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《科學畫報》

開博時間:2016-07-01 14:43:00

由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史。《科學畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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洪水可能源自天河

2020-10-22 11:03:00

洪災

  近年來,世界各地因暴雨而遭受洪澇災害的事件越來越多。要做好洪澇災害的預警和疏散工作,就必須了解氣象災害形成的原因。氣象學家的最新研究表明,世界部分地區出現的洪澇災害可能源于天河造成的短時特大暴雨。當然,氣象學上的天河不是我國民間傳說中阻隔牛郎織女的那條天河,而是可能令親人陰陽相隔的災害元兇。

  不為人知的天河

  天河在氣象學上指的是挾帶大量水汽,能在空中蜿蜒上千千米的空氣流。它是最近才被發現和命名的。這個龐然大物的破壞力不僅表現在影響范圍廣,就其自身攜帶的水汽所造成的短時傾盆大雨,危害絲毫不遜色于颶風。但是,與熟知的颶風不同的是,天河所造成的危害并未被大規模宣傳,政府也未就其做好疏散和預警工作。

  天河產生的影響并不是最近才出現的,加利福尼亞州的居民早已對這種天氣現象耳熟能詳,并親切地稱其為“菠蘿快車”。這種天氣的主要特征是在美國西海岸出現冬季風暴,并且通常伴隨持久而強烈的源自夏威夷的暖濕氣流。然而,有趣的是,對天河的正式識別的地點卻是在計算機數值模擬輸出端。1998年,美國麻省理工學院的朱勇和雷金納德·紐厄爾在運行地球氣候模式時發現,在熱帶和中緯度之間的地帶幾乎所有的水汽都集中在狹小的帶狀區域內,這種空氣中的水汽帶被定義為天河。真正令人震驚的是,天河所攜帶水汽量和輸送的距離。美國地質調查局的邁克爾·德廷杰指出,一場風暴所傳送的水汽量相當于整個北半球從熱帶地區到極區總水汽傳輸的20%。憑借這種驚人的能力,天河是當之無愧的“天河”。

  那么,產生天河的原因何在?遺憾的是,答案仍無從得知。對氣候模式開發者而言,它們僅僅是一個自然而然的現象。因為該現象完全遵守大氣中的一些基本的物理學定律,例如質量守恒和動量守恒定律、入射太陽輻射的分布、地球自轉、水的熱力學性質。

  在北半球地區,天河通常出現在氣旋(逆時針旋轉的低壓系統)中,從南部或西南部攜帶暖濕的空氣到海岸。如果風在1千米高度特別強,大量的暖濕空氣可以在短時間內通過一個地區;如果氣流遇到沿岸山脈,例如哥倫比亞山脈或加利福尼亞州的內華達山脈,在爬升的過程中氣流將逐漸冷卻,所攜帶的水汽凝結成降水。德廷杰指出,這就是強降水形成的過程。

  在英國,雖然達不到加利福尼亞州那樣極端降水,但類似的情形也是存在的。由于英國遠離赤道地區,空氣通常是冷的并且水分含量較少。2011年,英國諾丁漢大學的研究人員分析了過去40年中出現在英國4大河流流域最強的10次洪澇災害,特別是2009年11月出現于坎布里亞郡的極具毀滅性的洪災。結果發現,幾乎在每一個案例中,不管是風速測量,還是水汽數據均能找到天河的蹤影。

  事實上,天河在衛星微波圖像中是很容易找到的,任何時刻都有數十條天河游蕩在地球上空。不過,多數天河并沒有登陸而直接夭折在浩瀚的海洋之上。一條典型的天河所能搬運的水汽量相當于7~15條密西西比河,或者是一條亞馬孫河。在大多數情況下,它們是不造成危害的:風吹動著天河,類似于花園自動旋轉噴灌蓬頭把水汽分配到各個地區,加利福尼亞州地區1/3降水就是得益于天河降水。但是,當周圍的天氣系統阻塞天河使其在一個地方停滯不前,這就會是個大問題,而且問題可能比人們想象的要更糟糕。

洪災

  防范天河成大災

  據目前所知,氣候變化對天河有兩面效應。極地和赤道之間的溫度梯度是中緯度風暴的能量之源,極地增暖速度比中緯度快,這將導致溫差變得越來越小,從而造成風暴減弱;另一方面,由于全球變暖,較暖的空氣能攜帶更多的水汽,造成天河更加潮濕,這又加劇了風暴的發生。

  那么,究竟是哪種效應對美國西部氣候造成的影響更強一些呢?德廷杰利用大氣環流模式研究發現,天河在未來形成會更加頻繁,其生長季也會隨之延長,即美國西部會變得更加濕潤。然而,在氣候更暖的情景下,高山雪線將退縮到更高的海拔,一些地區的降雪會被降雨所取代,這將增加下游地區的洪澇風險。

  一次次歷歷在目的慘痛災害時刻在提醒我們:銘記教訓,關注天河。1861年加利福尼亞州的洪澇導致數千人死亡,如此大規模的災害發生在人口密度要遠比今天稀疏的過去是絕無僅有的。然而,人類對于呼之欲來的風暴的抵御能力是有限的,對突如其來的天河適時響應也是必需的。我們需要知道天河將會帶來多大的降水量,以及它們會落在哪個流域。但是,利用衛星微波圖得到的水汽分布和風速分布圖需要滿足背景信號是均勻的這一條件,否則很難分離出由于天河造成的波動信號。在寬廣均一的大洋面獲取穩定可靠的微波探測信號是可以實現的,但對于下墊面復雜多變的陸面仍舊是一個挑戰。

  2013年,美國在加利福尼亞州沿岸建立了4個專門的天河觀測站,試圖以此來彌補觀測記錄上的空白。首個觀測站位于舊金山以北的博德加灣,2013年3月竣工。這個小型觀測站配備了一整套標準化的氣象儀器,還包括風廓線儀以及重新配置的GPS接收器。風廓線儀通過雷達去除大氣中的湍流效應,測量不同高度處的風速。GPS接收器通過反演大氣中的水汽所造成的GPS信號誤差來推斷所通過的水汽量。觀測站將提供連續、實時的大氣脈動信息。

  觀測站能夠做出提前幾小時的預警,這對于打開水閘閥門或發出洪澇預警已經足夠了,但這點時間用來開展其他防洪工作就顯得捉襟見肘了。德廷杰認為,加利福尼亞州需要建造更多的海上觀測來發出更早的預警,從而有利于組織疏散工作的進行。他指出,僅靠太平洋面上的幾艘氣象船以及夏威夷附近的觀測站,這是遠遠不夠的。

  在廣闊的太平洋上與上述類似的觀測早在2011年冬季就由美國國家海洋和大氣管理局協同美國國家航空航天局聯合發起,他們利用一架退役的無人間諜機穿越3個風暴中心,其中包括天河的一條分支。該項目就科學研究目的和科技帶頭示范效應來說,美國國家航空航天局一方面想探索無人間諜機的科研用途,另一方面也充分證明他們完全有實力部署透視探空儀的能力。更頻繁的飛行行動的主要瓶頸在于資金問題,這意味著美國國家航空航天局要說服政府部門該項技術的實用性。研究人員表示,想清楚地了解觀測對于預測的重要性,有更多的工作要去做。

  也并不是所有工作都需要財政支出才能實現的,那就是提高公眾意識。根據已有的了解,天河對于大多數極端降水都是有貢獻的。德廷杰指出,當氣象預報員發現天河又在一場突如其來的風暴中作梗的話,他們有義務向公眾預警,別讓風暴有喘息的機會。

  文/齊亞杰 蘇寶煌

本文來自《科學畫報》

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