大气河对南极冰盖及海冰的影响

南极冰盖与海冰对全球气候具有重要影响。大气河作为高纬度地区经向水汽输送的重要途径,其对南极冰盖与海冰的影响在近年来愈发受到重视。南极大气河通常形成于高压脊(阻塞高压)与温带气旋之间的强向极经向输送带内。低频的大气河活动为南极带来强降雪,有利于冰盖质量增加。然而,强暖湿水汽侵入同时会导致表面融化、冰架崩解和极端高温,对冰盖质量存在潜在负贡献。大气河携带极端暖湿水汽与强风通过热力与动力过程导致海冰密集度下降。目前,大气河的识别算法仍不完善,其对液态降水的直接影响、与南大洋的相互作用等仍不清楚,需要进一步明晰大气河对南极冰盖与海冰的影响机制,以准确预估未来大气河对南极冰盖物质平衡与海冰变化的作用。

大气河背景下的广西暖区暴雨机理初探

利用多源实况观测资料以及ERA5再分析资料对2010-2022年夏季(6-8月)广西暖区暴雨个例中伴随大气河的特征进行统计分析,并基于波作用通量、水平锋生以及非绝热加热诊断等,从热力、动力角度分析了2022年6月2-4日大气河背景下广西典型暖区暴雨过程。结果表明:(1)绝大多数暖区暴雨个例伴随大气河。当大气河通过广西区域并维持在约1000 kg·m^(-1)·s^(-1)以下时,大气河强度增强有利于暖区暴雨降水强度增强。大多数个例中大气河呈西南-东北向,在经过广西时方向角在15°~65°。(2)典型个例中东西伯利亚阻塞高压和东北冷涡异常活跃,造成副高总体被压制,位置偏南,使得大气河维持在孟加拉湾-南海-华南-北热带太平洋一带,为暖区暴雨发生发展提供充足水汽。副高维持而低涡东移造成的气压梯度增大以及夜间季风气流加速共同作用使得局地大气河增强。(3)大气河夜间增强促进了局地水汽辐合及垂直输送使得湿层不断增厚,大气可降水量增大,有利于降水效率增大。同时,持续的暖湿输送有利于低层不稳定层结的建立和维持,使大气对流不稳定结构贯穿整个降水过程。(4)山脉地形的辐合抬升、侧向摩擦促进了上升运动、垂直涡度发展,一方面有利于山前堆积的暖湿空气被迫抬升而触发对流,另一方面有利于对流系统维持,造成更多水汽凝结致雨。此外,暖湿空气堆积产生持续的锋生强迫也有利于降水维持和增强。(5)大气河影响下的强上升造成大量水汽不断凝结释放潜热,大气受热后又加强了上升运动,在该正反馈机制下对流持续发展增强。

美国海滨应对“大气河”气象灾害

国外天气气象学者常说的“大气河”,是指一条水汽输送带,有时可能会缓解旱情,但也有可能会带来暴雨,引发洪水灾害。在本质上,“大气河”是悬在空中的水汽形成的“河流”,它们会被低纬度的强风向前推进,有时可达到飓风级的速度。美国加利福尼亚州的圣巴巴拉市,最近就发生了一场强大的“大气河”洪水,居民们站在被洪水淹没的街道上,这场暴雨洪水在南加州造成了山体滑坡、停电、道路和机场关闭。袭击西海岸的“大气河”正在缓慢地离开南加州。

东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征

利用2007-2020年的常规观测、东北地区6 h和24 h降水资料以及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,对东北地区温带气旋暴雪过程有/无大气河伴随进行了统计,并对比了有/无大气河伴随时环境场特征的异同。结果表明:83%的温带气旋暴雪过程有大气河伴随,其中59%的大气河登陆东北。11月和3月的暴雪过程大气河出现的频率最高,12月和1月基本无大气河伴随。南方气旋和黄淮气旋参与的暴雪过程大气河出现的频率高且强度强,相应的降水量较大;蒙古气旋暴雪过程大气河出现的频率低,降水量较小。有大气河伴随的暴雪过程高空急流有2支,低空急流强;500 hPa上有冷涡,形成切断低压和大气河相互作用有利于强降水的形势;850 hPa有明显的暖舌和较强锋区,因而有利于水汽输送和动力抬升,主要为冷锋降雨和暖锋降雪。无大气河相伴的暴雪过程高空急流有1支,低空急流弱;500 hPa上无冷涡,西风槽较弱;850 hPa锋区和低涡强度较弱,高空辐散和水汽条件差,主要为暖锋降雪。有大气河伴随时暴雪过程的水汽主要源自东海和黄渤海,低层不稳定层较厚,边界层水汽辐合区宽广且强,上升运动较强;无大气河伴随时水汽主要源自日本海,不稳定层结和上升运动较弱,边界层水汽辐合区狭窄且弱。大气河不仅体现了强水汽输送,还体现了较好的动力抬升。

受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节-季节预报技巧的影响

在冬季,欧洲西岸的强降水多由大气河(Atmospheric river,AR)而引起,而大气河又受到墨西哥湾流(Gulf stream,GS)区域海洋锋面变化的调制作用,因此GS区域海洋锋面的低频变化可能对欧洲西岸强降水在次季节-季节(Sub-seasonal to seasonal,S2S)时间尺度上的预报技巧存在影响。本文基于欧洲气象中心发布的S2S预报数据集,结合ERA5的再分析数据,考察了GS区域海表面温度(Sea surface temperature,SST)、AR及欧洲西岸强降水的S2S预报效果,发现相较其他区域而言,在GS锋面处SST的预报值偏高,预报技巧偏低,受此影响,海洋锋面处海面风速预报值偏大,从而增强洋面蒸发,导致向大气输送更多的热量和水汽,促进更多AR的发生。受AR发生频率预报结果的影响,西欧沿岸南部(北部)AR发生频率预报值偏高(偏低),从而导致南部(北部)预报的强降水增多(减少),AR引起的降水占总降水的比值也增加(减少)。

SAR-UNet:一种基于空间注意力机制的大气河识别网络模型

准确、高效地识别大气河可以有效地预防洪涝和干旱等自然灾害,对地区的经济、社会和生态发展具有非常重大的意义。现有的大气河识别算法主要是基于多个物理量的阈值来实现的,它们能有效地识别大气河,但需要手动设置阈值和几何度量标准。由于现有方法在复杂度和泛化能力上的局限性,本文基于深度学习的方法,提出了名为SAR-UNet的网络模型,该模型基于UNet网络结构,在特征提取时创新性地加入了空间注意力机制,从而能够更好地获取大气河的局部特征信息。通过深度学习的方法来对大气河进行自动识别,有效地解决了现有方法需要确定阈值和度量标准的不足。实验结果表明,基于SAR-UNet的大气河识别方法在ERA-Interim气候再分析数据集上具有最佳的识别效果,大气河识别的精度上达到了97.27%,MIoU值高达85.22%。

“大气河”研究进展回顾

本文对“大气河”研究进展进行回顾,首先介绍了“大气河”一词的由来;“大气河”在不同地区的通俗名称;之后介绍“大气河”的结构;“大气河”的水汽来源等。重点介绍了太平洋东北部(北美洲西海岸)和欧洲地区“大气河”的特征;讨论了“大气河”对气候的影响,即对于一些较为干旱的地区来说,“大气河”输送水汽以利于产生降水,可以有效地解除当地的旱情。最后介绍了全球气候变化背景下的“大气河”特征。

中国近30年有/无大气河伴随的登陆台风气候学特征对比分析

利用JRA55再分析资料和近30年台风资料,采用动态合成分析方法对1986—2015年有/无大气河伴随的登陆台风大尺度环流和水汽场特征进行了合成分析,以探讨大气河对登陆台风演变的影响,主要结论如下:30年内登陆中国大陆的台风中,有大气河伴随和无大气河伴随的大约各占50%,平均陆上维持时间前者(38 h)长于后者(22.5 h)。有大气河伴随的台风登陆后,台风与副热带高压间的等高线密集,台风在中纬度槽前移动过程中有逐渐向斜压锋区靠近的趋势,而无大气河伴随的台风登陆后,台风与副热带高压间的等高线稀疏,也无长波槽靠近;有大气河伴随的台风登陆后,仍然与西南风低空急流和超低空急流水汽输送通道相连,台风涡旋区大风核伸展高度高,而无大气河伴随的台风登陆后与强水汽通道断开;登陆台风是水汽汇的一个高值中心,夏季印度季风环流和南海夏季风是向台风输送水汽的主要通道。有大气河伴随的台风,水汽输送速度的大小和辐合的强度明显大于无大气河伴随的台风,且其水汽辐合呈准对称结构,而无大气河伴随的台风其水汽辐合呈不对称结构,北侧的冷性强水汽输送会加速台风的填塞;有大气河伴随的台风登陆后,其南边界一直维持较强的水汽输送,台风区域总的水汽收入减小缓慢,而无大气河伴随的台风登陆后,台风区域总的水汽收入迅速减小;从垂直分布来看,有大气河伴随的台风在登陆后48 h内,其低层气旋式环流结构较完整,4个边界均有净的水汽输入,随着高度升高结构趋于松散。而无大气河伴随的台风在登陆24 h后其气旋式环流结构已不完整。

大气河对2013年“7.9”四川盆地持续性暴雨作用的诊断分析

2013年7月7~11日,四川盆地大部分地区出现了持续性强降雨天气（以下简称四川＂7.9＂暴雨）。此次过程的降水中心稳定少动、降水强度及总量大、持续时间长,累积降水量最高达到了1000mm以上,造成严重灾害。为分析位于孟加拉湾地区的大气河对四川＂7.9＂暴雨的影响。利用NCEP/NCAR再分析资料,通过研究孟加拉湾大气河水汽对这次暴雨的作用及影响,得到的结果表明：此次持续性暴雨过程中,孟加拉湾大气河受西太平洋副高东撤影响,并在200 h Pa和850 h Pa高低空急流的共同作用下,不断向四川地区输送水汽。这种水汽输送一直持续到11日才停止,此时降水也趋于结束。在整个暴雨过程中,850 h Pa上孟加拉湾大气河输送的水汽由于云贵高原阻挡,而绕开云贵高原在南海地区与西太副高外围的水汽以及南半球的越赤道气流汇合后,在低空急流左侧辐合气流作用下输送到四川盆地,为暴雨产生提供水汽。同时,700 h Pa上的水汽直接越过云贵高原到达四川盆地。孟加拉湾大气河的这两种输送方式为四川盆地持续性暴雨提供了充足的水汽供应。

一次“大气河”背景下东北冷涡暴雨的诊断分析

利用FNL再分析资料、NCEP GDAS资料和观测降水资料,应用HYSPLIT轨迹追踪模式,对2016年7月25日一次东北冷涡暴雨过程的天气形势背景、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及暴雨水汽来源进行了诊断分析。结果表明,此次暴雨发生在有利的天气形势背景下,东北冷涡、鄂海阻高、日本以东的低压、高低空急流是这次过程的主要影响系统。暴雨过程中有两条源于西太平洋的大气河,一条经我国南海区域向北继而向东北延伸,核心水汽通量极强,另一条经东海、黄海向北输送,两条大气河的湿层均十分深厚。通过大气河的输送作用,热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。南来的暖湿气流与东北冷涡环流的偏北干冷气流汇合,在暴雨区附近产生了强烈上升运动,是此次暴雨的主要动力抬升机制。水汽轨迹追踪表明此次暴雨的水汽源地主要有西太平洋、南海、孟加拉湾和欧亚大陆,低层水汽主要由偏南大气河输送,中层水汽主要来自于西南大气河。

一次大气河背景下华北地区暴雨的诊断分析

利用2018年5月15—16日的ERA5再分析资料和观测资料,对大气河背景下一次华北地区暴雨过程的天气形势、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及结构特征进行了诊断分析。结果表明此次降水过程的直接影响系统是位于华北地区的高空槽、低空切变线、地面冷锋和高低空急流,这些系统使得华北地区低层辐合高层辐散,带来强烈的垂直上升运动。在有利的天气形势背景下,暴雨过程中有源于南海的大气河,经我国东南地区向华北地区延伸,核心水汽通量较强,持续时间较长,湿层十分深厚,低层高湿高能并有风速的大值区。大气河的强盛发展促使了强降水的发生,大气河逐渐减弱消散时,降水趋于结束。通过大气河的输送作用,将热带地区的暖湿水汽直接输送到华北地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。大气河遇到泰沂山脉被迫抬升,触发强降水,地形抬升作用是此次暴雨的重要抬升机制。

ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响

利用1979-2016年ERA-Interim再分析资料,分析了ENSO对冬季北太平洋地区水汽输送特征的影响,包括整层水汽含量、整层水汽输送及其散度和大气河频率。结果表明,在El Ni1o年冬季,东北太平洋地区的气旋式环流异常增强了自副热带太平洋向北美西海岸的水汽输送,导致区域性的水汽辐合与辐散异常;La Ni1a年冬季的水汽输送特征与厄尔尼诺年大致相反。根据尺度分解的方法,对水汽输送及其散度的异常成因进行分析,得到结论如下:除El Ni1o年黑潮及其续流区外,ENSO年冬季北太平洋的水汽输送异常主要由环流异常导致;水汽输送散度异常则主要由环流异常的散度、气候态比湿的经向梯度和异常比湿的纬向梯度三部分决定。此外,El Ni1o年冬季北太平洋大气河频率分布的向极弯曲增强,分布更加集中;而La Ni1a年冬季大气河频率分布更加分散,纬向跨度减小,经向跨度增加。

冬季北太平洋多尺度水汽输送和大气河的变化特征及其与PDO和ENSO的联系

利用1950-2015年NCEP/NCAR大气再分析资料和NOAA海表面温度资料,通过回归分析和合成分析的方法研究了冬季北太平洋不同尺度水汽输送和大气河(Atmospheric River, AR)的变化特征及其与PDO、ENSO的联系。结果表明,在PDO正位相时期,时间平均的水汽输送将大量水汽从太平洋北部和中部地区输送到东北太平洋的阿拉斯加湾及北美西岸地区,同时将北太平洋副热带地区的水汽输送到热带地区;低频尺度的水汽输送主要是将水汽从北太平洋向低纬地区输送;天气尺度的水汽输送使得大量水汽在北太平洋中部风暴轴区域汇集;北太平洋AR中部和阿拉斯加及北美西岸地区的AR频率显著增强,热带太平洋AR中西部明显增强,而东部减弱并向西南方向移动延伸。在ENSO正位相时期,时间平均的水汽输送使得东北太平洋和热带太平洋地区降水异常增多;低频尺度的水汽输送导致北美西岸易发生极端降水事件;天气尺度的水汽输送与北太平洋风暴轴活动密切相关;北太平洋AR中西部有所减弱,但在其东部的北美西岸地区AR频率明显增强,热带太平洋AR中部地区显著增强,而在其东南部则明显减弱。PDO和ENSO处于不同位相下时对AR的影响表现出一定的非对称性,其中PDO对北太平洋AR的影响起主导作用,而ENSO对热带太平洋AR的影响起主导作用。

急流背景下华南前汛期极端降水与大气河的关系

为更好地分析近年来极端降水事件与大气河的关系,利用1998-2015年ECMWF的再分析格点资料和区域自动站日降水资料研究华南前汛期极端降水事件中,不同类型急流对应大气河的变化,结果表明:对华南前汛期降水产生影响的湿冷空气大多由西南方向进入华南地区,逐步对降水的发生和维持提供动力作用;根据影响极端降水事件的急流类型,分为3大类、4小类,并对不同类型对应存在的大气河进行分析;对应为孟加拉湾-南海大气河、孟加拉湾-云贵高原大气河以及中南半岛-南海大气河作用在极端降水事件上。

夏季东亚地区四个“大气河”典型个例分析

利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的ERA-Interim再分析资料和日本高知大学提供的红外卫星云图,从夏季东亚地区134个“大气河”个例中挑选了4个典型个例分析其天气形势和演变过程,考察其水平与垂直结构。发现有两个南-北向的“大气河”在气旋东部暖输送带上发展,另外两个东-西向的“大气河”分别在两气旋之间的锋面上、低压与副热带高压之间发展。整体而言,“大气河”位于500 hPa以下,在1000 hPa上低压天气系统的东部或外围。在有锋面伴随的情况下,水汽输送带会沿着锋面延伸。在没有锋面伴随的情况下,“大气河”会沿着低空气旋式环流外围延伸。“大气河”内800 hPa高度附近有低空急流,与锋面之间有上升运动。“大气河”输送方向的左侧200 hPa高度附近有急流。最后本文给出了夏季影响东亚地区两种“大气河”的空间概念示意图。

遥感和再分析产品中大气河降水的全球比较

大气河(AR)是大气低空急流层中水汽输送的狭长走廊。Zhu等在1994年首次提出了这一术语,以反映它们的狭窄及其对全球水循环的重要性。在任何给定的时刻,在每个半球大约有3~5个AR,它们的宽度仅占全球中高纬度纬圈的10%不到,但其输送的水汽却占经向水汽通量的90%以上。

冬季海洋锋面对大气河影响的理想数值试验研究

本文利用天气研究和预报(Weather research and forecasting,WRF)模式设置了两组具有不同海洋锋面强度的“渠道模型”理想数值试验,忽略地形作用,探讨了冬季海洋锋面对大气河(Atmospheric river,AR)的影响。结果表明,在不同强度的海洋锋面试验中,大气低层风速、湍流热通量等物理量的响应与海温的变化同位相,且大气低层各变量对海洋锋面南侧海温变化的响应较北侧更大,呈现出南北不对称性。海洋锋强度的增强促进了向高空的涡动热量和水汽输送,导致高空风速加强和风暴轴北移。海洋锋面的增强还为经过其上空的气旋提供了更多的动量和水汽,加强了气旋南侧的水汽输送带,从而促进了大气河发生频数的增加和大气河强度的增强。

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水,是中国水资源的主要来源,同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带,与国际上近期提出的“大气河”概念相近,但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征,也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料,综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因,并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例,分析了季风水汽输送带的重要作用。最后,提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环,包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等,这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。

应用拉格朗日方法研究四川盆地暴雨的水汽来源

基于拉格朗日方法的轨迹追踪模式HYSPLIT v4.9可用来追踪水汽的来源以及运行轨迹。结合应用拉格朗日方法与欧拉方法,通过分析四川盆地2013年6月29日—7月2日、7月7—11日和7月15—19日三次暴雨过程来研究孟加拉湾地区的水汽通道对四川盆地暴雨的影响。分析结果表明:影响这三次暴雨过程的水汽通道均有多条,但其中最为主要的均为来自孟加拉湾的水汽通道。孟加拉湾水汽输送在低空环流系统的作用下,一部分是直接越过云贵高原输送到四川盆地,另一部分是绕过云贵高原在南海地区与南海水汽以及越赤道水汽在西太副高外围东南气流的作用下一并输送到四川盆地;其中在南亚季风强大的西南气流作用下,孟加拉湾大气河中的水汽主要越过云贵高原输送向四川盆地。同时分析对比了孟加拉湾水汽输送通道与大气河(At—mospheric River)之间的异同点,发现孟加拉湾水汽输送通道与大气河之间存在着一定的相似性。

2017年湖南一次特大致洪暴雨过程的水汽特征

利用湖南省区域自动站和常规观测站降水资料、NCEP/NCAR和JRA-55再分析资料及湖南省气象台大气河预报业务产品,分析了2017年6月22日至7月2日湖南一次特大致洪暴雨过程的雨洪和水汽输送异常特征,以及大气河水汽输送对强降雨的影响,在此基础上定量分析了强降雨区各边界的水汽收支状况及各水汽轨迹的贡献。结果表明:此次强降水过程分为三个阶段,第一、第三阶段降雨的范围、强度均明显大于第二阶段。欧亚中高纬稳定的"1槽1脊"环流形势、低纬较稳定的西太副高及其外围强劲的水汽输送是此次暴雨发生的环流背景。水汽通量、水汽通量散度、比湿等物理量的水平及垂直分布对降水的阶段性特征和位置、强度变化有很好的指示作用。三个强降雨时段,来自孟加拉湾、南海和西太副高西南侧的水汽输送表现出不同的强度和位置,造成到达湖南境内的偏南水汽输送空间异常程度不同。大气河的强弱及其水汽输送通道、辐合区位置以及强降雨区各边界水汽净收入对强降水发生、发展起关键作用。水汽后向轨迹分析表明,低层偏南的水汽输送是此次极端强降雨较长时间维持的重要因素,而来自北方的干冷空气侵入利于大气斜压性增强和对流不稳定维持,是第二阶段降水强度弱于第一、第三阶段的另一原因。