预测之前不可预测的天气：新方程可改变大气河流预报

2024 年 10 月，不列颠哥伦比亚省南部和华盛顿州西部面临强大的大气河流带来的大量降雨。 资料来源：NASA 地球观测站图片，作者：Wanmei Liang，使用来自 NASA EOSDIS LANCE、GIBS/Worldview 和联合极地卫星系统 (JPSS) 的 VIIRS 数据。

这些极端天气事件往往源于大气河流--长长的浓缩水汽带，有时被称为"空中河流"，由强风吹送。 气象学家积极跟踪这些大气河流，但如果能更深入地了解其基本物理原理，就能做出更准确的预报。

在今天（11 月 4 日）发表于Nature Communications的一项研究中，资深作者、University of Chicago地球物理科学助理教授 Da Yang 和第一作者、现任阿贡国家实验室博士后研究员 Hing Ong 介绍了一个新方程，旨在加深我们对大气河流驱动力的理解、 和第一作者 Hing Ong（现任阿贡国家实验室博士后研究员）介绍了一个新方程，旨在加深我们对大气河流驱动力的理解。

他们希望新框架能提高大气河流预测的准确性，尤其是在极端天气事件和气候变化的背景下。 这种改进的过程级理解还有助于更清晰地传播极端天气预报结果。

大气河流是水汽集中的狭长区域，伴随着强风，将水汽从热带带向两极。 它们输送的水量是流经密西西比河口的水量的 15 倍，并能带来暴雨、大雪和强风。 加州每年多达一半的降水量是由大气河流带来的。

虽然北美洲西海岸特别容易受到大气河流携带的极端降水的影响，当它发源于夏威夷附近时，被称为"菠萝快车"，但这些空中河流在世界各地都会出现。 平均而言，在中纬度北部和中纬度南部分别有五条，自西向东移动。 它们的力量并不都足以造成破坏性的洪水和山体滑坡；力量较弱的系统也可能是有益的，可以补充水库和缓解干旱。

大气河流是全球气候的重要组成部分，了解它们将有助于提高天气预报、水资源管理和洪水风险预测的能力。 关于大气河流的现有研究大多涉及特征描述：监测、跟踪和评级，以帮助传达其危害程度。 但一直缺乏的是确定大气河流演变的方法。

大气河流的监测使用的是一种称为综合水汽输送（IVT）的指标，它描述了水汽在大气中移动的数量和速度。

这一指标足以开发跟踪和监测算法，但要解决有关大气河流演变的基本问题，科学家们需要一个控制方程。 这是一个数学表达式，描述了一个系统如何根据特定的规则或原则发生变化。

Yang说，支配方程可以让科学家们提出一些大局观问题，例如："是什么提供了能量，使大气中的河流得以形成和维持？是什么为大气河流的形成和维持提供了能量？ 它们又为何向东移动？"

要推导出回答这些问题的框架，研究小组需要开发出一种将水汽量和强风能量合二为一的变量：综合水汽动能（IVKE）。

新方程在跟踪和监测大气河流方面与 IVT 一样有效和高效。 但它"还有一个好处，那就是它是一个基于第一原理的直观调控方程，"杨说，"它能告诉我们是什么让大气河流变得更强，是什么让它消散，是什么让它实时向东传播。"

这一突破为大气河流的统计分析增添了物理过程层面的理解。 描述这一多功能框架的论文的工作标题是"一石二鸟"。

利用这一新框架，杨的团队发现，大气河流的强度增加主要是因为势能转化为动能。 河流因凝结和湍流而减弱，并因动能和水汽在气流作用下的水平移动而向东移动。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）是负责天气预报的主要中心，负责研究、监测和公布有关大气河流的信息。 Yang提出，他的团队的新框架是对NOAA基于IVT的分析的补充，提供了实时诊断，为预测结果提供了更坚实的物理基础。 这种方法增强了预测的信心，尤其是对极端事件的预测，并有助于诊断模型的性能--最终指导预报模型的改进。

气候变化在大气河流演变中的作用也是人们感兴趣的话题。随着气候变化，水汽量在不断增加，在环流没有太大变化的假设下，可能会预期个别大气河流可能会变得更强。

这项研究没有调查这种关系，但这将是研究小组的下一步工作之一。 实验室的新博士后研究员张爱迪将利用新框架研究气候变化如何利用水汽动能影响大气河流。

这项研究对Yang来说是一个全新的领域，尽管与他的专长--研究热带大气中的对流风暴并不遥远。 在加入芝加哥大学之前，Yang在加州生活了15年，这激发了他对大气河流的兴趣。 "现在我生活在更高纬度地区，"他说，"我应该更多地关注这些中纬度风暴。"

编译自/ScitechDaily