美国宇航局的风暴追踪飞机穿越暴风雪以改善降雪预报

上周末，一场大暴风雪席卷了美国东海岸。在一些地方，冬季风速超过每小时 70 英里，而暴风雪则在积雪​​上堆积了超过 12 英寸厚的冰。尽管强风和低能见度导致整个东北部机场有 5,000 多个航班停飞，但两架装载着传感器和科学设备的小型飞机仍在空中飞行，追赶席卷大西洋海岸的暴风雪。

机上的飞行员、技术人员和研究人员必须同时操作飞机和仪器，同时仔细听取地面团队成员的指示。“想象一下，你得到了这些信息，而你却在暴风雪中乘坐飞机，飞机在颠簸中，”北卡罗来纳州立大学的天气和气候专家桑德拉·尤特 (Sandra Yuter) 说，她是负责从地面监督飞行的首席任务科学家。“这非常紧张；你回来时已经筋疲力尽了。”

此次飞行是第二轮空中风暴追逐实验的一部分，该实验于 2020 年开始，旨在为 NASA 的大西洋沿岸威胁性暴风雪微物理和降水调查（IMPACTS）而进行。两架研究飞机在云层之上飞行，具有独特的优势，可以直接收集暴风雪发展过程中的数据，从而为了解这种现象的形成和发展提供了新的视角。

通过了解这些冬季风暴的性质，这个大气科学家团队可以帮助改进对潜在危险降雪水平的预测。“我们对风暴的一般结构了解很多，但我们不知道为什么每场风暴的降雪强度会如此分布，”华盛顿大学副教授兼 IMPACTS 首席研究员 Lynn McMurdie 说道。该项目主要关注美国东北部中纬度地区的冬季天气事件。中纬度风暴全年都会发生，但夏季强度较小，而且通常会带来降雨，因为低层大气中的较高温度会使降雪融化，McMurdie 解释说。

将降雪与难以捉摸的冬季天气现象联系起来

东北部的暴风雪通常会使旅行变得危险，造成白茫茫一片，并造成紧急暴风雪天气。但天气预报以预测误差大而闻名，包括对上周末暴风雪的预测。“它们到处都是，”麦克默迪说，他也参与了这次任务的地面控制。“我们知道它会来。我们只是不知道，好吧，它会摧毁纽约吗？它会向内陆多远？它会一直停留在离岸吗？”

尤特说，受灾最严重的时间和地区通常很难预测，尤其是当预测时间太长时。“通常当你得到暴风雪预报时，它会说大约 3 到 8 英寸，预计雪会在下午某个时候开始，持续到晚上。这是一个巨大的范围，”她说。

缩小模型中这种可变性的方法之一是解析一种研究不足的天气现象——雪带的形成。这些狭长的带状物会在其后倾泻大量雪和降水。“我们一直都知道，暴风雨中的降水分布并不均匀，无论是雨还是雪，”麦克默迪说。“在整个暴风雨期间，并不是每个地方的降水量都相同。但暴风雨中可能出现变化的原因之一就是这些狭窄的带状物”

一般来说，雪带有两种常见类型：主雪带通常很长，长度可以覆盖多个州；多雪带则以一系列较小的行出现，大小与几个县相当。Yuter 解释说，雪带的类型及其活跃程度可能会影响为什么一个城市会积雪数英尺，而附近的城镇只有几英寸。但这两种雪带都能产生大量降水。

这就是为什么该团队正在研究云中粒子的性质（如大小、含水量和数量）是否会导致降雪量更大的雪带。“每个人都喜欢认为雪总是这些美丽的星形树枝状物，但实际上它非常混乱，”麦克默迪说。“可能发生的情况之一是暴风雨有很多向上的运动，而且非常剧烈。随着空气上升，它会冷却并凝结，然后在云中形成微小的水滴。”

她说，这些小水滴会粘在云层中的其他冰粒上形成雪，天气预报中雷达反射率会捕捉到雪。但强度更高的雷达颜色并不一定表示该地区的降雪量更大。“有很多因素会影响这一结果，”麦克默迪解释道。“[明亮的雷达读数]可能只是意味着雪粒更大。”

尤特说，一旦雪在云层和大气带中形成，可能还需要一两个小时才能到达地面。当雪落到天空的不同环境中时，颗粒会发生变化，从而为暴风雪的状况提供更多线索。

“每场暴风雨都不一样，”麦克默迪说。“有些暴风雨并没有那么多带状结构——但雪还是下得不错。这个周末的暴风雨到处都是带状结构，简直疯狂。我们不知道这里发生了什么？我们不知道该怎么办。”

在白茫茫的天空中寻找线索

雪带图案早已在气象雷达和传感器上出现，但专家们一直无法确定它们形成的原因和方式。为了更好地了解它们的动态，IMPACTS 团队使用了两架 NASA 飞机：P-3 猎户座飞机和高空 ER-2 飞机。P-3 是一架四引擎涡轮螺旋桨飞机，飞行高度可达 26,000 英尺，可穿过云层收集雪粒样本以及温度、湿度和其他大气测量数据。

而 ER-2 则在风暴上方约 65,000 英尺处飞行，并使用与气象卫星类似的遥感设备。由于飞机可以比轨道卫星更接近风暴，因此能够以更高的空间分辨率捕获数据。与此同时，地面团队使用测量云层特性的雷达跟踪风暴的路径。

准备工作提前几天就开始了，这样飞机就可以被转移到足够安全的机场，以便在暴风雪来袭的那天起飞。由于 1 月 29 日的东北风暴，该团队决定将 P-3 从弗吉尼亚州瓦洛普斯的基地转移到俄亥俄州代顿附近的一个机场。整个飞行过程持续了大约 8 个小时，其中大约 6 个小时是在暴风雪中度过的。Yuter 说，通常暴风雪会让飞行变得平稳——但飞机在上周六飞越缅因湾时却遭遇了意外的湍流。

“通常在观察时，你会有一些初步的想法，但大自然会给你带来惊喜，”Yuter 指出。“这次我们确实惊讶于这场看似正在减弱的风暴竟然如此猛烈。”

尤特说，此次颠簸飞行背后的原因仍是个谜，但 IMPACTS 团队在分析读数和样本后可能会得到答案。该团队一直在跟踪美国目前正在酝酿的冬季大风暴，计划于 2 月 3 日飞往中西部，2 月 4 日飞往东北部。他们计划在 2 月份继续飞行，探索雪带和降雪之间的潜在联系。麦克默迪说，有了更先进的技术，该任务有机会提供一组新的数据集，可以显示雪带如何影响预报。

“我们无法阻止[暴风雪]的发生，但如果我们能够以更少的不确定性预测它们，”她补充道。“那么人们就可以为适当的情况做好准备。

“希望我们将来能够做出更好的预测。”