在这篇节选自《环球科学》10月新刊的文章中，F. 马丁·拉尔夫将带着我们看看科学家是如何追踪监测一场”大气河“风暴的。
某个星期一的早上，我在美国旧金山市中心的西尔斯美食（Sears Fine Food）餐厅一边吃早餐，一边漫不经心地看着柜台后面的电视屏幕，上面正在播放当地未来5天的天气预报。屏幕底部的一个小符号显示着一个带着笑脸的太阳，这表明当天余下的时间里将是阳光灿烂。到了星期三，天气符号就变成了一朵友好的云彩与几点雨滴，星期四则是乌云密布并伴有更多的雨滴。我知道星期四的天气状况将会比这个符号所传达的更为恶劣。因为我一直在研究卫星数据和天气模型，相关迹象表明一条“浩浩荡荡”的“大气河”（atmospheric river，AR）将会袭击这座城市。而天气预报上的符号不足以传达即将来临的风暴会带来的威胁。
“大气河”在本质上是由悬在空中的水汽形成的“河流”，它们会被低纬度的强风向前推进，有时可达飓风级速度。直到21世纪10年代，美国气象学会才在气象学术语表（Glossary of Meteorology）中公布了“大气河”的标准定义，在此之前，多亏了先进的卫星成像等科学技术，气象学家了解了“大气河”风暴是如何在遥远的海洋上空形成的。等到“大气河”袭击美国西海岸时，它们可能已经伸展到约3200千米长，宽度和厚度分别演变成约800千米和3千米。在世界上的一些地区，一次“大气河”带来的平均降雨量远大于一场典型降雨或雷暴，它输送的水汽量相当于密西西比河注入墨西哥湾的流量的25倍。
这些风暴会带来洪涝灾害，对于部分地区来说可能是百年一遇的大洪水。它们还可能会绵绵不断地产生一系列风暴。“大气河”每年都会数次袭击美国西海岸、加拿大、欧洲、非洲、南美洲和新西兰，此外还能深入内陆。例如，在今年6月，位于美国内陆地区的黄石国家公园被迫关闭，因为汹涌的洪水冲毁了公园的道路，而这在很大程度上是由一次超强“大气河”引发的。
值得一提的是，“大气河”并不总是带来灾难，有时也会给干旱地区带来期盼已久的雨水。它们还有助于增加积雪，补充天然湖泊和人造水库的蓄水量。然而，气象学家还很难提前几天就知道一场风暴将在何地登陆。正如可以快速变得巨大一样，“大气河”总是变化莫测，因为从海表温度到高空冷气团的多种因素都有可能影响它们的发展过程。
2016年，就在“大气河”预计登陆旧金山的同一天，我也要在当地举办的美国地球物理学会会议上介绍对这种风暴的新见解。电视上天气预报符号的不足之处，促使我下定决心建立一张“大气河”强度等级表，将它作为一种预测和沟通工具。对此，我和同事已经讨论了一段时间。我设想用一个黄色方框来代表风暴系统，同时用黑体加粗的字符显示强度等级。
这套工具可以追踪10个或更多的变量，包括数百上千米高空的气流，以及水汽的水平运动。这些变量对预测“大气河”袭击一处海岸的几率发挥着一定的作用。为了建立一个清晰且具有说服力的等级划分系统，我们需要将那10个变量简化为两类，分别表示一次即将来临的“大气河”的强劲程度和持续时间。
“大气河”强度等级表
我们将“大气河”的等级划分成了5级：从AR1（主要带来有益降雨）至AR5（主要引发灾害）。这样做的目的是提醒人们密切关注“大气河”的初始等级，以及后续的任何变化，因为强烈的“大气河”会使沿海地区或内陆山区遭受数小时到数天的暴雨或暴雪，所以地勤人员需要每隔一段时间就重新评估当前需要采取的措施。
2019年，我们的研究团队在《美国气象学会公报》上发表了“大气河”强度等级表。要想根据这张等级表判断一场“大气河”的强度，科学家实际需要在观测到一次即将来临的“大气河”之后做大量的研究工作。在过去两年里，数次强烈的“大气河”袭击了美国西海岸。在这些案例中，利用“大气河”等级表，研究人员和天气预报员得以更准确地告知应急人员和水资源管理员，这究竟是一场有利于补充水源的降雨，还是一场引发洪水和山体滑坡的暴雨。
当准备更充分后，政府部门既可以降低风暴对生命和财产安全的威胁，也能知道如何最大程度地增加储水量。2021年1月，“大气河”使加利福尼亚州大瑟尔海岸发生了严重的山体滑坡，后续的泥石流还导致悬崖边的部分道路坍塌。此次事故并没有造成人员死亡，这表明政府可以利用最新的预测方式，准确监测风暴并做好后果管理。很明显，充分发挥准确预测与沟通的能力，有助于美国西海岸做好应对强风暴的准备。
拯救生命
2021年1月底，研究人员观测到太平洋上空正在形成一个大气环流，它将会给美国西海岸带来另一场极端天气事件。但问题是，这条“大气河”会在哪里登陆，以及强度如何？此时，研究人员的不安感也在急剧上升。美国西海岸的一部分地区就像全球其他地中海气候区一样，水通常是一种稀缺资源，所以居民、农民和商人都期盼着降雨。但是，暴雨又会引发洪水，摧毁农业和基础设施，甚至危及人民生命安全。
当时，在太平洋西北地区，河流水位在数周暴雨后仍居高不下。因此，那里的人们最不希望看到的就是另一场风暴的来临。然而，对于遭受严重干旱的加利福尼亚州，几厘米的降水量就能缓解现有的旱情，但如果雨水渗透已被野火烧尽的陡峭山坡，就会导致山体滑坡。
2021年1月20日，由大气科学家、气象学家、机组人员和来自跨机构“大气河”侦察指挥中心的工作人员组成的一支研究团队决定，派飞机飞入正在聚集和发展的风暴中收集数据。尽管卫星数据和海洋浮标数据对天气模型至关重要，但二者并不能充分监测“大气河”的位置、强劲程度和水汽含量。这部分是因为“大气河”往往伴随着多云或多雨的现象，会阻碍卫星采集数据或降低准确度，而侦察飞机刚好可以弥补这些不足之处。
一条“大气河”会在前进过程中从四面八方吸纳水分。
两天后，美国海洋和大气管理局（NOAA）的一架叫做湾流4号（G-IV）的喷气式飞机爬升至夏威夷以西的太平洋上空约12千米处。在观测的几个小时内，侦察飞机每隔10分钟左右就会释放一次下投式探空仪（dropsondes）。这种小型仪器会乘着附带的降落伞向下飘落20分钟，同时测量风速、风向、水汽、温度和压力，并通过无线电将数据传送给侦察飞机。随后，飞机会将数据发送给全球天气数据中心。在那里，气象预测模型会利用这些数据开始新一轮的预报——通常每6或12个小时预报一次。这架喷气式飞机还携带了无线电掩星探测仪的原型机，它可以使用GPS卫星信号，探测飞机周围约290千米内的大气状况。同时，还有100多个海洋漂流浮标收集的气压数据也会送至全球天气数据中心，这些浮标是由全球漂流浮标计划（Global
Drifter Program）部署的。新的消息多少能让已经有过多水量的太平洋西北地区安心些。来自侦察飞机的数据显示，“大气河”很有可能会在更南的地方登陆。
2021年1月22日，CW3E的分析显示此次风暴的强度可能是AR1级。随后，我们开始给当地专家发送包含预测信息的短信或电子邮件。根据这条信息，再加上NWS常规的预报信息，这些专家会向负责实地行动的市政领导提供应急建议。在加利福尼亚州的圣克鲁斯，许多陡峭的山坡都已经被野火烧过，当地的消防队长正在为潜在的山体滑坡做准备。在加利福尼亚州的大瑟尔，交通管理部门也为了防范山体滑坡准备关闭1号公路，毕竟这里有些斜坡可高达300米。
2021年1月，“大气河”带来的雨水浸透山坡，造成了泥石流，进而导致加利福尼亚州1号公路中断。
2021年1月23日，我们派G-IV喷气式飞机到夏威夷的西北部，探测一个如今已经发展成熟但移动缓慢的低压系统。这个低压系统正在朝着一道即将来临的低压槽路径向北输送水汽和热量，而这道低压槽正在从日本和西伯利亚向东快速移动。这两个低压系统之间的相互作用将影响未来几天内“大气河”会在哪里形成，以及如何移动。根据CW3E的等级划分工具，这场风暴可能会在加利福尼亚州登陆并达到AR2级，而这会增加沿海地区的灾害风险。
相比于上一次预测，新预测显示“大气河”的等级变高了，这也促使我们更频繁地开展侦察飞行，例如，两架来自美国空军预备役基地的C-130气象侦察机在美国西海岸侦察“大气河”。到了2021年1月24日，天气预报预测“大气河”会在美国洛杉矶北部的康赛普逊岬附近停滞。但一些集成模型显示，风暴可能会停滞在更远的北部，即大瑟尔附近，那里曾爆发过大规模山火。
到了2021年1月26日，“大气河”开始朝着康赛普逊岬与圣何塞之间的区域前进。“大气河”侦察飞机每天都要执行更多次的侦察任务，监测发现，这场风暴将达到AR2或AR3级并发生停滞，这意味着一些不幸的沿海地区可能会遭受长达一天半的暴雨。在蒙特雷和圣克鲁斯附近的燃烧区域，以及1号公路上“脆弱”的大瑟尔路段，应急管理部门已预先部署了救援设备和人员。
2021年1月27日凌晨，NWS的下一代天气雷达（NEXRAD）网络追踪到了阵雨。正如预测的那样，在一系列即将来袭的风暴中，第一场先袭击了旧金山湾区北部，但很快就穿过了那里。门多西诺湖附近有一个地面“大气河”观测站，它使用直视雷达，确定主要风暴将出现在水库南部，并将这个消息“传达”给预报员和水库操作员。相比之下，在门多西诺湖，风暴仅产生了约5~8厘米的降雨，而这样的降雨多半是有益的。
果不其然，AR3级风暴在大瑟尔附近停滞，并且两天内的降雨量就超过了25厘米。而在圣卢西亚，山脉附近甚至有更大的降雨量。倾盆大雨既导致城市洪水泛滥，也在大火烧过的山坡引发严重的泥石流，由此摧毁了房屋和商业建筑，并严重破坏了重要的沿海1号公路。最终，这条道路被关闭数月进行重大维修，而这也中断了交通，影响了当地经济。因此，这次事件成为2021年美国“造成数十亿美元损失的天气灾害”之一。
重要的是，这次事件并没有造成人员死亡。初步分析表明，“大气河”侦察数据改善了预测结果，可以使降雨预报误差降低50%，否则对大瑟尔的预测降雨量将比实际降雨量少得多。也就是说，这有助于提高准确预警和应急响应的能力。
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