韓雪蕾 王詠青 紀旭鵬 紀凡華 韓風軍

(1 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災害教育部重點實驗室/大氣科學學院，南京 210044；2 聊城市氣象局，山東 聊城 252000；3 南京大氣科學聯(lián)合研究中心，南京 210009；4 煙臺市氣象局，山東 煙臺 264010)

引 言

暴雨分析預報一直是國內(nèi)外氣象工作者研究的一個難題。暴雨引發(fā)的洪澇災害會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失[1]，城市暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇會造成嚴重的災害[2]。對暴雨的研究涉及從動力到熱力再到水汽等諸多方面[3],丁一匯等[4]認為南海地區(qū)的水汽輸送情況與我國強降水密切相關(guān)，持續(xù)性暴雨可以有不同的環(huán)流配置，但暴雨發(fā)生的物理機制都是一樣的，在暴雨發(fā)生前，空氣中已經(jīng)積累了大量的水汽及對流有效位能。而持續(xù)性暴雨，需要有充足的水汽供應以及穩(wěn)定的天氣形勢和對流不穩(wěn)定能量地釋放[5-7]。

大氣河是從熱帶洋面和副熱帶地區(qū)延伸至中緯度區(qū)域的一條短暫狹窄的絲狀的水汽輸送帶[8-10]，一般長而窄，寬300～500 km，長度可達數(shù)千公里，其強水汽輸送生命史至少6 h，常出現(xiàn)在溫帶氣旋的暖區(qū)一側(cè)。在北半球一般同時存在4～5條大氣河，大氣河中水汽從邊界層延伸到對流層頂，但主要集中在對流層的中下層，通常向東北方向移動[11-13]。

廣義的大氣河包括熱帶向極地的水汽輸送和溫帶氣旋冷鋒前的水汽輻合，低層存在帶狀高比濕區(qū)和大風帶，對于全球水汽循環(huán)有著重要意義[14-16]。研究表明大氣河常引發(fā)美國西部的極端降水事件[17-22]，美國中部地區(qū)超過半數(shù)的大型洪水的發(fā)生都與其有關(guān)[23]；伊朗地區(qū)的極端降水事件也與之有著密切聯(lián)系[24]。

大氣河及其引起的降水受到海陸差異、地形及緯度等因素影響[19-21，23，25-29]，也受到不同尺度天氣系統(tǒng)影響，如伴隨低空西南急流的副熱帶高壓脊有利于大氣河將水汽輸送到較高緯度地區(qū)[30]，在氣旋內(nèi)，冷鋒鋒面的水汽聚集促使其強度加強，中尺度鋒面波動會增加強降水的持續(xù)時間[18]。此外，ENSO和MJO會使其強度和位置發(fā)生改變[17，31-32]，大氣河及其引發(fā)的強降水也受北大西洋濤動等大尺度的大氣環(huán)流影響[23]。

自大氣河概念提出以來，對其定義、結(jié)構(gòu)、影響因子等方面的研究仍存在著爭議，但國內(nèi)外學者們對于判斷它的存在及極端降水特點等方面有了不同程度的進展。但以往研究對東亞地區(qū)的大氣河關(guān)注不多，特別是其對華北地區(qū)的影響研究較少[30]。因此，本文將對大氣河對華北地區(qū)暴雨過程的影響進行研究。

1 資料與方法

1.1 資料

使用的降水資料是中國氣象局信息中心提供的中國自動站與CMORPH降水產(chǎn)品融合的逐時降水數(shù)據(jù)，空間分辨率為 0.1°×0.1°。環(huán)流形勢場和大氣河的診斷分析所用資料為歐洲中期數(shù)值預報中心發(fā)布的再分析資料ERA5，空間分辨率為 0.25°×0.25°，時間間隔為1 h，所有資料時間范圍均為2018年5月15—16日。

1.2 大氣河的定義

對于大氣河的判別，ZHU, et al[8]將水平水汽通量的垂直積分(Integrated Horizontal Water Vapor Transport ， IVT )大于或等于250 kg·m-1·s-1的部分作為大氣河的判定標準。Rutz， et al[21]發(fā)現(xiàn)IVT大值區(qū)與水汽垂直積分量(Integrated Water Vapor， IWV) 相比，可以更好的表征降水位置，特別是在研究復雜地形降水時與強降水的空間分布時更有優(yōu)勢。而Mahoney, et al[33]直接使用IVT=500 kg·m-1·s-1作為大氣河邊界的判定標準。

本文采用ZHU, et al[8]的方法，IVT表達式為:

式中:g為重力加速度(m·s-2)；ptop和p0分別為大氣層頂部和底部的氣壓(hPa)；q為大氣比濕(kg·kg-1)；u和v分別為緯向和經(jīng)向的風速(m·s-1)，當IVT≥500 kg·m-1·s-1且其長度達到2 000 km及以上，且長寬比≥2時，可確定為一條大氣河。

2 華北暴雨與大氣河

2.1 降水實況

2018年5月15日我國華北地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨的天氣過程(圖1)。15日暴雨集中在河南北部和山東中南部，24 h累積降水量的大值中心超過80 mm，16日隨著系統(tǒng)發(fā)展東移，暴雨出現(xiàn)在安徽中北部和山東北部，24 h累積降水量的大值中心超過100 mm。選取主要降水區(qū)域(35.35°～37.85°N，117.15°～120.25°E，如圖1a中的紅色方框區(qū)域)，計算逐小時區(qū)域平均降水量(如圖1b)，可以看出最強降水時次發(fā)生在世界時15日07—18時(世界時，下同)和16日04—11時。

圖1 2018年5月15日00時—16日23時過程累積降水量分布(a，陰影；單位：mm)和區(qū)域平均小時降水量隨時間的演變(b，區(qū)域邊界如紅色方框所示)Fig.1 (a)Accumulated precipitation from 0000 UTC on 15 to 2300 UTC on 16 May 2018 (shaded， unit: mm) and (b) hourly regional mean precipitation (the area boundary is shown in the red box)

2.2 環(huán)流形勢

由圖2a可以看出，15日暴雨發(fā)生前，200 hPa高空圖上，高空急流發(fā)展旺盛，高空急流自西向東移動，風速核達到40 m·s-1以上，低空急流的左前方也有明顯的氣旋式環(huán)流生成，有利于低層正渦度的加強以及輻合上升運動的發(fā)展。高低空急流重疊，降水區(qū)位于急流出口區(qū)的左側(cè)，高低空急流的次級環(huán)流與引發(fā)的熱力環(huán)流的上升支相疊加，有利于大氣不穩(wěn)定熱量的釋放。高低空的耦合作用導致降水區(qū)大氣上層干冷，下層暖濕，對流上升運動強烈發(fā)展，中低層水汽輻合抬升，有利于強降水的發(fā)生發(fā)展。15日14時(圖2b)，850 hPa低空急流的位置從之前的南海移動到孟加拉灣，延伸至我國山東地區(qū)且持續(xù)增強，山東地區(qū)位于低空急流出口區(qū)的左側(cè)，急流中心核位置隨槽前西風氣流的發(fā)展向西移動，低空急流帶來大量低緯海洋上的水汽和熱量。16日06時(圖2c)，高空急流逐漸減弱消失，低空急流持續(xù)較強，第二階段暴雨主要受低空急流影響。200 hPa槽線過境減弱，高空的干冷氣流疊加在西南急流暖濕急流之上，有利于不穩(wěn)定條件的建立。16日23時(圖2d)，高空槽消失，變成平直氣流，暴雨結(jié)束。

15日00時(圖略)，在500 hPa高度，高空槽位于我國西北地區(qū)中部，有-8 ℃的低溫中心與之配合，形成較強的冷平流，有利于低槽的發(fā)展，500 hPa高空圖東亞地區(qū)中高緯的環(huán)流形勢為“兩槽一脊”型。強降水開始后，副高穩(wěn)定維持，導致高空槽移動緩慢，基本停滯在我國西北地區(qū)東部。15日14時(圖略)，副高加強北抬至30°N左右，促使強降水區(qū)加強北抬。16日06時(圖3)，槽線不斷東移加強，低壓中心附近等位勢高度線為574 dagpm，槽前冷平流，促進地面強對流系統(tǒng)的發(fā)展。高空槽不斷南壓，槽線移動到華北平原中部地區(qū)，低空切變移動到河南南部和安徽北部地區(qū)。16日23時(圖略)，低空急流逐漸減弱消失，高空槽線東移減弱，降水過程趨于結(jié)束。

圖2 2018年5月15—16日200 hPa急流(陰影，單位：m·s-1)、200 hPa等高線(等值線，單位：dagpm )和850 hPa風場(矢量，單位：m·s-1，其中紅色方框同圖1)Fig.2 The jet at 200 hPa (shaded， unit: m·s-1)， geopotential height at 200 hPa (solid lines， unit: dagpm) andhorizontal wind (vectors， unit: m·s-1) at 850 hPa from 15 to 16 May 2018(The red box area is the same as that in Fig.1)

圖3 2018年5月16日06時500 hPa位勢高度(黑線，單位：dagpm)、溫度(紅線，單位：℃)及風場(矢量，單位：m·s-1；其中紅色方框同圖1，棕色線為槽線)Fig.3 The geopotential height (black lines， unit: dagpm)， temperature (red lines， unit: ℃) and horizontal wind (vectors， unit: m·s-1) at 500 hPa at 0600 UTC on 16 May 2018(The red box area is the same as that in Fig. 1; the brown line is trough-line)

強降水開始時，華北地區(qū)東部700 hPa高空圖上有切變線出現(xiàn)，切變隨時間不斷北移，在16日06時(圖略)，700 hPa上華北地區(qū)生成低壓環(huán)流，受槽前正渦度平流作用，低壓環(huán)流發(fā)展加強。而在850 hPa高空圖上，華北地區(qū)東部有切變線出現(xiàn)，在16日23時(圖略)，850 hPa上華北地區(qū)生成低壓環(huán)流。

暴雨開始前，地面圖上有鋒面出現(xiàn)，5月15日00時(圖4a)，冷鋒位于河套地區(qū)，鋒面呈東北西南向，華北地區(qū)處于鋒前暖區(qū)地面倒槽中，中尺度輻合線隨時間東移。15日14時(圖4b)，地面鋒面發(fā)展強盛，16日06時(圖4c)，鋒面與強降水區(qū)重合，16日23時(圖4d)，降水基本結(jié)束，鋒面過境。

圖4 2018年5月15—16日海平面氣壓(黑線，單位：hPa)、地面風場(矢量，單位：m·s-1)、冷鋒(藍色線)、暖鋒(紅色線)及中尺度輻合線(黃色線):(a)15日00時；(b)15日14時；(c)16日06時；(d)16日23時Fig.4 The sea level pressure (black lines， unit: hPa)， surface wind (vectors， unit: m·s-1) ， cold front (blue lines) ， warm front (red lines) and mesoscale convergence lines (yellow lines) from 15 to 16 May 2018 at:(a) 0000 UTC on 15 May (b) 1400 UTC on 15 May; (c)0600 UTC on 16 May; (d)2300 UTC on 16 May

2.3 大氣河的作用和演變

大氣不同高度層的水汽通量積分與強降水區(qū)域的逐小時區(qū)域平均降水量符合較好(圖1b)，地面到800 hPa水汽通量積分數(shù)值最大，說明大氣河在近地層發(fā)展最為旺盛， 500～100 hPa水汽通量積分數(shù)值最小，說明大氣河越到高層越淺薄。由大氣整層水汽通量的逐時變化可以看出，峰值出現(xiàn)在15日16時和16日06時，也是強降水的高峰區(qū)，而在大氣河的強度較弱的時段，如16日00時左右和16日12時以后，降水逐漸減小。

此次強降水過程中，始終有從熱帶洋面上延伸至我國黃淮地區(qū)的大氣河存在(圖5)。強降水開始前(15日00時，圖5a)，大氣河主要由南海經(jīng)我國東南地區(qū)向華北地區(qū)輸送，水汽通量核強度較小，中心強度在 500～700 kg·m-1·s-1)之間，從降水區(qū)向上游，大氣河流量增加，表明在降水區(qū)有大氣河通量輻合。隨著水汽的聚集醞釀，大氣河不斷增強加寬，15日14時(圖5b)，源頭逐漸變成南海和西太平洋，此時共形成兩條大氣河：一條由孟加拉灣經(jīng)南海向東北運輸，另一條則由西太平洋向北運輸，達到我國山東地區(qū)。內(nèi)陸水汽通量核逐漸加強，其中心最大值約900 kg·m-1·s-1，逐漸進入成熟階段。16日06時(圖5c)，部分聚集水汽以降水形式移出大氣，形成暴雨，來自西太平洋的水汽通道減弱消失，大氣河逐漸消散。16日23時(圖5d)其水汽通量核明顯減小移動入海，暴雨區(qū)域與大氣河脫離聯(lián)系，大氣河逐漸消失減弱，此時降水過程基本結(jié)束。

圖5 2018年5月15—16日大氣整層水汽通量(陰影及矢量，單位：kg·m-1·s-1;紅色方框同圖1，虛線為圖8、圖9剖面位置):(a)15日00時；(b)15日14時；(c)16日06時；(d)16日23時Fig.5 The vertical integrated water vapor flux (shaded and vectors， unit: kg·m-1·s-1) from 15 to 16 May 2018.(The red box area is the same as that in Fig. 1; dashed line is the location of cross section in Fig. 8 and 9):(a)0000 UTC on 15; (b)1400 UTC on 15; (c)0600 UTC on 16; (d)2300 UTC on 16

圖6 2018年5月15—16日大氣整層水汽通量>500 kg·m-1·s-1(等值線及矢量，單位：kg·m-1·s-1)和海拔高度分布(陰影，單位：m，紅色方框同圖1)：(a)15日00時；(b)15日14時；(c)16日06時；(d)16日23時Fig.6 The vertical integrated water vapor flux morethan 500 kg·m-1·s-1 (contours and vectors， unit: kg·m-1·s-1) from 15 to 16 May 2018 and altitude (shaded， unit: m; the red box area is the same as that in Fig. 1):(a)0000 UTC on 15; (b)1400 UTC on 15; (c)0600 UTC on 16; (d)2300 UTC on 16

15日00時(圖6a)，大氣河延伸至魯中南山地丘陵區(qū)時，受泰沂山脈的阻擋作用大氣河強迫抬升，達到一定高度，觸發(fā)強降水。15日14時(圖6b)，大氣河發(fā)展強盛，內(nèi)陸水汽通量核爬升至整個泰沂山區(qū)，迎風坡上水平輻合，造成氣旋式渦度增加，產(chǎn)生風場切變，垂直運動幅度增大。16日06時(圖6c)，大氣河減弱消散，大氣河繞過山脈，向東北方向移動入海，可以明顯看到在山脈的迎風坡一側(cè)，大氣河有著等值線的密集帶。16日23時(圖6d)，大氣河南退，東移入海，不再受到地形的抬升觸發(fā)作用，主要降水過程結(jié)束。

圖7 沿圖5中虛線的水汽通量(陰影，單位：kg·m-1·s-1)、假相當位溫(黑色等值線，單位：K)和水平風速(藍色等值線，單位：m·s-1)的垂直剖面分布：(a)15日00時；(b)15日14時；(c)16日06時；(d)16日23時Fig.7 The water vapor flux (shaded， unit: kg·m-1·s-1)， potential pseudo-equivalent temperature (black contours， unit: K)and horizontal wind speed (blue contours， unit: m·s-1) along the cross section shown by the dashed lines in Fig. 5 (a)0000 UTC on 15; (b)1400 UTC on 15; (c)0600 UTC on 16; (d)2300 UTC on 16

從圖7可以看出，在5月15日暴雨開始時，大氣河從底層向高層不斷發(fā)展，其上空有高空急流中心核分布。在15日14時的剖面上，可以明顯看到大氣河核心區(qū)域的濕層最為深厚旺盛，其中心最大值達到500 hPa高度，底層對應假相當位溫等值線密集帶，假相當位溫在一定程度上反映不穩(wěn)定能量，低層的假相當位溫梯度較大，說明有水平能量鋒區(qū)存在，有利于強對流天氣的發(fā)生與發(fā)展，與低層高濕高能區(qū)相對應的，高空急流不斷增強發(fā)展，此時該區(qū)域降水達到最大值。由16日06時的剖面圖可見，高空急流減弱消失，低層有弱冷空氣入侵，大氣河逐漸減弱到16日23時,大氣河逐漸消散，強降水基本結(jié)束。

從散度與垂直速度沿剖線方向的垂直剖面(圖8)可以看出：15日00時，低層散度場由正值轉(zhuǎn)為負值，輻合中心位于850 hPa以下高度，中心強度為-4×10-5s-1，16日06時，散度場明顯加強，低層輻合區(qū)抬升至600 hPa附近，中心強度增加至-7×10-5s-1，同時400 hPa有一個6×10-5s-1的輻散中心與之對應，這種有利的高低空散度場的配置進一步加強了上升運動，使得垂直速度增強至70 m·s-1。圖8、9的研究方法類似于水文領(lǐng)域的截面研究。

圖8 沿圖5中虛線的散度場(填色，單位：10-5s-1 )，垂直速度風場(等值線，單位：m·s-1)：(a)15日00時；(b)15日14時；(c)16日06時；(d)16日23時Fig.8 The divergence (shaded， unit: 10-5s-1) and vertical velocity (contour， unit: m·s-1) along the cross section shown by the dashed lines in Fig.5: (a)0000 UTC on 15; (b)1400 UTC on 15; (c)0600 UTC on 16; (d)2300 UTC on 16

3 大氣河背景下暴雨的天氣概念模型

綜上，此次大氣河背景下暴雨的天氣概念模型如圖9所示，可以更直觀地看出各因子對此次降水過程的影響。

大氣河主要從我國南海延伸到日本海洋面上，途經(jīng)我國華北地區(qū)，帶來大量的水汽，大氣河的水汽由熱帶向極地的水汽輸送和溫帶氣旋冷鋒前的暖輸送帶兩部分組成，從邊界層一直延伸到自由大氣中，大氣河在近地層發(fā)展最為旺盛，越到高層越淺薄，大氣河的水汽集中在冷鋒前低層狹窄的區(qū)域內(nèi)，低層存在高濕區(qū)和大風區(qū)。

大氣河遇到山脈時，在迎風坡被迫抬升，使得垂直運動幅度增大，觸發(fā)強對流過程。華北地區(qū)處于鋒前暖區(qū)地面倒槽中，增加了低層不穩(wěn)定度，降水區(qū)位于高空槽前，槽前冷平流促進地面強對流系統(tǒng)的發(fā)展，冷鋒鋒面的水汽和地面中尺度輻合帶加劇了過程中的降水量。高低空的系統(tǒng)相互配合，造成高層的輻散區(qū)和低層輻合區(qū)，帶來了不穩(wěn)定度，導致了動力學抬升的產(chǎn)生，促使垂直上升運動不斷增強。此次暴雨過程由動力學條件、熱力學條件和水汽條件互相配合形成。

圖9 2018年5月15日大氣河背景下華北地區(qū)暴雨天氣概念模型(其中,紅色叉號為強降水區(qū)域;紅色箭頭為高空急流;藍色陰影為大氣河結(jié)構(gòu)圖)Fig.9 The conceptual model of heavy rainfall in North China on 15 May 2018 (the red cross indicates the heavy rainfall area; the red arrow indicates the upper-level jet; blue shading is the structure of atmospheric river)

4 結(jié)論

傅剛等[33]對大氣河的結(jié)構(gòu)和水汽來源，不同地區(qū)大氣河的特征等方面進行了綜述，提出目前關(guān)于大氣河的研究方法和成果豐富，但對大氣河概念仍存在爭議，而對東亞地區(qū)尤其是影響我國大陸的大氣河研究較少。丁一匯等[11]指出東亞夏季風水汽輸送帶是大氣河的類型之一，相比全球其他區(qū)域的大氣河，東亞大氣河具有更強、更寬廣、與更持久的水汽輸送特征，并且隨著雨帶的北推可以達到更高緯度地區(qū)，對區(qū)域降水具有更重要的影響。本文通過2018年5月15—16日華北地區(qū)暴雨個例，詳細討論了大氣河在此次過程中的作用，得到結(jié)論如下：

(1) 大氣河是達到一定強度的水汽輸送，可以看作一個實體。大氣河在整個輸送過程中，遇到合適的條件，產(chǎn)生垂直運動，形成暴雨。這次暴雨過程有兩個降水峰值，第一個強降水時段大氣河的影響較大，水汽條件良好，動力條件一般，大氣河最為強盛。第二個強降水時段大氣河核心強度減小，已出現(xiàn)東移趨勢，此時主要受動力學條件影響，大氣河對第二次降水峰值影響較小。

(2)天氣尺度副高的增強北抬，促進副高西側(cè)的西南氣流的發(fā)展，促使大氣河及其伴隨的雨帶向東北方向移動。此次過程受高空槽、低層切變、高低空急流影響，高低空急流耦合導致垂直運動加強，將大氣河輸送來的充沛水汽輸送到高層，低層切變觸發(fā)了強對流天氣的發(fā)生。大氣河位于冷鋒前沿暖區(qū)輸送帶里，主要集中在對流層的中下層，低層存在高溫與高比濕區(qū)，底層位勢不穩(wěn)定，有較強的低空急流。

(3)大氣河及其產(chǎn)生的暴雨受到地形地勢的影響，山脈地形的抬升和阻擋作用，促進垂直運動的幅度增強。

文中給出了大氣河的概念圖，希望能夠豐富對大氣河在東亞,尤其是華北地區(qū)暴雨中作用的認識。