大氣河流通常被稱為”空中河流”，它輸送大量水汽，影響全球氣候。 新研究開發了一種預測方程，用於了解這些系統的強度和運動，從而加強極端天氣預報。當暴雨和強風襲擊人口稠密的沿海地區時，整個城市都可能面臨毀滅性的破壞。 不過，只要有足夠的預警，政府和居民就有機會做好準備，減輕可能造成的損失。

2024 年10 月，不列顛哥倫比亞省南部和華盛頓州西部面臨強大的大氣河流帶來的大量降雨。 資料來源：NASA 地球觀測站圖片，作者：Wanmei Liang，使用NASA EOSDIS LANCE、GIBS/Worldview 和聯合極地衛星系統(JPSS) 的VIIRS 資料。

這些極端天氣事件往往源自於大氣河流–長長的濃縮水汽帶，有時被稱為”空中河流”，由強風吹送。 氣象學家積極追蹤這些大氣河流，但如果能更深入了解其基本物理原理，就能做出更準確的預報。

在今天（11 月4 日）發表於Nature Communications的一項研究中，資深作者、University of Chicago地球物理科學助理教授Da Yang 和第一作者、現任阿貢國家實驗室博士後研究員Hing Ong 介紹了一個新方程，旨在加深我們對大氣河流驅動力的理解、 和第一作者Hing Ong（現任阿貢國家實驗室博士後研究員）介紹了一個新方程，旨在加深我們對大氣河流驅動力的理解。

他們希望新框架能提高大氣河流預測的準確性，尤其是在極端天氣事件和氣候變遷的背景下。 這種改進的過程級理解也有助於更清晰地傳播極端天氣預報結果。

大氣河流是水汽集中的狹長區域，伴隨著強風，將水汽從熱帶帶往兩極。 它們輸送的水量是流經密西西比河口的水量的15 倍，並能帶來暴雨、大雪和強風。 加州每年多達一半的降水量是由大氣河流帶來的。

雖然北美洲西海岸特別容易受到大氣河流攜帶的極端降水的影響，當它發源於夏威夷附近時，被稱為”菠蘿快車”，但這些空中河流在世界各地都會出現。 平均而言，在中緯度北部和中緯度南部分別有五條，自西向東移動。 它們的力量並不都足以造成破壞性的洪水和山體滑坡；力量較弱的系統也可能是有益的，可以補充水庫和緩解乾旱。

大氣河流是全球氣候的重要組成部分，了解它們將有助於提高天氣預報、水資源管理和洪水風險預測的能力。 關於大氣河流的現有研究大多涉及特徵描述：監測、追蹤和評級，以幫助傳達其危害程度。 但一直缺乏的是確定大氣河流演變的方法。

大氣河流的監測使用的是一種稱為綜合水汽輸送（IVT）的指標，它描述了水汽在大氣中移動的數量和速度。

這項指標足以開發追蹤和監測演算法，但要解決有關大氣河流演變的基本問題，科學家需要一個控制方程式。 這是一個數學表達式，描述了一個系統如何根據特定的規則或原則而改變。

Yang說，支配方程式可以讓科學家提出一些大局觀問題，例如：”是什麼提供了能量，使大氣中的河流得以形成和維持？是什麼為大氣河流的形成和維持提供了能量？ 它們又為何向東移動？

要推導出回答這些問題的框架，研究小組需要發展出一個將水汽量和強風能量合而為一的變數：綜合水汽動能（IVKE）。

新方程式在追蹤和監測大氣河流方面與IVT 一樣有效和高效。 但它”還有一個好處，那就是它是一個基於第一原理的直觀調控方程，”楊說，”它能告訴我們是什麼讓大氣河流變得更強，是什麼讓它消散，是什麼讓它是即時向東傳播。

這項突破為大氣河流的統計分析增添了物理過程層面的理解。 描述這一多功能框架的論文的工作標題是”一石二鳥”。

利用這個新框架，楊的團隊發現，大氣河流的強度增加主要是因為位能轉化為動能。 河流因凝結和湍流而減弱，並因動能和水汽在氣流作用下的水平移動而向東移動。

美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）是負責天氣預報的主要中心，負責研究、監測和公佈有關大氣河流的資訊。 Yang提出，他的團隊的新框架是對NOAA基於IVT的分析的補充，提供了即時診斷，為預測結果提供了更堅實的物理基礎。 這種方法增強了預測的信心，尤其是對極端事件的預測，並有助於診斷模型的性能–最終指導預報模型的改進。

氣候變遷在大氣河流演變中的作用也是人們感興趣的議題。隨著氣候變化，水汽量不斷增加，在環流沒有太大變化的假設下，可能會預期個別大氣河流可能會變得更強。

這項研究沒有調查這種關係，但這將是研究小組的下一步工作之一。 實驗室的新博士後研究員張愛迪將利用新框架研究氣候變遷如何利用水汽動能影響大氣河流。

這項研究對Yang來說是一個全新的領域，儘管與他的專長–研究熱帶大氣中的對流風暴並不遙遠。 在加入芝加哥大學之前，Yang在加州生活了15年，這激發了他對大氣河流的興趣。 “現在我住在更高緯度地區，”他說，”我應該更專注於這些中緯度風暴。”

編譯自/ ScitechDaily