺负”得毫无反手之力(1月4日,一条纤细有力的水汽带从太平洋冲向美国西海岸,图:NASA)▼


“大气河”不单美国有,在中国也并不罕见。这是静止卫星在2020年7月5日12时拍摄的一张地球快照,横贯中国东部地区并一直延申到日本的云带十分瞩目。


葵花8号卫星云图,2020年7月5日12时▼


此时正值“黄梅时节家家雨”,在一个多月的时间内,从我国的江南、长江中下游、江淮地区、到韩国和日本列岛一带持续出现阴雨天气。


而在2020年7月上旬,梅雨似乎格外的强。在7月5日前后一周内,长江中下游地区降水量超过210毫米,而在常年,整个梅雨期也不过降水280毫米左右。


2020年的梅雨期降雨量为1961年以来历史最多,降水时间与2015年并列为1961年以来历史最长▼


由于其超强的造雨能力,这次梅雨被大家称为“超级暴力梅”。为了进一步探究梅雨如此“暴力”原因,气象学家借助卫星,从高空观察整个东亚地区。


分析卫星接收到的地球大气向外发射的微波信号,通过数学方法推算出大气各个高度上的水汽含量,气象学家发现在梅雨锋的位置上水汽聚集成带,再结合数值模型推算出风的大小,一条长6265公里、宽670公里、深4公里的“空中悬河”浮现出面貌。


水汽在高空汇聚成了一条“河流”(2020年7月5日11时, 700 hPa)▼


这里有一条空中悬河


这条“空中悬河”当天在长江中下游地区上空的水汽输送量是该区域长江夏季径流量的将近十倍,气象学家将其形象的称为“大气河”。虽以“河流”为名,但是它和真实的地表河流还有很大的区别。


大气河是从热带延伸到高纬度地区富含水汽的走廊,它们可以在短时间内产生大雨和降雪(图:NOAA)▼


首先,大气河输送的主要是水蒸气而不是液态水,所以,尽管在长度上与长江相当,但是由于水蒸气不像液态水一样聚集水分,宽度和深度很大,不能与长江相比。


其次,大气河从发生到消亡经历几天到十几天,并且位置随着风场不断移动和变化,换而言之,大气河只是短暂且偶然地出现或经过,不像地表河流可以沿固定路径稳定地输水。


与地表真正的河流不同,大气河是在随时移动的,它并不会在一个地方停留太久(2014年12月太平洋和美国西南部出现的一条大气河,图:NASA)▼


近年来,气象学家意识到梅雨和大气河之间似乎存在着紧密的联系。以2020年江淮梅雨期为例,与大气河相关的降水占总降水的50%~80%,同时,伴随大气河的降雨的强度是没有大气河时的6~12倍。还有一部分科学家们相信“超级暴力梅”的发生和大气河超出常年的变化不无相关。


除了梅雨,很多暴雨中也有大气河的踪迹。有研究人员称,发生在去年7月份连续两场造成重大损失的京津冀7·12暴雨和河南7·20暴雨中,都有强盛的大气河发生,在高空中向雨区输送源源不断地水汽。


台风烟花与郑州之间事实上形成了一条水汽走廊,将大量水汽输送到郑州上空▼


一项对于2016年7月20日发生在北京特大暴雨的研究中,揭示了大气河促进暴雨发生的可能机制。在19日1时到21日6时,29个小时内,全市平均降雨达到了210.7毫米,有8个国家基准气候站(全国共143个)的纪录被打破。


在此次暴雨过程中,西伸的副热带高压和青藏高原之间夹着一条强烈的东北向的大气河,大量北上的水汽遇到燕山山脉的阻挡形成剧烈的降雨,促成了此次暴雨。


东海龙王表示他只是出来遛个弯,没想到搞出这么大动静(2016年7月20日11时, 700 hPa)▼


 根据历史资料的统计研究表明,在夏季,东部地区全部降水中与大气河有关的降水占到10%~20%,但是如果不计算总降水中的占比,而是计算以暴雨为主的极端降水时,这个占比达到30%~60%。


这说明为了理解东部地区的暴雨发生机制,减少洪涝灾害的损失,气象学家必须了解大气河的发生机制和演变逻辑。


中国东部气候与大气河


我国东部地处世界上最大的季风区,夏季南风带来充沛降水,冬季北风带来干冷天气。对于东部地区来说,冬季降水虽然相比于夏季降水来说很少,但是其异常地变化也可能造成重大灾害。


南方冬季降水过多时容易造成湿害,影响多种作物的根系生长,降水过少则不利于作物过冬和次年的春耕。另外,偏多的冬季降水也可能造成雪灾或者冻雨,例如,2008年中国南方的雪灾造成了129人死亡,受灾人口更是超过1亿。


地球大气一个微小的变化落到地球生物身上可能就是灾难性的巨变(图:wiki)▼


厄尔尼诺-拉尼娜现象是很多地区的气候波动背后最主要的影响因素,它也显著地调制着东亚大气河的变化,进而影响我国的降水过程。


研究表明,在厄尔尼诺年的冬季,我国东部地区的降水偏多,其中60%的变化是增加的大气河发生频率导致的,可能造成暴雪灾害的极端降水的变化亦是如此;拉尼娜年则相反,东部地区总降水和极端降水都偏少,其中大气河变化的贡献举足轻重。


在全球范围来看,厄尔尼诺-拉尼娜现象都与大气河的发生有着千丝万缕的联系(图:NOAA)▼


大气河的变化不仅在几年间显现出明显波动,而且在几十年的时间尺度上深刻地参与着气候变化。过去一个多世纪以来,包括中国东部地区在内的各个地方的气候已经且正在发生着难以逆转的变化。


“南涝北旱”是我国东部地区气候变化重要的内容之一。所谓“南涝北旱”,指的是上个世纪下半叶以来,我国华南降水逐渐增多、华北降水逐渐减少的同步变化。最近的研究表明,这场“南涝北旱”的变局背后有“大气河”的身影。


红(蓝)点表示在0.05水平上具有显着正(负)趋势的网格(图:Qiang Wang, Long Yang)▼



过去70年来,中国长江以南地区每年有越来越多的大气河发生,华北地区却越来越少。具体而言,长江以南地区在本世纪10年代发生大气河的年平均日数已经比上世纪50年代增加了9~12天,华北地区则增加了3~6天。


大气河“南增北减”的变化与所谓“南涝北旱”的年平均降水的变化趋势一致。进一步的研究说明了,该一致性实际上表示了大气河的变化对年降水的变化具有显著贡献,在北方地区可达49%,南方地区相对较少,在10~30%之间。


东亚大气河年频率变化趋势对年降水变化趋势的贡献率(图:Qiang Wang, Long Yang)▼


美国西海岸的“菠萝快车”


“大气河”这个概念其实不是中国气象学家的首创,而是一个“舶来品”。1994年,华裔科学家朱勇和合作者纽威尔首次在发表的论文中提出了大气河(Atmospheric Rivers)


他们使用了欧洲中期天气预报中心的数据计算了全球的水汽输送情况,发现窄而长的带状结构可以输送与亚马逊河相当的水分。当然,他们并没有选用长江作比较。


大气河在尺度上往往是巨大的,有时大气河流所携带的水量可以是普通地表河流的数倍(连接亚洲和北美的一条大气河 图:NASA)▼


美国人更加关注大气河的原因来自对美国西海岸不安分的“降雨”的担忧。每年冬季,大气河常常连接夏威夷岛附近和美国西海岸,太平洋热带的水蒸气可以沿着大气河直接输送到落基山脉,遇到阻挡后往往引发猛烈地降雨。


美国西部最强的大气河通常能造成数亿美元的损失(2021年10月袭击加利福尼亚州的大气河 图:NOAA)▼


由于夏威夷盛产菠萝,这条时不时就出现的大气河被形象地称为“菠萝快车”。


从夏威夷北部到华盛顿的“菠萝快车”(图:wiki)▼


这列快车每年集中在每年1月和2月发车,根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的估计,单次降水过程,即可为美国西部带来年降水量的30~50%。


车速过快时,一不小心就会给西海岸带来洪涝灾害,2014年12月就曾造成过加州大面积断电;有时也能深入内陆造成破坏,去年6月,主要位于美国内陆怀俄明州的黄石公园,因为一次大气河过程造成的洪水被迫关闭。


西海岸各州的美国居民和大气河已经是“老相识”了(一场强风暴给旧金山湾地区带来了超强的大气河,2021年10月24日拍摄的卫星图像 图:NASA)▼


大气河常常通过强降水与地表河流联手,用洪水洗涮大地(2006年大气河导致华盛顿州斯蒂拉瓜米什河发生洪水,图:wiki)▼


大气河对美国西海岸的天气变化和水资源供应如此重要,美国人在上世纪末就开始筹划加强对大气河的研究并加强气象部门的预报能力。


1998年,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的拉尔夫等人搭乘重型飞机在北太平洋上空的大气河内观测并收集数据,从那时起,他一直致力于研究大气河并构建大气河预报系统。时至今日,一套良好的预报系统为保障民众生活发挥着重要作用。


大气河的发生机制


大气河常与温带气旋相伴,两者的形成相关。温带气旋是发生在中高纬度地区的一种低压天气系统,由于气旋中常有锋面结构,所以也被称为锋面气旋


温带气旋一般是大范围冷暖空气碰撞的产物▼


通常气象学家会根据温带气旋的发生区域和移动路径给经常出现的气旋命名,比如,蒙古气旋、东北气旋、黄淮气旋、江淮气旋等。


温带气旋常导致风雨天气,有时伴有暴雨或强对流天气,往往是洪涝灾害发生的“元凶”(2016年7月导致北京等地发生特大暴雨的黄淮气旋,图:wiki)▼


温带气旋的结构可由“三条带”简单总结,也就是气旋内部主要存在三股气流:


第一支气流被称为暖输送带,它起源于暖区中偏南地区,平行于冷锋向北运动,在锋面上方上升,最终在地面气压中心的东北侧转为西风;


第二支气流被称为冷输送带,起源于对流层低层,相对于东移的气旋中心向西运动;


第三支是干气流,它来自对流层高层,进入气旋中心后随着暖输送带上升。


气旋中的三股气流▼


三股气流螺旋交汇,容易形成“逗点云系”,在卫星云图中一目了然。“逗点云系”席卷了干冷和暖湿空气,在交界地方温度变化剧烈形成锋面,干冷气流的一侧不易成云降雨,暖湿气流一侧则被云覆盖。


“逗点云系”▼


(2014年英国上空的温带气旋 图:NASA)▼


大气河就形成在暖输送带中。窄而长的暖输送带内聚集了大量的水汽,源源不断地向气旋运送,到达气旋内部后剧烈的上升运动又会将水汽凝结为水滴。水汽就这样成为了能量的载体,通过相变释放凝结潜热为气旋提供发展的动力。


大气河流实际上是由一系列处于不同生命周期的温带气旋组成(图:NASA)▼


 除此之外,东亚地区的大气河的位置也受到副热带高压的影响。


中国夏季主雨带常常落在副热带高压北侧,其中重要的原因就是来自海洋表面的水汽受到副热带高压的引导,在其周围形成输送通道。如果此时陆地上再有气旋靠近,两者共同作用下水汽输送就会格外强烈,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这种情况,在强烈的黄淮气旋和副高的双重加持下,大量水汽在异常强烈的大气河输送下到达燕山脚下,遇到陡峭的地形上升后迅速凝结成雨。


这俩强强联手,堪称无情的抽水机,将来自海洋表面的水汽一股脑倾泻在华北地区▼


“大气河”这个概念的提出相对比较晚,受到广泛关注也就是近十几年的事,我国的学者在东亚地区的大气河研究方面更是刚刚起步。


通过卫星和数值模型,我们看到了关于这颗蓝色星球未曾想象过的新图景。注视着一条条蜿蜒曲折的巨龙,我们猛然发现,原来我们从未真正想过热带遥远海洋的水汽是如何不远万里来到身边。


弄清楚盘旋在高空的“巨龙”的脾气,日后才能更好地与之相处(源于东南亚的大气河穿过北太平洋在阿拉斯加东南部登陆,图:Ruping Mo)▼


对于科学研究来说,这个新概念意味着从一个新的角度审察已经熟悉的知识体系,或将成为带来新认知的契机;对于实际应用来说,增加对大气河的认识将有助于改善我们对于极端降水、洪涝灾害、干旱的预报和应对能力。


参考资料

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2.Wang, T., K. Wei, and J. Ma, 2021: Atmospheric rivers and mei-yu rainfall in China: A case study of summer 2020. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1096-9

3.刘华. 中国东部冬季降水的时空分布特征及其与大气环流和海温的关系[D].南京信息工程大学,2015.

4.Liang, J., Yong, Y., Hawcroft, M.K., 2022. Long-term trends in atmospheric rivers over East Asia. Clim. Dyn. 6: 1–24. https://doi.org/10.1007/S00382-022-06339-5

5.Wang, Q., Yang, L., Yang, Y., & Chen, X. (2022). Contrasting climatic trends of atmospheric river occurrences over East Asia. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099646. https://doi. org/10.1029/2022GL099646

7.王迪. 温带气旋输送带结构特征及发展机制动力学分析[D].南京大学,2016.DOI:10.27235/d.cnki.gnjiu.2016.000914.


本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:小凯,校稿:辜汉膺,编辑:板栗

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