天上的“大河”

编译 刘安立

1862年，美国加利福尼亚州首府萨克拉门托发生大洪水。

新研究认为，全球范围内的大洪水爆发可能肇始于一个共同的原因——天上的“大河”。

蹊跷的洪水

2012年圣诞节前夕，英国西南端简直被暴雨害惨了。一连五天，海滨城市普利茅斯都在下雨，降下的雨比正常情况下一年的还多。在普利茅斯以北80千米，凯恩河暴涨，将刚建成的一个防洪工程损毁，致附近的一座小城被淹。该地区连接英国其余部分的铁路也被切断。就算那些在圣诞节前后多雨的地区，这么大的洪水也很少见。

然而，与150年前美国加利福尼亚州发生的大洪水相比，英国的这场洪水就小巫见大巫了——从1861年的圣诞夜开始，加利福尼亚州首府萨克拉门托接连下了43天雨，市区积水达3米深，周边的中央山谷变成了一座宽达30千米的大湖。直到几个月后，这场洪水才退去。

虽然两场洪水发生在不同的时间和不同的地点，但两者之间的相似性却很大：美国加利福尼亚州和英国都位于中纬度，都有面朝海洋的西海岸。那么，它们之间有什么关系吗？一项新的研究认为，两场大洪水有一个共同的成因——大气层河流。

2007年夏天，英国格洛斯特郡发生大洪水。科学家认为来自大西洋的巨大湿气流是导致英国一年到头发生洪水的主要原因。湿气流翻越英国西海岸上的重重高山， 渐渐冷却后形成厚厚的云层，然后倾盆而下。

何谓大气层河流？是指可在天空中蜿蜒数千千米的不间断的、充满水的巨大湿气流。这种气流直到最近才被科学家辨识和命名。说大气层河流“巨大”，并不单指地理范围，还指它们降下的水量之巨大完全不亚于飓风。科学家对大气层河流忧心忡忡：对飓风的早期预警广受瞩目，大气层河流则完全不能企及。

有悖常理的发现

长期以来，加利福尼亚州的居民们一直都在谈论“菠萝快车”——发端于夏威夷（因盛产菠萝，被不少人误认为是菠萝的发源地）附近的满载温水的冬季风暴。然而，大气层河流的发现却在美国的另一侧，而且是发现于电脑打印机。1998年，麻省理工学院的两名研究者运用地球气候模型研究天气。当结果打印出来时，他们发现，在热带和中纬度之间穿行的几乎全部水汽都包含在数条窄窄的密集气流带中。

两名研究者的这一发现显然有悖常理：恶劣天气通常都被假定为与风暴系统的低压中心有关，由人造卫星拍摄的图像也证明了这个假设。卫星图像是通过监测地球大气层的红外辐射取得的——水和其他分子在通过大气层的过程中会吸收红外辐射。对于温带地区，总体来说，卫星图像显示出滴状斑点的天气系统，其中夹杂着或多或少湿气的区域。也就是说，温带地区的供水模式是“洒水器”而非“消防水管”。

如此来看，温带地区就不应该发生由风暴带来的大洪水。那么，像“菠萝快车”这样的温带风暴又是怎么发生的呢？科学家随后发现1998年是厄尔尼诺年，上述矛盾得以解决。作为整个太平洋范围的气候现象，厄尔尼诺容易带给美国西海岸异常潮湿的冬季。当时，美国大气与海洋局出动了多架次飞机进入太平洋上空的风暴云，释放一次性的下投式探空仪（看上去就像是倒转过来的气象气球）。探空仪发回了在下降过程中探测到的风速和水汽。结果显示，它们所看到的，和前述研究人员的模型预测完全一样——由暖湿气流组成的几百千米宽的“传送带”沿着风暴中心的周边（而非穿越风暴中心）迅速移动。真正的惊奇是，它们传送的水量之大和传送的距离之远：一个风暴就传送了整个北半球从热带到两极传送总水量的20%。

天上的“大河”

最终一锤定音的证据，来自于装备了微波成像仪的气象卫星。与红外辐射不同，微波被大气层中的水汽吸收的程度不高，所以能从地面一路向上而抵达成像卫星。卫星微波图像揭示，大气层的最大水量并非在滴状斑点中，而是在延伸数千千米的长而薄的气流带里。在红外线下，大气层河流只不过是“隐身”了，用红外线寻找它们就好比用人的眼睛辨认一只蒸汽浴缸最底层的水。

大气层河流是指大气层中的巨大湿气流，最早于1998年由美国麻省理工学院的两名研究者发现。大气层河流通常长几千千米，宽几百千米，所携带的水量比地球上最大的河流——亚马孙河还大得多。通常在同一时间内会出现3- 5条大气层河流。

那么，大气层河流是怎样形成的呢？科学家对此还无答案，但他们认为它是一种“紧急”现象，涉及到大气的一些基本物理方面，例如物质守恒和动量、入射太阳辐射的分布和水的热力学特性，等等。

在北半球，当一个气旋（逆时针旋转的低压系统）把暖湿空气从南到西南扫掠到海岸线上时，科学家就能知道大气层河流的存在。如果风力特别强，能达到1000米以上的“控制层”， 充满巨量水的气流就会在短时间内经过一个区域。如果气流击中像海岸山脉或加利福尼亚州的塞拉·内华达这样的多山海岸地貌，它在上升翻越山脉时就会降温，它携带的水汽就会冷凝成雨，于是大河从天而降。

对英国来说情形类似，只不过没有那么极端，因为英国更远离赤道，当气流到达英国时常常已变得更冷，携带的水也更少。2011年，科学家追溯过去40年中发生在四个英国河盆的10场最大洪水的根源，结果发现对于几乎每一场大洪水而言，风速和水汽测量数据都暗示了大气层河流的存在。

只要知道自己想要找的是什么，你就很容易在卫星微波图像中发现大气层河流。典型情况是，在任何时间，地球上空都蜿蜒着6条大气层河流。这些河中的许多还未登陆就倾泻到了海洋里。一条典型“天河”的水量相当于7～15条密西西比河或一条亚马孙河的水量。在大多数情况下，大气层河流不是什么问题，因为风就像花园洒水器，推动它们，将湿气散布在一大片区域内（每年加利福尼亚州以这种方式得到降水总量中的1/3～1/2）。然而，当周围的天气系统导致大气层河流停滞在一个地点时，就会出现特大洪水。

科学家发现，全球变暖对暴雨天气的影响起着相反的作用：两极和赤道之间的温差为中纬度风暴提供了终极能量源，由于两极升温比中纬度快，这种温差正在变小，风暴应该减弱；但是，更暖的空气会保持更多水汽，这使得大气层河流更加潮湿，也就是说，大气层河流下泻的可能性增大了。

田纳西之殇

2010年5月1日和2日，美国田纳西州那什维尔市下了该市有气象记录以来最大的暴雨。这场暴雨堪称“暴雨中的暴雨”，向该市倾倒了超过300毫米的水，导致坎伯兰河的洪峰涌入街道。在那什维尔市郊一些区域，雨量更是高达近500毫米。洪水造成的损失达20亿美元，11人死于洪灾。

科学家调查发现，这次大洪水的肇因正是一条大气层河流——大西洋上空一个百慕大强高压和一个沿着墨西哥东岸的低压槽合并，呈漏斗状从加勒比海激起湿气流。在击中美国东南部时，湿气流的升力不是由海岸山脉提供的，而是由驻留于田纳西州和肯塔基州内陆上空的雷暴阵风线给予的。温暖的热带空气被强迫上升到顶部，然后释放其包含的巨量水。

看起来这不是一条典型的大气层河流：它没有倾泻在多山的美国西海岸，没有倾泻在冬季，也没有与之相关的低压气旋。然而，引发其下泻的合并条件可能比科学家预想的更为常见。仿效“菠萝快车”，科学家把它称作“玛雅快车“（加勒比海地区是玛雅文明所在地）。科学家还推测，相似的条件可能也促发了1993和2008年发生在美国中部甚至其他地方的大洪水。

大气层河流观测站

1861～1862年的加利福尼亚州大洪水杀死了数千人，而当时那里的人口密度远远低于今天。惨痛的教训意味着应该加强防范。何况这样的大洪水并非少见。萨克拉门托河谷、太平洋沿岸的圣巴巴拉附近和旧金山湾附近的沉积物表明，加利福尼亚州差不多每200年就会出现一次程度类似的大洪水。

目前人类对由大气层河流引发的大洪水的了解有限，应对能力也有限。美国海洋与大气局正沿着加利福尼亚州海岸线建立四座大气层河流观测站，以弥补不足。首座观测站建于旧金山湾，已于2013年4月完工。观测站的大小与一辆自动倾卸卡车差不多，包含一套标准气象仪、一部风分析器和一部经改装的全球卫星定位仪。由风分析器反射来自大气层涡流的雷达波，以测量不同高度的风速；接收器通过大气层水汽修正引入全球卫星定位仪信号中的错误，推断信号所经过区域的水汽量。每座观测站价值大约75万美元，和大洪水造成的损失相比，不值一提。

观测站能在大洪水到来前几小时进行预警，足以让人们发布洪水警报和打开水闸，但仅此而已。科学家认为，需要展开更多的离岸勘测以提供更早期的预警，从而组织人员撤离。科学家警告说，不能过度依赖卫星图像，应该大量增加海上气象船和永久性气象站。此外，还应派出更多的“飓风猎手”飞机，测量风暴强度和预测风暴的可能走向。

2011年，上述举措已为美国海洋与大气局初步采取。他们与美国宇航局合作，让一架无人驾驶的间谍飞机飞入三个风暴，其中包括一条大气层河流。下一步，无人间谍飞机将投放一次性下投式探空仪。不过，要想做出更加有效的预警，上述举措还需大大加强。