Влияние атмосферных рек на региональные риски осадков и наводнений

Атмосферные реки представляют собой длинные, узкие полосы влаги в атмосфере, которые переносят огромные объемы водяного пара на огромные расстояния. Часто описываемые как «реки в небе», эти погодные явления играют решающую роль в формировании региональных моделей осадков и рисков наводнений во всем мире. Понимание того, как они формируются, перемещаются и усиливаются, имеет важное значение для менеджеров водных ресурсов, планировщиков чрезвычайных ситуаций и сообществ, которые полагаются или находятся под угрозой осадков, которые они доставляют. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор атмосферных рек, их влияние на осадки и опасности наводнений, а также стратегии, используемые для прогнозирования и смягчения их последствий.

Что такое атмосферные реки?

Атмосферная река (АР) представляет собой узкий коридор концентрированной влаги в нижней атмосфере. Эти полосы обычно транспортируют водяной пар из тропических или субтропических регионов к полюсам, часто протяженностью в тысячи километров и шириной всего в несколько сотен километров. Когда АР совершает выпадение на сушу, она может выпускать сильные осадки, иногда в течение нескольких дней, что приводит как к полезному водоснабжению, так и к разрушительным наводнениям.

Формирование и структура

Атмосферные реки образуются, когда сильная система низкого давления привлекает теплый, влажный воздух из тропических широт в сфокусированный поток. Влага переносится в нижнюю тропосферу, как правило, ниже высоты 2-3 км. Ключевыми ингредиентами являются температурный градиент (часто с холодного фронта) и запас теплого, влажного воздуха - обычно получаемого из выше теплых океанских течений, таких как Гольфстрим или Тихоокеанский теплый бассейн. Как только влагозагруженный воздух вынужден подниматься над горным хребтом (орографический подъем), он охлаждается и конденсируется, что приводит к интенсивным осадкам или снегопадам.

Классификация и масштабы

Метеорологи используют Атмосферную шкалу рек (AR Scale) для ранжирования событий от AR1 (слабый) до AR5 (исключительный). Эта шкала основана на интегрированном транспорте водяного пара (IVT) и продолжительности события. AR3 или выше может вызвать значительное наводнение, особенно если оно задерживается на площади. Например, событие февраля 2019 года в Калифорнии, вызвавшее широкомасштабное наводнение, было классифицировано как AR4. Шкала помогает синоптикам сообщать о риске менеджерам по чрезвычайным ситуациям и общественности.

Глобальное распределение

Атмосферные реки не ограничиваются западным побережьем США. Они встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды. Известные регионы включают:

Фактически, исследование 2021 года в Nature Geoscience подсчитало, что атмосферные реки ответственны за до 50% годовых осадков в некоторых прибрежных районах средней широты. Их влияние на водные ресурсы глубоко, но также и их потенциал для катастрофы.

Как атмосферные реки влияют на региональные осадки

Когда AR делает выпадение, количество осадков зависит от местности, содержания влаги и продолжительности события. В горных районах орографический подъем выжимает большую часть влаги, приводя к экстремальным осадкам на наветренных склонах. Этот процесс отвечает за некоторые из самых тяжелых наблюдаемых осадков, таких как более 500 мм (20 дюймов) в один день во время кризиса плотины Оровиль в 2017 году в Калифорнии.

Полезное водоснабжение

В засушливых и полузасушливых регионах атмосферные реки являются жизненно важным источником пресной воды. Например, Калифорния полагается на несколько сильных событий AR каждую зиму, чтобы пополнить резервуары, снежный покров и грунтовые воды. Типичный водный год в штате видит 30-50% от его общего количества осадков всего от 5-10 дней AR. Без этих событий, разрушающих засуху, многие сообщества столкнутся с серьезной нехваткой воды. Аналогичным образом, части Чили и Южной Африки зависят от AR для их ежегодного водного бюджета.

Быстрый сток и насыщение почв

С другой стороны, сильные ливневые осадки могут быстро насыщать почвы, создавая быстрый сток, который переполняет реки и дренажные системы. Даже умеренные АР могут вызвать внезапные наводнения, если они попадают в районы с сухими, уплотненными почвами, которые не могут поглощать воду, или если снежный покров быстро тает из-за теплого дождя - явление, известное как дождевые события на снегу. . Это особенно опасно в горных водоразделах, где наводнения и потоки мусора могут происходить далеко вниз по течению.

Переменная по регионам

Эффекты ARs от осадков варьируются в зависимости от широты и топографии. На северо-западе Тихого океана ARs часто приносят умеренные, но постоянные дожди в течение нескольких дней, в то время как в Калифорнии они с большей вероятностью производят короткие, интенсивные потопы. В Европе ARs, падающие на землю, иногда называемые «влажными конвейерами», могут вызвать сильное наводнение на Британских островах и Скандинавии. Понимание этих региональных различий имеет решающее значение для местных стратегий адаптации.

Риски и опасности наводнений

Наводнение из атмосферных рек может принимать различные формы: речное наводнение, внезапные наводнения, городские наводнения и прибрежные наводнения из-за штормового нагона, когда АР совпадают с приливами.Сочетание сильного дождя, насыщенного грунта и недостаточной дренажной способности создает сценарий высокого риска.

Перегрузка рек и водохранилищ

Дожди, вызванные AR, часто приводят к быстрому повышению уровня рек. Если осадки сохранятся, водохранилища могут быть вынуждены выпускать большие объемы воды для поддержания структурной безопасности, что потенциально может вызвать затопление нижнего течения. Инцидент с водосбросом плотины Оровиль в феврале 2017 года был вызван событием AR4, которое сбросило 76 мм дождя за 48 часов на уже насыщенную местность. Экстренные выбросы привели к серьезной эрозии и эвакуации 188 000 человек.

Городские и внезапные наводнения

В таких городах, как Лос-Анджелес, Сиэтл и Лондон, штормы AR могут перегружать системы ливневых вод, что приводит к обширным уличным наводнениям и имущественному ущербу. Внезапные наводнения в крутой местности, такие как в горах Сан-Габриэль или Шотландском нагорье, движутся с небольшим предупреждением и могут быть смертельными. Во время AR 2019 года в Австралии внезапные наводнения в Квинсленде заставили тысячи эвакуироваться и причинили ущерб в размере более 1 миллиарда австралийских долларов.

Оползни и потоки мусора

Сильные осадки из атмосферных рек также вызывают оползни и потоки мусора, особенно в районах, сожженных лесными пожарами. Шрамы от ожогов не имеют растительности и имеют водоотталкивающие почвы, поэтому даже скромные дожди могут вызвать опасные оползни. Поток мусора Монтесито в Калифорнии в 2018 году последовал за периодом сильного дождя AR на ожоговом шраме; 23 человека погибли и сотни домов были разрушены.

Известные события в реке Атмосфера

История приводит множество примеров АР, которые вызвали катастрофическое наводнение. Вот некоторые из наиболее значимых:

Тихоокеанские Северо-Западные наводнения (декабрь 1996 - январь 1997)

Серия сильных АР обрушилась на Тихоокеанский Северо-Запад и Калифорнию, вызвав рекордные осадки. Река Уилламетт в Орегоне поднялась до самого высокого уровня за 30 лет, затопив промышленные районы Портленда. Ущерб превысил $1 млрд, а 14 смертей были зарегистрированы. Это событие помогло подстегнуть улучшения в прогнозировании AR.

Калифорнийские наводнения (февраль 2017)

Кризис на плотине Оровиль был лишь частью интенсивного события AR, которое привело к дождю до 700 мм (27 дюймов) в Сьерра-Неваде. Река Перья переполнилась, и широко распространенное наводнение повредило тысячи домов. Это событие было классифицировано как AR4 и способствовало появлению Калифорнии от многолетней засухи - но по высокой цене.

Австралийские наводнения (март 2021)

AR застопорился над восточной Австралией, доставив 500-800 мм (20-31 дюйм) дождя в неделю. Река Хоксбери-Непеан достигла рекордного уровня, затопив части Западного Сиднея. Наводнение вызвало ущерб в размере 3 миллиардов австралийских долларов, что вызвало крупные реформы управления поймами.

Штормы в Великобритании (зима 2019–2020)

Серия AR, вызванная сильными атлантическими струями, вызвала сильные наводнения в Англии, Уэльсе и Шотландии. Шторм Сиара и Шторм Деннис каждый сбросили 150-200 мм (6-8 дюймов) дождя в течение 48 часов, что привело к затоплению домов, опустошенным сельхозугодьям и речным всплескам. Агентство по окружающей среде Великобритании выпустило рекордное количество предупреждений о наводнениях.

Роль изменения климата

Изменение климата усиливает атмосферные реки, увеличивая влагоудерживающую способность атмосферы (примерно на 7% больше водяного пара на градус Цельсия потепления). Исследования показывают, что, хотя частота ARs может не изменяться резко, их интенсивность и связанные с ней осадки, по прогнозам, будут увеличиваться. Более теплая атмосфера также может сместить штормовые следы, потенциально изменяя места, где ARs делают выпадение на сушу.

Прогнозируемые изменения

Используя климатические модели высокого разрешения, ученые прогнозируют, что к концу века сильнейшие события AR могут доставить на 20-30% больше осадков, чем сегодня. Это повышает риск экстремальных наводнений, особенно в сочетании с повышением уровня моря и прибрежным штормовым нагоном. В западных США "атмосферный речной режим" может расшириться на север и задержать наступление сухого сезона, влияя как на риск наводнений, так и на управление водными ресурсами.

Исследования атрибуции

Недавние исследования атрибуции связывают конкретные события AR с изменением климата. Например, было установлено, что событие 2017 года в Оровильской плотине было сделано по крайней мере в 5 раз более вероятным антропогенным потеплением. Такие исследования подчеркивают неотложность адаптации инфраструктуры и управления чрезвычайными ситуациями к потеплению мира.

Системы прогнозирования и раннего предупреждения

Точные прогнозы атмосферных рек могут дать общинам критическое время для подготовки. За последние два десятилетия усовершенствования спутниковых наблюдений и численного прогнозирования погоды произвели революцию в мониторинге AR.

Спутниковые и авиационные наблюдения

Использование полярно-орбитальных спутников, таких как миссия Глобального измерения осадков (GPM) и спутник АЭС Суоми, позволяет ученым наблюдать содержание водяного пара ARs в почти реальном времени. Разведка самолетов, часто называемая AR «охотником за ураганами» полеты , предоставленные Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) и пакеты инструментов резерва ВВС (дропсонды) в ARs для улучшения прогнозирования интенсивности и времени падения на сушу.

Шкала и предупреждения AR

Шкала AR в настоящее время используется Национальной метеорологической службой для выпуска бюллетеней об атмосферных реках, которые подчеркивают потенциал наводнений, сильного снега и разрушительных ветров. Эти бюллетени координируются с агентствами по управлению чрезвычайными ситуациями, операторами водохранилищ и транспортными департаментами. В Калифорнии программа разведки AR увеличила время проведения крупных мероприятий с 3 дней до почти 7 дней, значительно улучшив готовность к наводнениям.

Проблемы в прогнозировании

Несмотря на достижения, предсказать точное местоположение и величину орографических осадков остается трудным. Небольшие ошибки в треке AR могут сместить эпицентр сильного дождя на десятки километров, с большими последствиями для предупреждений о наводнениях. Текущие исследования искусственного интеллекта и машинного обучения с использованием исторических AR-паттернов направлены на снижение этих неопределенностей.

Смягчение и готовность

Снижение рисков наводнений от атмосферных рек требует сочетания структурных и неструктурных мер. Жесткая инфраструктура включает плотины, дамбы, паводки и ливневые воды. Мягкие меры включают планирование землепользования, системы раннего предупреждения, государственное образование и программы страхования.

Инвестиции в инфраструктуру

Многие подверженные наводнениям регионы модернизируют водосбросы, усиливают дамбы и модернизируют ливневые стоки для обработки более высоких скоростей потока. Например, Инженерный корпус армии США завершил несколько проектов по увеличению емкости водохранилищ в Центральной долине Калифорнии. В Великобритании Программа управления рисками наводнений Агентства по окружающей среде построила проницаемые тротуары и дождевые сады в городских районах для снижения риска внезапных наводнений.

Планирование и зонирование землепользования

Один из наиболее экономически эффективных способов смягчения ущерба от наводнений заключается в ограничении развития пойм. Сообщества в районах с высоким риском могут принять более строгие строительные нормы, требующие повышенных фундаментов, устойчивых к наводнениям материалов и надлежащего дренажа. В Австралии обзор наводнений 2021 года привел к новым правилам, которые запрещают новое жилье в наиболее подверженных наводнениям зонах Западного Сиднея.

Устойчивость и образование сообщества

Кампании по информированию общественности, местные учения о наводнениях и легкодоступная информация о наводнении могут спасти жизни. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) предоставляет множество ресурсов на своей веб-странице . Усилия в области образования должны подчеркнуть, что даже умеренные АР могут вызвать опасное внезапное наводнение, особенно в крутой местности или ожоговых рубцах. Простые действия - оставаться в курсе, готовить мешок для похода и иметь план эвакуации - эффективны против наводнений, вызванных АР.

Заключение

Атмосферные реки являются мощными двигателями осадков, которые формируют гидроклимат многих регионов. Они являются одновременно благом и опасностью: они пополняют запасы воды в засушливых зонах, но они также обеспечивают проливные дожди, которые вызывают разрушительные наводнения и оползни. С изменением климата, которое, как ожидается, усилит самые влажные события, потребность в надежном прогнозировании, устойчивой инфраструктуре и активном планировании сообщества никогда не была больше.

Продолжающиеся инвестиции в науку об атмосферных реках — посредством спутниковых миссий, кампаний наблюдения в воздухе и моделирования с высоким разрешением — улучшат нашу способность предвидеть эти штормы и уменьшат их воздействие. Для сообществ во всем мире понимание поведения этих «рек в небе» является критическим шагом к более безопасному, более безопасному для воды будущему. Дополнительные ресурсы по шкале AR и недавние тематические исследования доступны из Центра западной погоды и водных экстремумов и Национальной метеорологической службы .