《科学画报》
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洪水可能源自天河
2020-10-22 11:03:00
近年来，世界各地因暴雨而遭受洪涝灾害的事件越来越多。要做好洪涝灾害的预警和疏散工作，就必须了解气象灾害形成的原因。气象学家的最新研究表明，世界部分地区出现的洪涝灾害可能源于天河造成的短时特大暴雨。当然，气象学上的天河不是我国民间传说中阻隔牛郎织女的那条天河，而是可能令亲人阴阳相隔的灾害元凶。
不为人知的天河
天河在气象学上指的是挟带大量水汽，能在空中蜿蜒上千千米的空气流。它是最近才被发现和命名的。这个庞然大物的破坏力不仅表现在影响范围广，就其自身携带的水汽所造成的短时倾盆大雨，危害丝毫不逊色于飓风。但是，与熟知的飓风不同的是，天河所造成的危害并未被大规模宣传，政府也未就其做好疏散和预警工作。
天河产生的影响并不是最近才出现的，加利福尼亚州的居民早已对这种天气现象耳熟能详，并亲切地称其为“菠萝快车”。这种天气的主要特征是在美国西海岸出现冬季风暴，并且通常伴随持久而强烈的源自夏威夷的暖湿气流。然而，有趣的是，对天河的正式识别的地点却是在计算机数值模拟输出端。1998年，美国麻省理工学院的朱勇和雷金纳德·纽厄尔在运行地球气候模式时发现，在热带和中纬度之间的地带几乎所有的水汽都集中在狭小的带状区域内，这种空气中的水汽带被定义为天河。真正令人震惊的是，天河所携带水汽量和输送的距离。美国地质调查局的迈克尔·德廷杰指出，一场风暴所传送的水汽量相当于整个北半球从热带地区到极区总水汽传输的20%。凭借这种惊人的能力，天河是当之无愧的“天河”。
那么，产生天河的原因何在?遗憾的是，答案仍无从得知。对气候模式开发者而言，它们仅仅是一个自然而然的现象。因为该现象完全遵守大气中的一些基本的物理学定律，例如质量守恒和动量守恒定律、入射太阳辐射的分布、地球自转、水的热力学性质。
在北半球地区，天河通常出现在气旋(逆时针旋转的低压系统)中，从南部或西南部携带暖湿的空气到海岸。如果风在1千米高度特别强，大量的暖湿空气可以在短时间内通过一个地区;如果气流遇到沿岸山脉，例如哥伦比亚山脉或加利福尼亚州的内华达山脉，在爬升的过程中气流将逐渐冷却，所携带的水汽凝结成降水。德廷杰指出，这就是强降水形成的过程。
在英国，虽然达不到加利福尼亚州那样极端降水，但类似的情形也是存在的。由于英国远离赤道地区，空气通常是冷的并且水分含量较少。2011年，英国诺丁汉大学的研究人员分析了过去40年中出现在英国4大河流流域最强的10次洪涝灾害，特别是2009年11月出现于坎布里亚郡的极具毁灭性的洪灾。结果发现，几乎在每一个案例中，不管是风速测量，还是水汽数据均能找到天河的踪影。
事实上，天河在卫星微波图像中是很容易找到的，任何时刻都有数十条天河游荡在地球上空。不过，多数天河并没有登陆而直接夭折在浩瀚的海洋之上。一条典型的天河所能搬运的水汽量相当于7～15条密西西比河，或者是一条亚马孙河。在大多数情况下，它们是不造成危害的：风吹动着天河，类似于花园自动旋转喷灌蓬头把水汽分配到各个地区，加利福尼亚州地区1/3降水就是得益于天河降水。但是，当周围的天气系统阻塞天河使其在一个地方停滞不前，这就会是个大问题，而且问题可能比人们想象的要更糟糕。
防范天河成大灾
据目前所知，气候变化对天河有两面效应。极地和赤道之间的温度梯度是中纬度风暴的能量之源，极地增暖速度比中纬度快，这将导致温差变得越来越小，从而造成风暴减弱;另一方面，由于全球变暖，较暖的空气能携带更多的水汽，造成天河更加潮湿，这又加剧了风暴的发生。
那么，究竟是哪种效应对美国西部气候造成的影响更强一些呢?德廷杰利用大气环流模式研究发现，天河在未来形成会更加频繁，其生长季也会随之延长，即美国西部会变得更加湿润。然而，在气候更暖的情景下，高山雪线将退缩到更高的海拔，一些地区的降雪会被降雨所取代，这将增加下游地区的洪涝风险。
一次次历历在目的惨痛灾害时刻在提醒我们：铭记教训，关注天河。1861年加利福尼亚州的洪涝导致数千人死亡，如此大规模的灾害发生在人口密度要远比今天稀疏的过去是绝无仅有的。然而，人类对于呼之欲来的风暴的抵御能力是有限的，对突如其来的天河适时响应也是必需的。我们需要知道天河将会带来多大的降水量，以及它们会落在哪个流域。但是，利用卫星微波图得到的水汽分布和风速分布图需要满足背景信号是均匀的这一条件，否则很难分离出由于天河造成的波动信号。在宽广均一的大洋面获取稳定可靠的微波探测信号是可以实现的，但对于下垫面复杂多变的陆面仍旧是一个挑战。
2013年，美国在加利福尼亚州沿岸建立了4个专门的天河观测站，试图以此来弥补观测记录上的空白。首个观测站位于旧金山以北的博德加湾，2013年3月竣工。这个小型观测站配备了一整套标准化的气象仪器，还包括风廓线仪以及重新配置的GPS接收器。风廓线仪通过雷达去除大气中的湍流效应，测量不同高度处的风速。GPS接收器通过反演大气中的水汽所造成的GPS信号误差来推断所通过的水汽量。观测站将提供连续、实时的大气脉动信息。
观测站能够做出提前几小时的预警，这对于打开水闸阀门或发出洪涝预警已经足够了，但这点时间用来开展其他防洪工作就显得捉襟见肘了。德廷杰认为，加利福尼亚州需要建造更多的海上观测来发出更早的预警，从而有利于组织疏散工作的进行。他指出，仅靠太平洋面上的几艘气象船以及夏威夷附近的观测站，这是远远不够的。
在广阔的太平洋上与上述类似的观测早在2011年冬季就由美国国家海洋和大气管理局协同美国国家航空航天局联合发起，他们利用一架退役的无人间谍机穿越3个风暴中心，其中包括天河的一条分支。该项目就科学研究目的和科技带头示范效应来说，美国国家航空航天局一方面想探索无人间谍机的科研用途，另一方面也充分证明他们完全有实力部署透视探空仪的能力。更频繁的飞行行动的主要瓶颈在于资金问题，这意味着美国国家航空航天局要说服政府部门该项技术的实用性。研究人员表示，想清楚地了解观测对于预测的重要性，有更多的工作要去做。
也并不是所有工作都需要财政支出才能实现的，那就是提高公众意识。根据已有的了解，天河对于大多数极端降水都是有贡献的。德廷杰指出，当气象预报员发现天河又在一场突如其来的风暴中作梗的话，他们有义务向公众预警，别让风暴有喘息的机会。
文/齐亚杰 苏宝煌
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