上周末，一场大暴雪将东海岸覆盖得白茫茫一片。在某些地方，冬季风的速度超过每小时70英里，而雪花则堆积了超过12英寸的冰。然而，尽管狂风和低能见度导致东北部机场超过5000个航班停飞，两架装备有传感器和科学设备的飞机仍在空中飞行，在风暴席卷大西洋海岸时紧随其后。
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，你接收到海量的信息，而你却在暴风雪中的一架颠簸的飞机上，”北卡罗来纳州立大学天气与气候专家、地面负责此次飞行的首席任务科学家Sandra Yuter说。“这非常紧张，回来后你会筋疲力尽。”
此次飞行是自2020年开始的第二轮空中追逐风暴实验的一部分，该实验是为了NASA的“大西洋海岸威胁性暴风雪的微物理和降水调查”，即 IMPACTS。这两架研究飞机在云层中和云层之上翱翔，具有独特优势，可以直接收集正在发生的暴风雪数据，从而提供对现象形成和发展的新视角。
通过了解这些冬季风暴的性质，这支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，但我们不知道的是，为什么每次风暴的降雪强度分布都如此不同，”华盛顿大学副研究教授、IMPACTS首席研究员Lynn McMurdie说。该项目专注于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，但在夏季较弱，通常会产生降雨，因为低层大气温度较高，会融化落下的雪，McMurdie解释道。
将降雪与一种难以捉摸的冬季天气现象联系起来
东北部的暴风雪常常导致旅行危险、出现白盲，并造成 紧急暴风雪状况。但天气预报的预测往往存在很大的差距，包括 上周末风暴的预测。“它们到处都是，”McMurdie说，她也参与了该任务的地面控制。“我们知道它要来了。我们只是不知道，它会席卷纽约吗？会深入内陆多少？会完全停留在海上吗？”
Yuter说，风暴发生的时间和受影响最严重的地区通常很难预测，尤其是在事件发生前很长一段时间。她说：“通常当你看到暴风雪预报时，会说降雪量在3到8英寸之间，预计下午开始，一直持续到晚上。这是一个巨大的范围。”
帮助缩小模型中这种变异性的一种方法是弄清一种未被充分研究的天气现象——雪带——的形成。这些长而窄的条带会在其路径上倾泻大量的雪和降水。“我们一直都知道，风暴中的降水分布，无论是雨还是雪，都不是均匀的，”McMurdie说。“不是每个人在整个风暴期间都会在每个地方得到相同的降水量。但它之所以会变异，可能是因为这些狭窄的雪带。”
通常有两种常见的雪带类型：主雪带，通常非常长，可以覆盖多个州；以及多雪带，呈一系列较小的条带状，大小相当于几个县。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积雪数英尺，而附近的城镇却只有几英寸。但这两种类型都会产生大量降水。
这就是为什么团队正在研究云中粒子的性质——如大小、含水量和数量——是否会影响雪带的强降雪。“每个人都喜欢认为雪总是这些漂亮的星形雪花，但实际上它非常混乱，”McMurdie说。“一种可能发生的情况是，风暴有很大的上升气流，而且非常活跃。当空气上升时，它会冷却并凝结，你在云中形成微小的水滴。”
她说，这些小水滴会附着在云中的其他冰晶上形成雪，这些雪会在天气预报中以雷达反射率的形式显示出来。但 较高的雷达颜色 并不一定意味着该区域的降雪量更多。“有很多因素在起作用，”McMurdie解释说。“[明亮的雷达读数]可能只是意味着有更大的雪粒子。”
Yuter说，一旦雪在云和大气带中形成，可能还需要一到两个小时才能到达地面。当它穿过天空中的不同环境时，粒子会发生变化，从而提供更多关于暴风雪条件的线索。
“每一次风暴都是不同的，”McMurdie说。“有些风暴并没有太明显的条带结构——但仍然下得很大。这个周末的风暴到处都是疯狂的条带。我们想知道这是怎么回事，我们不知道该如何解释。”
在白盲中寻找线索
雪带模式在天气雷达和传感器上早已可见，但专家们一直未能确定它们形成的原因和方式。为了更好地理解其动力学，IMPACTS团队利用了两架NASA飞机：P-3猎户座飞机和高空ER-2飞机。 P-3 是一款四引擎涡轮螺旋桨飞机，飞行高度可达26000英尺，穿梭于云层中收集雪粒子样本以及测量温度、湿度和其他大气参数。
相比之下， ER-2 则在约65000英尺的高空在风暴上方飞行，并使用与气象卫星类似的遥感设备。由于该飞机比轨道上的卫星更靠近风暴，因此能够以更高的空间分辨率捕捉数据。与此同时，地面团队则通过测量云层特性的雷达跟踪风暴的路径。
准备工作提前数天开始，以便将飞机转移到足以在风暴当天起飞的安全机场。对于1月29日的东北风暴，团队决定将P-3飞机从其位于弗吉尼亚州沃洛普斯的基地转移到俄亥俄州代顿附近的一个机场。整个飞行大约持续了八个小时，其中大约六个小时在风暴的中心区域飞行。Yuter说，通常情况下，暴风雪会带来平稳的飞行——但飞机在上周末飞越缅因湾时遇到了令人惊讶的颠簸。
“通常在进行观测时，你会有一些初步想法，但大自然会给你惊喜，”Yuter指出。“这绝对是一个我们对看起来正在减弱的风暴中的颠簸程度感到惊讶的案例。”
Yuter说，颠簸的原因仍然是个谜，但IMPACTS团队在分析读数和样本后可能会得到答案。该团队一直在关注 目前正在美国各地酝酿的重大冬季风暴，并安排了2月3日在中西部和2月4日在东北部进行飞行。 他们计划在整个2月份继续进行飞行，探索雪带与降雪之间的潜在联系。McMurdie表示，有了更先进的技术，该任务有机会提供新的数据集，展示雪带如何在天气预报中发挥作用。
“我们无法阻止（暴风雪）发生，但如果我们能更准确地预测它们，”她补充说。“那么人们就可以为适当范围内的条件做好准备。
“希望我们能让未来的天气预报变得更好。”
