夏季東亞地區(qū)四個(gè)“大氣河”典型個(gè)例分析?

劉 珊， 傅 剛， 李曉東， 陳蒞佳

(1.青島市氣象局, 山東 青島 266003;2.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象學(xué)系, 山東 青島 266100)

“大氣河”(Atmospheric River)是指地球大氣對流層中跨越中緯度地區(qū)的長條狀水汽帶[1]，它是大氣環(huán)流中水汽由赤道向兩極輸送的重要路徑，對于全球水汽循環(huán)有著重要意義。據(jù)Ralph等[2]介紹，“大氣河”在與山脈地形、中緯度氣旋中的暖輸送帶(Warm-conveyor belt, WCB)交匯時(shí)會(huì)帶來持續(xù)不斷的降水?！按髿夂印钡淖饔镁哂袃擅嫘?。一方面它能帶來持續(xù)性嚴(yán)重降水[3]，引發(fā)洪澇災(zāi)害[4-6]，造成沿海地區(qū)風(fēng)暴潮[7]等；另一方面它可以提供水源填充水庫[8-9]、維持濕地河灘與漁業(yè)[10]、為內(nèi)陸的沙漠與森林提供水汽以減少火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[11]等。同時(shí)，“大氣河”還會(huì)帶來干濕年的轉(zhuǎn)換[12]。

傅剛等[13]對“大氣河”的研究歷史和進(jìn)展進(jìn)行了較為詳細(xì)的回顧與總結(jié)，重點(diǎn)介紹了太平洋東北部(北美洲西海岸)和歐洲地區(qū)“大氣河”的特征，討論了“大氣河”對氣候的影響，即“大氣河”向較為干旱的地區(qū)輸送水汽以利于產(chǎn)生降水，有效解除當(dāng)?shù)睾登?；同時(shí)介紹了全球氣候變化背景下的“大氣河”特征。Ralph等[14]總結(jié)稱，過去20多年間，學(xué)者們對于“大氣河”這一定義有不同的觀點(diǎn)，有的認(rèn)為它是先前存在的概念的重復(fù)(如暖輸送帶WCB)，有的認(rèn)為把這一現(xiàn)象比作陸地河流是不合適的，有的認(rèn)為這是水務(wù)管理者重點(diǎn)研究、應(yīng)用和使用的內(nèi)容。在美國氣象學(xué)會(huì)(American Meteorological Society)的氣象學(xué)術(shù)語表(Glossary of Meteorology)[15]中，“大氣河”被描述為狹長的、含有大量水汽的水平輸送通道，通常與溫帶氣旋冷鋒前的低空急流有關(guān)，其內(nèi)的水汽來自熱帶或溫帶，“大氣河”通常在被迫上升的地方導(dǎo)致強(qiáng)降水。Ralph等[14]介紹了學(xué)者們成立專門的委員會(huì)研究這一定義的過程?！按髿夂印迸c暖輸送帶(Warm conveyor belt, WCB)、熱帶濕氣出口(Tropical moisture exports, TME)之間的混淆導(dǎo)致了早期關(guān)于“大氣河”概念的爭論，Ralph等[2]在“Atmospheric Rivers”一書的第二章對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析。

關(guān)于“大氣河”的結(jié)構(gòu)，Ralph等[16]利用衛(wèi)星觀測資料對1997和1998年冬季的太平洋東北部極地冷鋒前的“大氣河”進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)“大氣河”的水汽集中在冷鋒前低層狹窄的區(qū)域內(nèi)，此處的低空急流風(fēng)速高，含有大量水汽。“大氣河”低層存在高比濕的帶狀區(qū)域，由于冷鋒前后的溫度梯度較大，冷鋒前存在低空急流。假相當(dāng)位溫的垂直分布顯示，“大氣河”區(qū)域內(nèi)存在濕中性層結(jié)、低層位勢不穩(wěn)定性[17]。Ralph 等[18]指出，“大氣河”的上部存在一個(gè)風(fēng)速超過60 m·s-1的高空急流，內(nèi)部存在一個(gè)風(fēng)速約30 m·s-1的低空急流，低空急流內(nèi)的水汽混合比約為高空的10倍。

Zhu和Newell[1]提出了計(jì)算總水汽通量(Integrated Horizontal Water Vapor Transport，IVT)的方法：

(1)

式中：g為重力加速度(m·s-2)；ptop為所積分頂部的氣壓(hPa)；p0為海平面氣壓(hPa)；q為比濕(kg·kg-1)；u和v分別為東-西方向和南-北方向的風(fēng)速(m·s-1)?！按髿夂印钡乃考性趯α鲗拥蛯?，約75% 的IVT位于平均海拔3 km高度以下[18]。

另一方面，Ralph等[16]提出適用于Special Sensor Microwave Imager (SSM/I)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的“大氣河”標(biāo)準(zhǔn)，要求水汽垂直積分量(Integrated Water Vapor，IWV)高于20 mm的區(qū)域要同時(shí)滿足長為2 000 km、寬度小于1 000 km、高值區(qū)位于軸線上等，才能判定為“大氣河”。

Fu等[19]利用IVT=800 kg·m-1·s-1的等值線作為“大氣河”的邊界線，同時(shí)規(guī)定“大氣河”的長寬比例、平均長度、持續(xù)時(shí)間等作為本文“大氣河”的判定標(biāo)準(zhǔn)，篩選出了2001—2016年每年6月15—7月31日間發(fā)生的共134個(gè)“大氣河”，并按照“大氣河”長軸在坐標(biāo)系中的位置將其分為東-西向和南-北向兩類。

本文的目的是通過分析夏季影響東亞的四個(gè)“大氣河”個(gè)例發(fā)展過程中的天氣形勢變化，了解東-西向和南-北向兩類“大氣河”所伴隨的天氣系統(tǒng)；通過分析這四個(gè)“大氣河”個(gè)例的演變和對“大氣河”的垂直剖面結(jié)構(gòu)分析，探究其水平與垂直結(jié)構(gòu)，嘗試給出夏季影響東亞地區(qū)兩種“大氣河”個(gè)例的立體結(jié)構(gòu)概念圖。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù), 包括位勢高度、氣溫、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度、比濕、相對濕度等物理量，空間分辨率選擇雙線性插值得到的0.5(°)×0.5(°)，垂直分辨率為插值得到的37層，時(shí)間間隔為6 h，時(shí)次為每日00 UTC, 06 UTC, 12 UTC, 18 UTC。該資料用來分析“大氣河”發(fā)展過程中的天氣形勢、演變過程、物理量診斷等。

同時(shí)使用日本高知大學(xué)(Kochi University)提供的MTSAT-1R(Multi-functional Transport Satellites-1R)衛(wèi)星紅外波段反照率資料，空間分辨率為0.05(°)×0.05(°)，覆蓋范圍為20°S—70°N, 70°E—160°E；空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，覆蓋范圍為70°S—70°N, 70°E—150°W。時(shí)間間隔為1 h，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為PGM (Portable Gray Map)。該資料用來分析“大氣河”發(fā)展過程中的云系演變。

1.2 個(gè)例挑選原則

夏季東亞地區(qū)每年有很多的“大氣河”發(fā)生，選擇東亞地區(qū)“大氣河”的典型個(gè)例進(jìn)行深入分析是了解該地區(qū)“大氣河”特征的有效途徑之一。

在Fu等[7]篩選出的134個(gè)“大氣河”個(gè)例中，延伸方向呈東-西向的有101個(gè)，呈南-北向的有33個(gè)。IVT最大值大于1 600 kg·m-1·s-1的“大氣河”約占總數(shù)的30%，為所有“大氣河”個(gè)例中強(qiáng)度最大的一類，其中呈南-北向有5個(gè)，呈東-西向有34個(gè)。

在南-北向個(gè)例中，選擇IVT數(shù)值最大的個(gè)例(2008年6月17日00 UTC—19日06 UTC)記為個(gè)例A；選擇整體發(fā)生在中國大陸上的個(gè)例(2016年7月19日00 UTC—21日06 UTC)記為個(gè)例B；在東-西向個(gè)例中，選擇IVT數(shù)值最大的個(gè)例(2009年7月8日18 UTC—7月12日18 UTC)記為個(gè)例C；選擇云體龐大、影響中國陸地與近海的個(gè)例(2013年7月3日18 UTC—7月5日06 UTC)記為個(gè)例D。4個(gè)“大氣河”個(gè)例的詳細(xì)信息見表1。

表1 四個(gè)“大氣河”典型個(gè)例的詳細(xì)信息Table 1 Detailed information of four typical cases of Atmospheric River

1.3 用于診斷分析的物理量

“大氣河”發(fā)生過程中具有較強(qiáng)的水汽水平梯度，本文選擇診斷分析的物理量為“大氣河”強(qiáng)度最大時(shí)刻的假相當(dāng)位溫、位勢渦度與鋒生函數(shù)。

假相當(dāng)位溫是濕空氣通過假絕熱過程將水汽全部凝結(jié)然后下沉到1 000 hPa處時(shí)所具有的位溫，計(jì)算公式為：

(2)

式中：θd是濕空氣中所含干空氣的位溫(K)；Lv是相變潛熱(J·kg-1)；rs是飽和混合比；cpd是干空氣的定壓比熱容(1 000 J·kg-1·K-1)；T為溫度(K)。假相當(dāng)位溫在干、濕絕熱過程中均是保守的，所以常用來作氣團(tuán)和鋒面的分析。

位勢渦度(Potential Vorticity, PV)是綜合表征大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性的重要物理量，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：ζ是相對渦度(s-1)；f是地轉(zhuǎn)渦度(s-1)；θ為位溫(K)；p是氣壓(hPa)。

第一部分

第二部分 第三部分

(4)

(4) 式中右邊第一部分表示空氣水平運(yùn)動(dòng)對鋒生的作用，第二部分表示垂直運(yùn)動(dòng)對鋒生的作用，第三部分表示非絕熱加熱對鋒生的作用。本文中鋒生函數(shù)起主要作用的是前兩部分。

2 天氣形勢分析與“大氣河”演變過程

下面介紹已選出的4個(gè)“大氣河”個(gè)例，分析其從生成時(shí)刻到強(qiáng)度最大時(shí)刻的天氣形勢及其演變過程。圖1～4分別為4個(gè)“大氣河”個(gè)例在強(qiáng)度最大時(shí)刻的天氣圖和形態(tài)圖。

((a)200 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔40 gpm)，氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)和急流(箭頭，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔20 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔10 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直積分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，間隔100 kg·m-1·s-1)，箭頭為IVT輸送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔40 gpm)，氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)和急流(箭頭，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔20 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔10 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直積分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，間隔100 kg·m-1·s-1)，箭頭為IVT輸送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔40 gpm)，氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)和急流(箭頭，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔20 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔10 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直積分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，間隔100 kg·m-1·s-1)，箭頭為IVT輸送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔40 gpm)，氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)和急流(箭頭，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔20 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，間隔10 gpm)和氣溫(紅色點(diǎn)虛線，間隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直積分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，間隔100 kg·m-1·s-1)，箭頭為IVT輸送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

個(gè)例A：從2008年6月17日00 UTC—18 UTC(見圖1)，200 hPa天氣圖上為兩槽一脊的形勢，在中國中部地區(qū)(35°N, 113°E)附近有一槽，朝鮮半島上空有一脊，脊的下游有一槽位于日本東部沿海(40°N, 150°E)附近。500 hPa天氣圖上為“兩槽一脊”的形勢，上游槽在我國中部(34°N, 115°E)附近，呈東北-西南向并向東移動(dòng)，脊在(40°N, 130°E)附近向北延伸，下游槽在日本東部沿海(40°N,143°E)附近。在1 000 hPa天氣圖上，倒槽在我國東南部(27°N, 115°E)附近，并不斷向北發(fā)展，在江蘇南部形成氣旋?！按髿夂印痹跉庑龞|部的暖輸送帶上，沿鋒面發(fā)展(見圖1(d))，其在我國東南沿海生成并向北偏東移動(dòng)，強(qiáng)度不斷增加，呈東北-西南向，沿倒槽外圍位勢梯度較大區(qū)域延伸。

個(gè)例B：從2016年7月19日00 UTC—20日00 UTC (見圖2)，200 hPa天氣圖上為兩槽一脊的形勢，陜西、山西上空的槽南移，其下游的脊在中國東北部(45°N, 125°E)附近，日本上空(40°N, 142°E)處有一個(gè)槽向東移動(dòng)。在500 hPa天氣圖上，在山西、河南附近有一低壓中心加強(qiáng)，中國東北部(45°N, 125°E)處有一脊，在日本(40°N, 140°E)附近有一個(gè)槽東移。在1 000 hPa天氣圖上，上游氣旋位于(37°N, 125°E)附近，中心氣壓下降，下游氣旋位于鄂霍次克海南部附近洋面，中心氣壓上升，西部鋒區(qū)減弱，二者沿副熱帶高壓外圍移動(dòng)?！按髿夂印蔽挥谏嫌螝庑匿h面與下游氣旋的外圍，呈東北-西南向(見圖2(d))，形狀較為狹長，北部強(qiáng)度較大。

個(gè)例C：從2009年7月8日18 UTC—9日18 UTC (見圖3)，200 hPa天氣圖上，渤海附近(40°N, 120°E)處的槽向東移動(dòng)越過朝鮮半島，日本海北部(45°N, 135°E)附近有一個(gè)脊，脊前有急流，脊的下游在(40°N, 145°E)附近洋面上有一槽。在500 hPa天氣圖上，在黑龍江上空有低壓中心，河北上空的槽東移，日本海北部在(43°N, 140°E)附近有一個(gè)弱脊，北海道東部(45°N, 150°E)處的洋面上有一個(gè)槽。在1 000 hPa天氣圖上，上游氣旋位于(37°N, 125°E)附近，中心氣壓下降，下游氣旋位于鄂霍次克海南部附近洋面，中心氣壓上升，西部鋒區(qū)減弱，二者沿副熱帶高壓外圍移動(dòng)?！按髿夂印蔽挥谏嫌螝庑匿h面與下游氣旋的外圍(見圖3(d))，由兩段逐漸合為一體，在副高與兩氣旋之間的鋒面上延伸，強(qiáng)度西高東低。

個(gè)例D：從2013年7月3日18 UTC—5日06 UTC (見圖4)，200 hPa天氣圖上，在(40°N, 130°E)處的槽東移減弱，槽后新槽在渤海附近(40°N, 120°E)上空形成并加深，槽東部有一脊位于鄂霍次克海南部，脊的下游(40°N, 160°E)以東洋面上有一槽。在500 hPa天氣圖上，在黑龍江上空有一低壓中心，逐漸減弱至消失，下游鄂霍茨克海上在(50°N, 155°E)附近有一個(gè)脊不斷發(fā)展。在1 000 hPa天氣圖上，在河南、湖北、安徽和山東附近有一個(gè)槽，氣旋位于黑龍江，逐漸減弱。“大氣河”在槽前與氣旋南部沿副高外圍移動(dòng)發(fā)展。氣旋東部的“大氣河”IVT≥800 kg·m-1·s-1的區(qū)域斷為兩部分(見圖4(d))，南半部分繼續(xù)發(fā)展，在2013年7月3日18 UTC與中國東部槽前IVT≥800 kg·m-1·s-1的區(qū)域相連，形成新的“大氣河”，沿氣旋南部副高外圍延伸，強(qiáng)度不斷增大，整體位于黃海、韓國和日本陸地上以及日本東部洋面。

值得注意的是，在“大氣河”生成與發(fā)展的過程中，其上游IVT數(shù)值較小，“大氣河”中心的水汽多來自中國南海、南方陸地、東海、黃海等經(jīng)過的地方，水汽在發(fā)展過程中不斷增強(qiáng)。而傳統(tǒng)意義上的“大氣河”多發(fā)生在東北太平洋[11]，其水汽多由熱帶地區(qū)輸送而來，與本文“大氣河”個(gè)例的水汽來源有所不同。

3 云系位置與形態(tài)分析

圖5是四個(gè)“大氣河”個(gè)例在強(qiáng)度最大時(shí)刻的紅外衛(wèi)星云圖和1 000 hPa的位勢高度場。2008年6月17日18 UTC (見圖5(a))個(gè)例A中，氣旋中心位于黃海中部，東部位勢梯度較大。云帶北寬南窄，位于整個(gè)氣旋上空，自北向南跨越中國東北部陸地、朝鮮半島、黃渤海以及中國東部沿海省份，南部可到達(dá)中國江西、福建等地。云帶中部東至日本海，云帶較寬且北部云層較厚。

((填色為亮溫(間隔2 K)，藍(lán)色實(shí)線為位勢高度(間隔10 gpm)。The shaded is bright temperature (2 K interval) and blue solid lines are geopotential heiht (1 gpm interval). )

2016年7月20日00 UTC (見圖5(b))個(gè)例B中，氣旋中心位于河北南部，北部位勢梯度較大，氣旋南部1 000 hPa的槽向南延伸。云帶形狀較個(gè)例A更窄，云帶在氣旋中心附近呈“逗點(diǎn)”狀，尾部向南延伸較多；云帶在氣旋東部自北向南延伸，北部位于河北、京津上空的云層較厚，南部云層相對較薄。

從圖5(c)可以看出，在個(gè)例C中，2009年7月9日18 UTC日本海上有一個(gè)氣旋中心，千島群島附近有一個(gè)低壓，兩個(gè)低壓系統(tǒng)的東南部，在低壓與副熱帶高壓之間是較為平直和密集的等位勢高度線。云帶由兩部分組成，位于日本海的氣旋上空有較寬的云帶覆蓋，其東部的云帶在副熱帶高壓外圍，由平直(圖略)轉(zhuǎn)為繞東部的低壓逆時(shí)針彎折，云層較厚且基本位于洋面上。

在個(gè)例D中，2013年7月5日06 UTC (見圖5(d))以日本東部沿海至東海為界，位勢高度西低東高。云體從鄂霍次克海南部開始在位勢梯度較大的區(qū)域向西偏南延伸，過日本東部沿海，跨越日本陸地和日本海并越過朝鮮半島，經(jīng)過黃海南部和東海北部，尾部伸入中國江蘇及更向西的大陸。整個(gè)云系特別狹長，東部較寬且云層較厚，西部云層相對較薄。

4 垂直結(jié)構(gòu)分析

Ralph等[16-17]指出，東北太平洋上的“大氣河”沿極鋒延伸，多呈西南-東北向，水汽從熱帶地區(qū)附近朝中緯度北美大陸輸送，“大氣河”在登陸北美西岸高大的地形時(shí)被迫抬升，此處易發(fā)生極端降水；低層存在比濕的集中區(qū)域與低空急流，呈現(xiàn)濕中性層結(jié)等。本文把“大氣河”發(fā)展過程中中心IVT數(shù)值最大的時(shí)刻定義為其強(qiáng)度最大時(shí)刻(見圖6)。黑色粗虛線為表示“大氣河”的長軸。線EiFi(i=1, 2, 3, 4)過“大氣河”IVT最大值點(diǎn)且與長軸垂直。沿線EiFi(i=1, 2, 3, 4)作垂直剖面，可以探究“大氣河”強(qiáng)度最大位置的垂直結(jié)構(gòu)。E1F1、E2F2、E3F3、E4F4的時(shí)間分別為2008年6月17日18 UTC、2016年7月20日00 UTC、2009年7月9日18 UTC和2013年7月5日06 UTC。

(填色為水平水汽通量的垂直積分IVT(間隔100 kg·m-1·s-1)，黑色實(shí)線為200 hPa水平風(fēng)速(m·s-1)，紅色點(diǎn)虛線為PV(PVU，1 PVU=10-6 K·kg-1·m2·s-1)。黑色粗虛線為“大氣河”的長軸，線EiFi (i=1, 2, 3, 4)為過“大氣河”IVT最大值點(diǎn)且與長軸垂直的線，用于做剖面分析。Shaded is IVT (100 kg·m-1·s-1 interval), black solid lines are horizontal wind speed at 200 hPa (m·s-1) and red dotted lines are PV (PVU, 1 PVU=10-6 K·kg-1·m2·s-1). Black dashed line is the long axis of atmospheric river. EiFi (i=1, 2, 3, 4) is the line which is over the maximum IVT and perpendicular to the long axis.)

4.1 水平風(fēng)速的垂直分布

圖7給出了4個(gè)“大氣河”個(gè)例分別沿線EiFi(i=1, 2, 3, 4)的水平風(fēng)速垂直剖面圖，填色部分表示水汽通量大小，實(shí)線表示水平風(fēng)速大小。在個(gè)例A中，2008年6月17日18 UTC (見圖7(a))沿E1F1的垂直剖面上，水汽通量位于500 hPa以下，大值中心低于800 hPa，水汽輸送方向的左側(cè)水汽通量梯度較大，右側(cè)梯度較小。水平風(fēng)速有兩個(gè)大值中心：低空高風(fēng)速區(qū)位于水汽帶內(nèi)部，風(fēng)速中心在水汽通量大值中心附近850 hPa高度處，中心風(fēng)速超過33 m·s-1。在“大氣河”輸送方向的左側(cè)的200 hPa高度處，有風(fēng)速超過48 m·s-1的大風(fēng)速區(qū)，為此處的高空急流。

(填色部分為水平水汽通量(間隔0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1)，黑色實(shí)線為水平風(fēng)速(間隔3 m·s-1)。Shaded is horizontal vapor flux (0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1 interval) and black solid lines are horizontal wind speed (3 m·s-1). )

在個(gè)例B中， 2016年7月20日00 UTC(見圖7(b))的沿E2F2的垂直剖面水汽輸送也集中在500 hPa以下，但范圍更寬。值得注意的是，由于此時(shí)“大氣河”北部發(fā)生逆時(shí)針彎折(見圖6(b))，所以水汽通量的兩個(gè)大值中心處水汽的輸送方向并不完全一致。低空有兩個(gè)風(fēng)速中心，都位于水汽通量的大值區(qū)之內(nèi)，中心風(fēng)速超過27 m·s-1；高空風(fēng)速中心在200 hPa附近，中心在“大氣河”上空偏向氣旋一側(cè)。

在個(gè)例C中，2009年7月9日18 UTC線E3F3同時(shí)穿過“大氣河”的兩個(gè)大值帶(見圖5(c))，沿E3F3的垂直剖面圖中(見圖7(c)) 400 hPa以下有多個(gè)高度不同的水汽通量大值區(qū)域，大值中心分別位于800和950 hPa附近。在兩個(gè)水汽通量大值區(qū)內(nèi)，都有風(fēng)速的大值中心，風(fēng)速中心位于700 hPa以下，中心最大風(fēng)速超過39 m·s-1。而高空急流在200 hPa處，位于水汽輸送方向的左側(cè)上空，中心風(fēng)速約為60 m·s-1。

如圖7(d)所示，個(gè)例D中2013年7月5日06 UTC在500 hPa以下有兩個(gè)明顯的水汽輸送大值區(qū)，其中一個(gè)整體在700 hPa以下，兩中心高度略有不同。低空風(fēng)速中心分別在600和900 hPa附近，中心最大風(fēng)速約為33 m·s-1。200 hPa附近存在一個(gè)急流中心，同樣位于水汽輸送方向的左側(cè)高空，中心風(fēng)速超過50 m·s-1。

結(jié)合以上分析，四個(gè)個(gè)例的水平風(fēng)速都呈現(xiàn)相似的形態(tài)，即在水汽通量大值區(qū)內(nèi)部存在低空急流，急流中心平均高度在800 hPa，而在“大氣河”輸送方向的左側(cè)，高空200 hPa存在急流中心。

4.2 PV的垂直分布

圖8為四個(gè)“大氣河”個(gè)例在強(qiáng)度最大時(shí)刻沿線EiFi(i=1, 2, 3, 4)水汽通量和PV的垂直剖面圖，填色部分為水汽通量大小，實(shí)線為PV的大小，加粗的實(shí)線為1 PVU等值線。

(填色部分為水平水汽通量(間隔0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1)，黑色實(shí)線為位勢渦度(≥0.5 PVU，間隔0.5 PVU；加粗實(shí)線為1 PVU, 1 PVU=10-6 K·Pa-1·m·s-1)。(Shaded is horizontal vapor flux (0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1 interval) and black solid lines are PV (≥0.5 PVU，0.5 PVU interval; the thick line is 1 PVU).

在個(gè)例A中， 2008年6月17日18 UTC (見圖8(a))的垂直剖面上，“大氣河”上空大于1 PVU的區(qū)域從低空貫穿到高空，在900和450 hPa附近有兩個(gè)大小約為2 PVU的PV中心。PV大于1 PVU區(qū)域的軸線由低空“大氣河”附近向水汽輸送方向的高空左側(cè)傾斜。在300 hPa以上有PV的大值區(qū)。此處PV大值中心產(chǎn)生的原因一是對流潛熱釋放加熱中層大氣使得位溫升高，其下方位溫梯度增大，低層的PV增大；二是高空存在急流，急流左側(cè)風(fēng)的切變渦度大，動(dòng)量下傳表現(xiàn)為PV下伸。

在個(gè)例B中，2016年7月20日00 UTC (見圖8(b))沿E2F2的垂直剖面可以看出，在“大氣河”輸送方向的左半部分內(nèi)，PV大于1 PVU的區(qū)域?qū)挾容^上一個(gè)例更大，較為平直地從低空向高空貫穿，但整體位于300 hPa以下。200 hPa以上，PV有大值區(qū)，大值區(qū)與300 hPa以下的1 PVU等值線之間的存在小于1 PVU的區(qū)域。

在個(gè)例C 中，2009年7月9日18 UTC的垂直剖面圖(見圖8(c))中，“大氣河”附近大于1 PVU的區(qū)域在400 hPa以下，位于“大氣河”輸送方向的左側(cè)，中心強(qiáng)度大于3 PVU，且其軸線向左側(cè)傾斜。在(34.5°N，140°E)附近的另一水汽輸送區(qū)域附近，也有一個(gè)PV大值中心，大小在1 PVU以上。在高空200 hPa以上，PV存在著另一大值區(qū)域?！按髿夂印鄙峡眨琍V的兩個(gè)大值區(qū)之間PV數(shù)值很小。

在個(gè)例D中，2013年7月5日06 UTC(見圖8(d))，500 hPa以下雖然1 PVU等值線也在“大氣河”附近連接，但數(shù)值較小，600 hPa附近有一個(gè)約為1.5 PVU的大值中心。1 PVU連接的PV大值區(qū)域的軸線同樣在“大氣河”輸送方向的左側(cè)發(fā)生傾斜。300 hPa以上，在距離“大氣河”較遠(yuǎn)的位置，PV數(shù)值較大。

從以上分析可以看出，四個(gè)“大氣河”個(gè)例的高層都存在著較大的PV正異常，低層“大氣河”附近存在PV的大值區(qū)，且1 PVU區(qū)域都有向一側(cè)傾斜的形態(tài)，有的還直接與高層PV較大的區(qū)域連接。同時(shí)，單個(gè)個(gè)例的演變中，高空的PV正異常還會(huì)有所下傳(圖略)。Hoskins等[20]在討論等熵位渦圖的使用和重要性時(shí)強(qiáng)調(diào)，高層大氣的PV正異常可以引發(fā)低空氣旋式環(huán)流。

4.3 鋒生函數(shù)與上升運(yùn)動(dòng)

圖9為四個(gè)“大氣河”個(gè)例在強(qiáng)度最大時(shí)刻沿線EiFi(i=1, 2, 3, 4)的垂直剖面圖，黑色實(shí)線為鋒生函數(shù)，藍(lán)色實(shí)線為垂直速度，填色為水汽通量大小。

在個(gè)例A中，2008年6月17日18 UTC (見圖9(a))，鋒生函數(shù)有兩個(gè)大值長條帶，一個(gè)在600 hPa以下，呈鉛直形態(tài)，最大值超過6 K·100 km-1·d-1。一個(gè)在600～200 hPa之間，較為傾斜，最大值約為7 K·100 km-1·d-1，此處有鋒生作用，“大氣河”沿著鋒生函數(shù)大值區(qū)的邊緣分布。在水汽通量的大值區(qū)與低層鋒生作用較強(qiáng)的區(qū)域之間，600 hPa以下有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，范圍較窄。上升運(yùn)動(dòng)在“大氣河”發(fā)展過程中由傾斜轉(zhuǎn)為鉛直。

在個(gè)例B中，2016年7月20日00 UTC (見圖9(b))，在“大氣河”輸送方向的左側(cè)，低空和高空鋒生函數(shù)都有大值中心，且大于1 K·100 km-1·d-1的區(qū)域均向左側(cè)傾斜，水汽通量大值區(qū)邊緣與1 K·100 km-1·d-1的區(qū)域邊界有重合。750 hPa附近，“大氣河”上空有另一個(gè)鋒生函數(shù)的大值中心。上升運(yùn)動(dòng)存在于鋒生函數(shù)較大的區(qū)域之間，中心在750 hPa高度處。

在個(gè)例C中，2009年7月9日18 UTC (見圖9(c))， 在“大氣河”輸送方向的左側(cè)400 hPa以下有著強(qiáng)烈的鋒生作用，鋒生函數(shù)大值長條帶向左側(cè)傾斜，中心最大值超過15 K·100 km-1·d-1。在水汽輸送大值區(qū)的右側(cè)800 hPa以上，也有較弱的鋒生作用。上升運(yùn)動(dòng)沿著強(qiáng)烈鋒生作用的外緣發(fā)生，整體位于“大氣河”輸送范圍的左半部分，中心在800～700 hPa之間。

在個(gè)例D中，2013年7月5日06 UTC (見圖9(d))，在水汽通量的大值帶附近雖有鋒生作用，但并不成帶狀，范圍也較小。比較圖9(d)可以看出，此處并沒有明顯的鋒面，而“大氣河”內(nèi)950 hPa以上仍有上升運(yùn)動(dòng)，垂直速度較小，中心位于800 hPa附近。

綜合以上分析，在有鋒面的系統(tǒng)中，“大氣河”會(huì)沿著鋒生作用較強(qiáng)的區(qū)域分布，上升運(yùn)動(dòng)位于鋒面與水汽輸送帶之間，或在水汽輸送帶內(nèi)。在鋒生作用較弱的區(qū)域，“大氣河”內(nèi)仍存在上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)的方向在“大氣河”發(fā)展的不同階段發(fā)生改變，在強(qiáng)度最大階段會(huì)由傾斜變得鉛直。

4.4 假相當(dāng)位溫的垂直分布特征

在鋒生函數(shù)的分析中，個(gè)例A、B、C都表現(xiàn)出明顯的鋒面結(jié)構(gòu)，本節(jié)對假相當(dāng)位溫的垂直分布特征進(jìn)行分析。假相當(dāng)位溫是綜合表征大氣溫度與濕度的物理量。圖10為四個(gè)“大氣河”個(gè)例在強(qiáng)度最大時(shí)刻沿線EiFi(i=1, 2, 3, 4)的垂直剖面，紅色點(diǎn)虛線為假相當(dāng)位溫(以下用θse表示)，填色為水汽通量大小。

在個(gè)例A中，2008年6月17日18 UTC(見圖10(a)), 在“大氣河”低層900 hPa高度有一個(gè)θse的大值中心，等θse線在“大氣河”的兩側(cè)都較為密集。在“大氣河”輸送方向的左側(cè)，等θse線在400 hPa以上逐漸彎曲，此處為冷鋒?！按髿夂印陛斔头较蛴覀?cè)，等θse線在900和500 hPa都有彎曲，在靠近1 000 hPa處θse又有一個(gè)大值。此處從地面至700 hPa左右高度，假相當(dāng)位溫隨高度遞減，且在圖5(a)中可以看出此處對應(yīng)一暖鋒，表明此處具有對流不穩(wěn)定?！按髿夂印钡淖髠?cè)的邊界整體位于等θse線密集區(qū)的邊緣。

在個(gè)例C中，2009年7月9日18 UTC (見圖10(c))，可以明顯看出“大氣河”輸送方向左側(cè)等θse線十分密集，表明此處是鋒面，水汽通量較高的部分同樣沿著冷鋒存在，其右側(cè)θse在低層有大值中心，在650 hPa處有低值中心。水汽仍沿著鋒面輸送，其邊緣在密集的等θse線外圍。

在個(gè)例D中，2013年7月5日06 UTC(見圖10(d))，密集的θse等值線彎曲度大，鋒面結(jié)構(gòu)不明顯。其中，“大氣河”輸送的主體部分在900 hPa以下左右兩側(cè)有兩個(gè)低值中心，在850 hPa有一個(gè)大值中心。而在“大氣河”的頂部約550 hPa處，又有一個(gè)低值中心?？偟膩碚f，水汽通量大值區(qū)的邊緣都在等θse線密集的區(qū)域。

根據(jù)以上分析，“大氣河”水汽輸送帶的邊緣位于等θse線較為密集的鋒面附近，水汽會(huì)沿著鋒面輸送。而從垂直剖面來看，水汽通量大值區(qū)的內(nèi)有θse的大值區(qū)。

4.5 “大氣河”的空間結(jié)構(gòu)特征

通過以上分析，可總結(jié)出夏季東亞地區(qū)兩種“大氣河”的空間結(jié)構(gòu)概念圖(見圖11(a)和(b)。在圖11(a)中，“大氣河”呈南-北向。低層的氣旋系統(tǒng)或者氣旋式環(huán)流位于500 hPa槽前，“大氣河”位于500 hPa以下，處在1 000 hPa系統(tǒng)的東部或外圍。在有鋒面的情況下，水汽輸送帶會(huì)沿鋒面延伸；沒有鋒面的情況下，“大氣河”會(huì)沿著系統(tǒng)外圍分布。“大氣河”內(nèi)部存在低空急流，與鋒面之間存在著上升運(yùn)動(dòng)。在“大氣河”輸送方向的左側(cè)高空200 hPa存在著急流。高空形勢落后于1 000 hPa的系統(tǒng)。在圖11(b)中，“大氣河”呈東-西向。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)沒有鋒面存在，“大氣河”在低壓與副熱帶高壓之間發(fā)展，500 hPa位勢梯度較大，有著強(qiáng)烈的西風(fēng)，200 hPa在“大氣河”上空有高空急流。

((a) 南-北向；(b) 東-西向。(a) The north-south orientation "Atmospheric River"；(b) The east-west orientation "Atmospheric River".)

5 結(jié)論

本文對夏季東亞地區(qū)四個(gè)“大氣河”典型個(gè)例從發(fā)生到強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)刻的天氣形勢、演變過程、水平與垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出了東亞地區(qū)“大氣河”的結(jié)構(gòu)概念圖，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 呈南-北向的“大氣河”均在氣旋東部發(fā)展，呈東-西向的“大氣河”分別在兩個(gè)氣旋之間、低壓與副熱帶高壓之間發(fā)展。低層的天氣系統(tǒng)多位于500 hPa槽前，鋒面并不存在于所有天氣系統(tǒng)內(nèi)。“大氣河”內(nèi)部800 hPa附近有低空急流，“大氣河”輸送方向的下游左側(cè)高空200 hPa存在高空急流。通過對PV的垂直剖面分析可以看出，大于1 PVU的區(qū)域呈長條狀，軸線向“大氣河”輸送方向的左側(cè)傾斜，“大氣河”發(fā)展過程中高層大氣PV的正異常會(huì)向下傳遞，“大氣河”位于低空氣旋式環(huán)流的外圍。水汽輸送帶的左側(cè)存在鋒生作用，“大氣河”內(nèi)沿鋒面或者鋒生作用較強(qiáng)的位置存在上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)隨著“大氣河”強(qiáng)度增強(qiáng)而由傾斜變?yōu)殂U直。

(2) 本文所研究的四個(gè)“大氣河”個(gè)例在氣旋系統(tǒng)東部或者氣旋式環(huán)流的外圍發(fā)展，個(gè)例A、B、 C在有鋒面的系統(tǒng)內(nèi)沿著鋒面延伸，并且其水汽輸送帶邊界會(huì)與鋒面的邊緣相鄰而沿著鋒面延伸；個(gè)例D在沒有鋒面的系統(tǒng)中，沿氣旋式環(huán)流的外圍延伸。

(3) 本文在對“大氣河”進(jìn)行篩選時(shí)，沒有統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)所帶來的水汽演變而成的長條狀水汽帶，在今后的研究中，可以將臺(tái)風(fēng)所伴隨的“大氣河”作為研究對象進(jìn)行專門地研究，探討其與不同天氣系統(tǒng)內(nèi)的“大氣河”的不同之處。

致謝：本文第一作者劉珊感謝李昱薇、張雪貝同志的幫助；感謝ECMWF提供的數(shù)據(jù)資料與日本高知大學(xué)提供的衛(wèi)星云圖！