天上的“大河”

編譯 劉安立

1862年，美國加利福尼亞州首府薩克拉門托發生大洪水。

新研究認為，全球范圍內的大洪水爆發可能肇始于一個共同的原因——天上的“大河”。

蹊蹺的洪水

2012年圣誕節前夕，英國西南端簡直被暴雨害慘了。一連五天，海濱城市普利茅斯都在下雨，降下的雨比正常情況下一年的還多。在普利茅斯以北80千米，凱恩河暴漲，將剛建成的一個防洪工程損毀，致附近的一座小城被淹。該地區連接英國其余部分的鐵路也被切斷。就算那些在圣誕節前后多雨的地區，這么大的洪水也很少見。

然而，與150年前美國加利福尼亞州發生的大洪水相比，英國的這場洪水就小巫見大巫了——從1861年的圣誕夜開始，加利福尼亞州首府薩克拉門托接連下了43天雨，市區積水達3米深，周邊的中央山谷變成了一座寬達30千米的大湖。直到幾個月后，這場洪水才退去。

雖然兩場洪水發生在不同的時間和不同的地點，但兩者之間的相似性卻很大：美國加利福尼亞州和英國都位于中緯度，都有面朝海洋的西海岸。那么，它們之間有什么關系嗎？一項新的研究認為，兩場大洪水有一個共同的成因——大氣層河流。

2007年夏天，英國格洛斯特郡發生大洪水。科學家認為來自大西洋的巨大濕氣流是導致英國一年到頭發生洪水的主要原因。濕氣流翻越英國西海岸上的重重高山， 漸漸冷卻后形成厚厚的云層，然后傾盆而下。

何謂大氣層河流？是指可在天空中蜿蜒數千千米的不間斷的、充滿水的巨大濕氣流。這種氣流直到最近才被科學家辨識和命名。說大氣層河流“巨大”，并不單指地理范圍，還指它們降下的水量之巨大完全不亞于颶風。科學家對大氣層河流憂心忡忡：對颶風的早期預警廣受矚目，大氣層河流則完全不能企及。

有悖常理的發現

長期以來，加利福尼亞州的居民們一直都在談論“菠蘿快車”——發端于夏威夷（因盛產菠蘿，被不少人誤認為是菠蘿的發源地）附近的滿載溫水的冬季風暴。然而，大氣層河流的發現卻在美國的另一側，而且是發現于電腦打印機。1998年，麻省理工學院的兩名研究者運用地球氣候模型研究天氣。當結果打印出來時，他們發現，在熱帶和中緯度之間穿行的幾乎全部水汽都包含在數條窄窄的密集氣流帶中。

兩名研究者的這一發現顯然有悖常理：惡劣天氣通常都被假定為與風暴系統的低壓中心有關，由人造衛星拍攝的圖像也證明了這個假設。衛星圖像是通過監測地球大氣層的紅外輻射取得的——水和其他分子在通過大氣層的過程中會吸收紅外輻射。對于溫帶地區，總體來說，衛星圖像顯示出滴狀斑點的天氣系統，其中夾雜著或多或少濕氣的區域。也就是說，溫帶地區的供水模式是“灑水器”而非“消防水管”。

如此來看，溫帶地區就不應該發生由風暴帶來的大洪水。那么，像“菠蘿快車”這樣的溫帶風暴又是怎么發生的呢？科學家隨后發現1998年是厄爾尼諾年，上述矛盾得以解決。作為整個太平洋范圍的氣候現象，厄爾尼諾容易帶給美國西海岸異常潮濕的冬季。當時，美國大氣與海洋局出動了多架次飛機進入太平洋上空的風暴云，釋放一次性的下投式探空儀（看上去就像是倒轉過來的氣象氣球）。探空儀發回了在下降過程中探測到的風速和水汽。結果顯示，它們所看到的，和前述研究人員的模型預測完全一樣——由暖濕氣流組成的幾百千米寬的“傳送帶”沿著風暴中心的周邊（而非穿越風暴中心）迅速移動。真正的驚奇是，它們傳送的水量之大和傳送的距離之遠：一個風暴就傳送了整個北半球從熱帶到兩極傳送總水量的20%。

天上的“大河”

最終一錘定音的證據，來自于裝備了微波成像儀的氣象衛星。與紅外輻射不同，微波被大氣層中的水汽吸收的程度不高，所以能從地面一路向上而抵達成像衛星。衛星微波圖像揭示，大氣層的最大水量并非在滴狀斑點中，而是在延伸數千千米的長而薄的氣流帶里。在紅外線下，大氣層河流只不過是“隱身”了，用紅外線尋找它們就好比用人的眼睛辨認一只蒸汽浴缸最底層的水。

大氣層河流是指大氣層中的巨大濕氣流，最早于1998年由美國麻省理工學院的兩名研究者發現。大氣層河流通常長幾千千米，寬幾百千米，所攜帶的水量比地球上最大的河流——亞馬孫河還大得多。通常在同一時間內會出現3- 5條大氣層河流。

那么，大氣層河流是怎樣形成的呢？科學家對此還無答案，但他們認為它是一種“緊急”現象，涉及到大氣的一些基本物理方面，例如物質守恒和動量、入射太陽輻射的分布和水的熱力學特性，等等。

在北半球，當一個氣旋（逆時針旋轉的低壓系統）把暖濕空氣從南到西南掃掠到海岸線上時，科學家就能知道大氣層河流的存在。如果風力特別強，能達到1000米以上的“控制層”， 充滿巨量水的氣流就會在短時間內經過一個區域。如果氣流擊中像海岸山脈或加利福尼亞州的塞拉·內華達這樣的多山海岸地貌，它在上升翻越山脈時就會降溫，它攜帶的水汽就會冷凝成雨，于是大河從天而降。

對英國來說情形類似，只不過沒有那么極端，因為英國更遠離赤道，當氣流到達英國時常常已變得更冷，攜帶的水也更少。2011年，科學家追溯過去40年中發生在四個英國河盆的10場最大洪水的根源，結果發現對于幾乎每一場大洪水而言，風速和水汽測量數據都暗示了大氣層河流的存在。

只要知道自己想要找的是什么，你就很容易在衛星微波圖像中發現大氣層河流。典型情況是，在任何時間，地球上空都蜿蜒著6條大氣層河流。這些河中的許多還未登陸就傾瀉到了海洋里。一條典型“天河”的水量相當于7～15條密西西比河或一條亞馬孫河的水量。在大多數情況下，大氣層河流不是什么問題，因為風就像花園灑水器，推動它們，將濕氣散布在一大片區域內（每年加利福尼亞州以這種方式得到降水總量中的1/3～1/2）。然而，當周圍的天氣系統導致大氣層河流停滯在一個地點時，就會出現特大洪水。

科學家發現，全球變暖對暴雨天氣的影響起著相反的作用：兩極和赤道之間的溫差為中緯度風暴提供了終極能量源，由于兩極升溫比中緯度快，這種溫差正在變小，風暴應該減弱；但是，更暖的空氣會保持更多水汽，這使得大氣層河流更加潮濕，也就是說，大氣層河流下瀉的可能性增大了。

田納西之殤

2010年5月1日和2日，美國田納西州那什維爾市下了該市有氣象記錄以來最大的暴雨。這場暴雨堪稱“暴雨中的暴雨”，向該市傾倒了超過300毫米的水，導致坎伯蘭河的洪峰涌入街道。在那什維爾市郊一些區域，雨量更是高達近500毫米。洪水造成的損失達20億美元，11人死于洪災。

科學家調查發現，這次大洪水的肇因正是一條大氣層河流——大西洋上空一個百慕大強高壓和一個沿著墨西哥東岸的低壓槽合并，呈漏斗狀從加勒比海激起濕氣流。在擊中美國東南部時，濕氣流的升力不是由海岸山脈提供的，而是由駐留于田納西州和肯塔基州內陸上空的雷暴陣風線給予的。溫暖的熱帶空氣被強迫上升到頂部，然后釋放其包含的巨量水。

看起來這不是一條典型的大氣層河流：它沒有傾瀉在多山的美國西海岸，沒有傾瀉在冬季，也沒有與之相關的低壓氣旋。然而，引發其下瀉的合并條件可能比科學家預想的更為常見。仿效“菠蘿快車”，科學家把它稱作“瑪雅快車“（加勒比海地區是瑪雅文明所在地）。科學家還推測，相似的條件可能也促發了1993和2008年發生在美國中部甚至其他地方的大洪水。

大氣層河流觀測站

1861～1862年的加利福尼亞州大洪水殺死了數千人，而當時那里的人口密度遠遠低于今天。慘痛的教訓意味著應該加強防范。何況這樣的大洪水并非少見。薩克拉門托河谷、太平洋沿岸的圣巴巴拉附近和舊金山灣附近的沉積物表明，加利福尼亞州差不多每200年就會出現一次程度類似的大洪水。

目前人類對由大氣層河流引發的大洪水的了解有限，應對能力也有限。美國海洋與大氣局正沿著加利福尼亞州海岸線建立四座大氣層河流觀測站，以彌補不足。首座觀測站建于舊金山灣，已于2013年4月完工。觀測站的大小與一輛自動傾卸卡車差不多，包含一套標準氣象儀、一部風分析器和一部經改裝的全球衛星定位儀。由風分析器反射來自大氣層渦流的雷達波，以測量不同高度的風速；接收器通過大氣層水汽修正引入全球衛星定位儀信號中的錯誤，推斷信號所經過區域的水汽量。每座觀測站價值大約75萬美元，和大洪水造成的損失相比，不值一提。

觀測站能在大洪水到來前幾小時進行預警，足以讓人們發布洪水警報和打開水閘，但僅此而已。科學家認為，需要展開更多的離岸勘測以提供更早期的預警，從而組織人員撤離。科學家警告說，不能過度依賴衛星圖像，應該大量增加海上氣象船和永久性氣象站。此外，還應派出更多的“颶風獵手”飛機，測量風暴強度和預測風暴的可能走向。

2011年，上述舉措已為美國海洋與大氣局初步采取。他們與美國宇航局合作，讓一架無人駕駛的間諜飛機飛入三個風暴，其中包括一條大氣層河流。下一步，無人間諜飛機將投放一次性下投式探空儀。不過，要想做出更加有效的預警，上述舉措還需大大加強。