中國極端降水的底層地理邏輯，究竟是什麼

這個冬天無論中國還是美國 都遇到了好幾波寒潮 之前我們專門分析了美國史詩紀寒潮的全過程 其中美國本土只有加利福尼亞倖免於難 但緊隨其後 12月底到1月中旬 連續幾次強降水引發的洪水 造成加州交通癱瘓和大面積斷電 至少19人死亡 58個縣居然有一半以上淪爲災區 2600萬人處於洪水警報之下 躲過寒潮卻撞上了洪災 加州這次天降大雨 源於一種叫大氣河的奇特現象 是一種能把幾千公里外的雨 搬到你頭上的機能 十分類似於 能力是什麼 本期視頻是地球操作系統的第11期 我們會詳細分析大氣河這一現象 及其與中國降水和洪水的關係 信息量比較大 希望你能耐心看完 也希望大家三連支持我們 大氣河是上世紀末纔出現的新概念 1994年 華裔科學家朱永和合作者紐威爾 首次在論文中提出了大氣河 Atmospheric Rivers 當時他們使用 歐洲中期天氣預報中心的數據 計算了全球的水汽輸送情況 發現大氣中有一種窄而長的帶狀結構 其輸送水分的能力 相當於全球淨流量第一的亞馬遜河 大氣河與美國西海岸的突發暴雨 有着奇特的關係 每年冬天 夏威夷羣島和西海岸之間 常常出現一條水汽通道 太平洋上的大量水蒸汽 被輸送到洛基山脈 並在西海岸引發暴雨 這一現象看起來 確實與天氣預報的機能頗爲相似 由於夏威夷生產菠蘿 這條大氣河又被稱爲 菠蘿快車Panapol Express 菠蘿快車集中在每年1、2月發車 根據NOA的估計 西海岸年降水量的30%到50% 都發生在少數幾次菠蘿快車事件中 但如果車速過快 一不小心就會變成暴雨加洪澇 有時甚至能深入內陸 2014年12月 洪澇就造成加州大面積斷電 去年6月 深居內陸的黃石公園 因爲一次大氣河引發的洪水 被迫關閉 基於大氣河對西部天氣變化的影響力 美國人很快就開始加強 對大氣河的研究和預報能力 1998年 NOA的拉爾夫等人 就搭乘重型飛機 進入北太平洋上空的大氣河內部 觀測並收集數據 從那時起 他一直致力於研究大氣河 並構建預報系統 時至今日 美國這套系統仍頗爲有效 大氣河不光美國有 在太平洋對岸的中國也很常見 這是一張拍攝於2020年7月5日的地球快照 一條寬闊的雲帶橫貫中國中東部 並一直延伸到日本東海岸 此時正值黃梅時節加加雨 在一個多月時間裏 在負高和季風的聯合作用下 我國的長江中下游 江淮地區 韓國南部 日本列島南部 都呈持續的陰雨天氣 梅雨連綿不絕 雨量一般不會特別大 但2020年是個例外 在7月5日前後一週內 長江中下游降水量顯著提高 超過210毫米 而往年整個梅雨期的降水 也就280毫米左右 由於其超強的造雨能力 這次梅雨又被稱爲超級暴利梅 爲了搞清楚暴利梅背後的原因 氣象學家藉助衛星 從高空觀察整個東亞 分析衛星接收到地球大氣向外發射的微波信號 通過數學方法推算不同高度上的水汽含量 由此發現在梅雨峯的位置上 大量水汽聚集成帶 再結合數值模型推算出峯的大小 一條長6265公里 寬670公里 深4公里的空中懸河浮現在眼前 這條空中懸河於7月5日當天 在長江中下游上空的水汽輸送量十分驚人 相當於長江在當地夏季淨流量的10倍 是前後幾天降雨量劇增的關鍵原因 氣象學家稱之爲大氣河可謂實至名歸 雖以河流爲名 但它畢竟在天上 和地表河流完全不是一個套路 首先大氣河輸送的不是液態水 而是氣態水 也就是水蒸汽 所以相同的水量 密度很低 體積龐大 寬度動輒幾百公里 其次地表河流的路徑是由地形歸置的 河流和地形相互塑造是一個漫長的過程 而天上的大氣河可以說是自似橫流 難以捉摸 聚則成雨 散則無形 一條大氣河路徑從發生到消亡 只有幾天到十幾天 其位置和路徑隨風場不斷移動和變化 換而言之 大氣河是一種短暫且突然的大規模水汽輸送 近年來氣象學家已經意識到 大氣河與降水之間有着密切聯繫 以2020年江淮梅雨爲例 與大氣河相關的降水 佔到總降水的50%到80% 同時伴隨大氣河的降雨強度 是沒有大氣河時候的6到12倍 除了梅雨 很多突發暴雨背後都有大氣河的蹤跡 有研究人員稱 前年7月兩場造成重大損失的暴雨 經經濟712和河南720 發生時都有強盛的大氣河 在高空 下雨區源源不斷輸送水汽 在一項針對2016年7月20日 北京特大暴雨的研究中 揭示了大氣河促成暴雨的可能機制 在19日1時到21日6時的53個小時裏 全市平均降雨210.7毫米 有8個國家基準氣候站的記錄被打破 在這一過程中 西深的富熱帶高壓和青藏高原之間 有一條強盛的東北向的大氣河 大量水汽沿着這條路徑北上 促成了北京特大暴雨 對歷史資料的統計研究發現 在夏季東部地區全部降水中 有25%到40%與大氣河有關 如果換成與極端降水的相關性 這個比例高達60%到75% 這說明在常規的降水之外 突然出現的大氣河類似一種輸出型buff buff加在哪裏 哪裏的降水就變成強降水 這既是暴雨和洪澇的原因 也是降水量的重要補充 所以大氣河的時空間分佈就非常重要 甚至可以在幾十年的時間尺度上 深刻參與氣候變化 比如著名的南澇北旱 從上個世紀下半葉至今 大體上我國華南降水增多 華北降水減少 這種南北同步變化便是南澇北旱 最近的研究表明 這一長期變化背後就有大氣河的身影 過去七十年來 長江以南每年發生的大氣河越來越多 華北地區卻越來越少 其南增北減與南澇北旱的降水量變化趨勢一致 進一步的研究表明 大氣河對降水量的年變化有顯著貢獻 在降水更依賴暴雨的北方 這一貢獻高達49% 南方相對較少 在10%到30%之間 以上中美兩邊的例子有一個共同點 這些大氣河都位於溫帶 從全球範圍來看 大氣河很可能是溫帶氣旋的某種半生物 在之前的美國寒潮裏 我們就提到過溫帶氣旋 這是一種出現在中高緯度的低壓天氣系統 氣象學家一般根據溫帶氣旋的位置和路徑 給常出現的氣旋命名 比如蒙古氣旋 東北氣旋 黃淮氣旋 江淮氣旋 這些氣旋主要由三股氣流構成 靠南的暖輸送帶 靠北的冷輸送帶 以及被捲入其中的乾燥氣流 這三股氣流螺旋交匯 經常形成逗點雲系 在衛星雲圖上非常壯觀 逗點雲系席捲乾冷和暖溼空氣 兩種空氣是維持氣旋的重要耗材 冷暖交匯處溫度變化劇烈並形成封面 暖溼氣流的一側被雲覆蓋並形成降雨 大氣河就形成於溫帶氣旋的暖輸送帶中 類似一個熱抽風機 把大量水氣耗材源源不斷地向氣旋里送 內部劇烈的上升運動把水氣帶到高空 水氣凝結爲水滴 氣態變爲液態 在這一凝結過程中釋放的熱能 又爲氣旋發展提供動力 除了氣旋本身 東亞大氣河的位置還受到負熱帶高壓的影響 中國夏季的主雨帶常常落在負高北側 最重要的原因就是順時針的高壓中心 把南方的海上水氣帶到了北側 如果此時在陸地上還有一個溫帶氣旋 逆時針的氣旋加順時針的負高 夾在兩者之間的水氣輸送 就會格外強烈 暴雨將至 前面提到的2016年夏天北京特大暴雨 就是這種情況 在強烈的環懷氣旋和負高的雙buff加持下 一條強烈的大氣河直達煙山腳下 遇到陡峭的地形後 高強度降雨 大氣河這一概念提出比較晚 我國學者在東亞地區的大氣河研究方面 更是剛剛起步 與科學研究而言 這個新概念是審視以往知識體系的一個新的角度 與實際應用而言 搞清楚大氣河才能更好的理解和應對 那些突發的極端降水 進而拯救更多的生命 但毫無疑問 大氣河是地球降水的重要組成部分 如今通過衛星和數值模型 人類能清楚看出這顆藍色星球的另一層面貌 以前我們很難想象 5000公里外的熱帶海水 可以在幾天內變爲你窗外的暴雨 而正是這一條條蜿蜒曲折的巨龍 每時每刻都在重新分配着地球上的水熱資源 本系列的下一期我們將前往南極洲 講講那個讓人類擔心了30多年的臭氧層空洞 感謝大家的支持 我們下期再見