傅 剛， 劉 珊，2， 李曉東， 陳蒞佳

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系,山東 青島 266100; 2. 青島市氣象局，山東 青島 266003)

“河流”(River)通常是指沿著地表或地下長(zhǎng)條狀槽形洼地經(jīng)常或間歇流動(dòng)的水流[1]，是地球上陸地水文循環(huán)的重要路徑[2]。 “銀河”、 “云河”等描述天空星系或大氣中氣流的詞匯古已有之，但用“大氣河”一詞來表示“大氣中的河流”是近幾十年人們才接觸的詞匯。

“大氣河”是指地球大氣對(duì)流層中跨越中緯度地區(qū)的長(zhǎng)條狀水汽帶[3]，它是大氣環(huán)流中水汽輸送的重要路徑，對(duì)于全球水汽循環(huán)有著重要意義。圖1是大西洋上空的“大氣河”概念示意圖。從圖中可以看出，強(qiáng)大的水汽輸送帶把水汽從大西洋上空源源不斷地輸送到英國(guó)，科學(xué)家們認(rèn)為“大氣河”是導(dǎo)致英國(guó)發(fā)生洪水的主要原因。

本文擬對(duì)“大氣河”研究進(jìn)展進(jìn)行回顧，介紹“大氣河”一詞的由來及演化歷史，世界主要地區(qū)“大氣河”的特征，其目的在于在全球氣候變化的背景下，人們需高度重視對(duì)“大氣河”的研究。

1 “大氣河”一詞的由來

早期“大氣河”的英文是“River in the Sky”[4], 現(xiàn)在多指“Atmospheric River”, 既不是通俗意義上的含水汽的大氣環(huán)流，也不單純表示大氣中含水的氣流，它有著特定的含義與標(biāo)準(zhǔn)。

(圖片引自http://blog.sciencenet.cn/blog-350729-767166.html。From http://blog.sciencenet.cn/blog-350729-767166.html .)

圖1 大西洋上空的“大氣河”概念示意圖

Fig.1 A schematic diagram of atmospheric river over the Atlantic Ocean

早在1939年，Namias[5]就注意到了“大氣河”這一現(xiàn)象，但大氣對(duì)流層中“河”的概念最早是由Newell等[6]提出的。他們利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, 簡(jiǎn)稱ECMWF)提供的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)了水汽輸送帶的長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)。這種長(zhǎng)條帶狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是寬度的幾倍，能夠持續(xù)維持?jǐn)?shù)天。它就像橫亙天空的河流，其最大流量接近于亞馬遜河的流量(～1.65×108kg·s-1)[6]。他們把這種長(zhǎng)(長(zhǎng)度約2 000 km)而窄(寬度300～500 km)、流量接近世界上流量最大的河流的水汽輸送帶稱作“對(duì)流層河流(Tropospheric Rivers)”。Newell和Zhu[7]利用1991年6月至1992年5月全球的比濕與風(fēng)速資料計(jì)算水汽通量的垂直積分，發(fā)現(xiàn)大西洋北部和南部、太平洋北部、印度洋南部等是“對(duì)流層河流”發(fā)生頻率較高的區(qū)域。

自1990年代初科學(xué)家首次提出“大氣河”這一術(shù)語以來，引起了人們對(duì)這一概念的爭(zhēng)論[8]。一個(gè)常見的思路是，沿著“天空中的河流” (River in the Sky)這條線來思考問題，盡管它是一條由“水汽”而不是“液體”組成的河流。這一概念在美國(guó)西部和受“大氣河”影響的其他一些地區(qū)已被經(jīng)常使用，其原因不僅在于它被媒體使用，而且在于這一概念具有直觀性。圖2是2019年2月13日1330UTC東北太平洋上的GOES-WEST紅外衛(wèi)星云圖，可以很直觀地看到來自太平洋上的充沛水汽被輸運(yùn)到北美洲大陸上。

(衛(wèi)星圖片引自https://accuweather.brightspotcdn.com/df/10/960c5fb046eeacc6a3a0366a7c1e/atmospheric-river-promo-2-13.12.05%20AM.png.)(from https://accuweather.brightspot cdn.com/df/10/960c5fb046 eeacc6a3a0366a7c1e/ atmospheric-river-promo-2-13.12.05% 20AM.png.)

圖2 東北太平洋上2019年2月13日1330UTC的 GOES-WEST紅外衛(wèi)星云圖
Fig.2 GOES-WEST infrared satellite image at 1330 UTC 13 February 2019 in the Northeastern Pacific Ocean

然而，在過去20年里，學(xué)術(shù)界對(duì)這一術(shù)語的看法不盡相同?！皩?duì)流層河流”(Tropospheric Rivers)一詞后來被Zhu和Newell[9]修改為“大氣河”(Atmospheric Rivers)?！按髿夂印边@一詞語是否恰當(dāng)？學(xué)者們?nèi)源嬖诓煌庖?，后期出現(xiàn)了“水汽輸送帶”(Moisture Conveyor Belts)[10]、“熱帶水汽出口”(Tropical Moisture Exports)[11]等叫法?！按髿夂印币灿幸恍┩ㄋ椎拿Q，例如 “菠蘿快車(Pineapple Express)”[12]，它被預(yù)報(bào)員用來描述將熱帶的水汽從夏威夷群島輸送到美國(guó)西海岸的“大氣河”，每次來襲都會(huì)帶來連續(xù)3～5 d的暴雨或大雪。同時(shí)，美國(guó)中部“大氣河”被稱作“瑪雅快車(Maya Express)”[13]。

Zhu和Newell[3]指出，在熱帶地區(qū)以外，所有向兩極輸送的水汽在35°N附近有90%以上集中在4或5條狹窄的區(qū)域內(nèi)。這些水汽帶從西向東橫跨中緯度地區(qū)，隨機(jī)分布在全球各地。由于“大氣河”與溫帶氣旋的緊密聯(lián)系，氣候意義上的“大氣河”多發(fā)于冬半年。Bao等[10]對(duì)“大氣河”個(gè)例軌跡的研究表明，“大氣河”并不代表真實(shí)的水汽輸送軌跡?！按髿夂印泵枋龅氖菧貛庑欣滗h前沿處暖輸送帶內(nèi)水汽通道的瞬時(shí)位置[14],甚至是由羅斯貝波列而產(chǎn)生的水汽帶的融合[15]。

2 “大氣河”的結(jié)構(gòu)

Ralph等[16]利用衛(wèi)星資料對(duì)1997和1998年冬季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)，強(qiáng)風(fēng)與高含水量的水汽共同組成了此處的低空急流。Ralph等[17]發(fā)現(xiàn)“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(shì)不穩(wěn)定性。

典型的“大氣河”位于溫帶氣旋冷鋒前的暖輸送帶之內(nèi)，其結(jié)構(gòu)主要包括低層水汽帶、冷鋒前的低空急流等。圖3是垂直于“大氣河”水汽運(yùn)動(dòng)方向的剖面圖，可以直觀地反映沿鋒面分布的低層水汽帶、低空急流的相對(duì)位置[18]。在氣旋內(nèi)，在冷鋒鋒面的水汽平流運(yùn)動(dòng)下，“大氣河”會(huì)得到加強(qiáng)，同時(shí)暖輸送帶的環(huán)流依靠著“大氣河”內(nèi)部的大尺度上升運(yùn)動(dòng)和降水來維持[19]。

3 “大氣河”的水汽來源

Bao等[10]指出，“大氣河”中水汽有兩大來源：一是沿冷鋒的局地水汽輻合；二是從熱帶地區(qū)向極地輸送的水汽。位于太平洋中部伴隨著低空西南急流的副熱帶高壓脊有利于熱帶水汽輸送到太平洋東部的美國(guó)西海岸地區(qū)。Knippertz和Wernli[11]發(fā)現(xiàn)，35°N以南的水汽在到達(dá)溫帶之前會(huì)重新回到低緯地區(qū)。雖然在“大氣河”發(fā)生時(shí)從低緯向兩極的水汽輸送會(huì)增加，氣旋中心的水汽主要還是來自于“大氣河”主體和降水地區(qū)附近的水汽蒸發(fā)[19]。同樣，在海上發(fā)生的天氣系統(tǒng)中，冷鋒后海面上蒸發(fā)的水汽對(duì)于氣旋整個(gè)生命史中輸送的水汽總量貢獻(xiàn)顯著。冷鋒逆時(shí)針向暖鋒移動(dòng)，暖區(qū)變窄，水汽沿冷鋒發(fā)生局地輻合，生成富含水汽的帶狀區(qū)域[20]。

(藍(lán)色實(shí)線是等風(fēng)速線(單位：m·s-1)；綠色點(diǎn)線是相對(duì)濕度(單位：g·kg-1)；紅色等值線與陰影是沿鋒面的水平水汽通量(×105kg·s-1)

(圖片引自Gimeno等[18]的圖2) 。The blue contours are isotachs (unit: m·s-1), the dotted green lines are water vapor specific humidity (unit: g·kg-1), and red contours and shading are horizontal along front moisture flux (×105kg·s-1) (from Figure 2 of Gimeno et al.[18].)

圖3 垂直于“大氣河”水汽運(yùn)動(dòng)方向的垂直剖面示意圖
Fig.3 Cross section schematic perpendicular to the direction in which the water vapor is moving highlights the relative positions of along front vapor band and low-level jet

然而，也有學(xué)者認(rèn)為水汽的水平流動(dòng)是“大氣河”的主要來源。Sodemann和Stohl[19]研究了2006年12月北大西洋上發(fā)生的氣旋，運(yùn)用中尺度大氣模式模擬了水汽來源和輸送過程。當(dāng)“大氣河”存在時(shí)，從遙遠(yuǎn)的南部輸送來的水汽會(huì)占更大的比例，造成更強(qiáng)烈的降水。水汽的追蹤分析揭示出“大氣河”是由經(jīng)向輸送的水汽組成的，在離氣旋中心較遠(yuǎn)的區(qū)域，中緯度南部和副熱帶地區(qū)的水汽貢獻(xiàn)會(huì)超過局地的水汽貢獻(xiàn)。

4 “大氣河”的判定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于“大氣河”的判別，目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者有不同的觀點(diǎn)。

Zhu和Newell[3]提出了計(jì)算水平水汽通量的垂直積分(Integrated Horizontal Water Vapor Transport，簡(jiǎn)稱IVT)的方法如下：

(1)

式中:g為重力加速度(m·s-2)；ptop為所積分的大氣頂部的氣壓(hPa)；p0為海表面氣壓(hPa)；q為大氣比濕(kg·kg-1)；u和v分別為東-西向和南-北向的大氣風(fēng)速(m·s-1)。他們使用1991、1994和1995年每年7月和1992、1995和1996年每年1月的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，比較了不同季節(jié)的水汽通量垂直積分在全球分布的不同之處?？芍苯佑^察到的是，水汽通量垂直積分大于250 kg·m-1·s-1的部分在全球呈現(xiàn)明顯的長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)，且在南北半球有相對(duì)均勻的分布。因此有一部分學(xué)者把水汽通量垂直積分大于或等于250 kg·m-1·s-1作為“大氣河”邊界的判定標(biāo)準(zhǔn)。

IVT數(shù)值大小作為判定“大氣河”的標(biāo)準(zhǔn)之一逐漸被學(xué)者們認(rèn)可，但是具體數(shù)值大小會(huì)根據(jù)研究區(qū)域的不同有所調(diào)整。Lavers等利用5種不同的再分析資料，對(duì)北美洲西部地區(qū)1998—2005年間冬季 “大氣河”的IVT最大值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并從小到大進(jìn)行排序[21]，參照Neiman等[22]統(tǒng)計(jì)到的180個(gè)“大氣河”，發(fā)現(xiàn)其中值排在IVT最大值序列的前86.1%，因此認(rèn)為，某區(qū)域一段時(shí)間內(nèi)IVT最大值從小到大排序后，排在前86.1%的數(shù)值中的最大數(shù)可以作為判定“大氣河”邊緣的標(biāo)準(zhǔn)。在北美地區(qū)，判定標(biāo)準(zhǔn)為IVT>638.4 kg·m-1·s-1；在歐洲的英國(guó)地區(qū)，判定標(biāo)準(zhǔn)為IVT>528.2 kg·m-1·s-1。

另一方面，Ralph等[16]發(fā)現(xiàn)，水汽通量的大小與水汽垂直積分量(Integrated Water Vapor，簡(jiǎn)稱IWV)有著重要聯(lián)系。他們使用Special Sensor Microwave Imager (簡(jiǎn)稱SSM/I)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)IWV數(shù)值較大的長(zhǎng)條狀區(qū)域采用合成分析等多種方法，發(fā)現(xiàn)IWV ≥ 2 cm的區(qū)域?qū)τ诔尸F(xiàn)高水汽通量帶具有代表性的作用，他們認(rèn)為IWV ≥ 2 cm可作為判定“大氣河”的重要標(biāo)準(zhǔn)。圖4是利用2010年12月18日極軌衛(wèi)星的SSM/I和SSM/IS數(shù)據(jù)計(jì)算的IWV分布圖，圖4表明美國(guó)西海岸發(fā)生的一次極端降水事件與“大氣河”有關(guān)。

IVT與IWV的數(shù)值大小都曾被用來定義“大氣河”。

Ralph等[23]發(fā)現(xiàn)，IWV大值區(qū)數(shù)值超過2 cm且持續(xù)32 h以上時(shí)，這一區(qū)域內(nèi)極端降水發(fā)生的可能性較大，土壤濕度對(duì)于降水和洪水的預(yù)報(bào)也有著至關(guān)重要的作用。

Rutz等[24]在比較了IVT ≥ 250 kg·m-1·s-1和IWV ≥ 2 cm兩種標(biāo)準(zhǔn)之后，認(rèn)為IVT的大小對(duì)于研究復(fù)雜地形的降水更起作用，特別是在冬季美國(guó)西部的降水研究中，IVT大值區(qū)與降水位置的關(guān)聯(lián)性比IWV更強(qiáng)，同時(shí)大量“大氣河”事件揭示了北美洲西海岸IVT ≥ 250 kg·m-1·s-1的區(qū)域比IWV ≥ 2 cm的區(qū)域更加深入內(nèi)陸，與強(qiáng)降水的空間分布更加符合。IVT的使用也有助于克服大地形上整體大氣厚度和IWV降低帶來的影響。Dacre等[20]在2002年2月的“大氣河”個(gè)例研究中并沒有使用IVT的大小作為判定標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵谠搨€(gè)例中，如果以IVT為250 kg·m-1·s-1等值線來定義“大氣河”，那么“大氣河”就不再只是暖輸送帶內(nèi)的一部分，而是一個(gè)更廣泛的區(qū)域。他們更多地應(yīng)用了氣旋的發(fā)展過程中渦度變化來探究“大氣河”的演變。而Mahoney等[25]直接使用IVT=500 kg·m-1·s-1作為美國(guó)東南部的“大氣河”邊界的判定標(biāo)準(zhǔn)。

(圖片引自Ralph和Dettinger[47]的圖2。Adopted from Figure 2 of Ralph and Dettinger[47].)

圖4 利用2010年12月18日極軌衛(wèi)星的SSM/I和 SSM/IS數(shù)據(jù)計(jì)算的IWV分布圖
Fig.4 The vertical integrated water vapor (Unit: g·cm-2) distribution calculated by using SSM/I and SSM/IS data From polar orbiting satellite on 18 December 2010

5 不同地區(qū)“大氣河”的特征

由于受北半球氣旋的環(huán)流影響，由熱帶地區(qū)向極地地區(qū)輸送的“大氣河”多呈西南-東北向，因此大洋的東岸會(huì)受到最直接的影響，例如北美洲的西海岸、歐洲地區(qū)的西海岸等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于“大氣河”的研究根據(jù)區(qū)域不同，多集中于太平洋東北部(北美洲西海岸)和歐洲地區(qū)。由于學(xué)者們對(duì)于西北太平洋地區(qū)的“大氣河”的研究相對(duì)較少，以下主要介紹太平洋東北部(北美洲西海岸)和歐洲地區(qū)“大氣河”的特征。

5.1 太平洋東北部(北美洲西海岸)的“大氣河”

Neiman等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，平均每年約有15個(gè)“大氣河”在美國(guó)加州地區(qū)登陸。通過統(tǒng)計(jì)1997—2005年東太平洋地區(qū)的“大氣河”，發(fā)現(xiàn)東太平洋北部沿岸“大氣河”的平均持續(xù)時(shí)間約為南部沿岸的2倍。盡管對(duì)于南北兩個(gè)地區(qū)來說，氣候上都是冷季最為潮濕，但北部沿岸的大部分“大氣河”發(fā)生在暖季，而南部沿岸的“大氣河”發(fā)生在冷季。由于冬季空氣更接近飽和，在地形的作用下，“大氣河”在沿岸地區(qū)冬季的降水帶來的影響超過夏季。Guan等[26]分析了2004—2010年冬季的美國(guó)內(nèi)華達(dá)山區(qū)45個(gè)“大氣河”個(gè)例，發(fā)現(xiàn)“大氣河”引起的降雪水當(dāng)量的改變與海表面溫度有著重要關(guān)系，“大氣河”對(duì)季節(jié)性降雪水當(dāng)量的積累有著相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。

根據(jù)Dettinger等[27]的研究，“大氣河”帶來的降水是美國(guó)加州地區(qū)總水汽供應(yīng)的20%～50%，“大氣河”的發(fā)生與否直接影響著加州地區(qū)的旱澇，加州地區(qū)最大的風(fēng)暴通常是由“大氣河”引起的。他們運(yùn)用7種氣候模式的模擬發(fā)現(xiàn)，由于“大氣河”輸送的水汽量的增加，發(fā)生頻率較高的年份增加以及“大氣河”發(fā)生季節(jié)時(shí)間的增加，未來由“大氣河”引發(fā)的洪水災(zāi)害可能性會(huì)增大。

Waliser等[28]發(fā)現(xiàn)，東北太平洋是“大氣河”頻繁發(fā)生的區(qū)域。他們利用Atmospheric Infrared Sounder (簡(jiǎn)稱AIRS)提供的IWV資料，采用IWV>2 cm、長(zhǎng)度大于2 000 km、寬度小于1 000 km的“大氣河”判定標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)2008年5月—2010年4月期間全球共出現(xiàn)了259個(gè)“大氣河”(第一年有122個(gè)，第二年有137個(gè))。這些IWV的大值區(qū)與Knippertz等[29]發(fā)現(xiàn)的由熱帶向副熱帶輸送的高水汽含量區(qū)域相吻合。

Cordeira等[30]研究了2010年10月在西北太平洋上發(fā)展的兩個(gè)呈東-西向“大氣河”的演變過程?！按髿夂印钡陌l(fā)生給美國(guó)加州北部帶來超過200 mm的降水。天氣尺度分析和氣塊追蹤分析顯示，在Convective Available Potential Energy (簡(jiǎn)稱CAPE)數(shù)值較大的環(huán)境發(fā)展起來的“大氣河”中，強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)將西北太平洋熱帶氣旋中的水汽輸送到了一個(gè)較強(qiáng)的北太平洋急流的向赤道入口處。

Rutz等[24]在對(duì)美國(guó)西部“大氣河”的研究中指出：“大氣河”的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間在俄勒岡-華盛頓海岸存在著最大值，從塔霍湖南部的高大山脈向東穿過大盆地向內(nèi)陸延伸時(shí)存在著最小值，穿越喀斯喀特山脈存在著強(qiáng)烈的西風(fēng)輸送帶。越過大地形時(shí)水汽的耗散是“大氣河”減弱的關(guān)鍵因素，較低的不連續(xù)的地形有利于“大氣河”向內(nèi)陸的延伸，從而使它對(duì)內(nèi)陸的降水發(fā)揮重要作用。

Payne和Magnusdottir[31]運(yùn)用Modern-Era Retrospective Analysis for Research和Applications (簡(jiǎn)稱MERRA)再分析數(shù)據(jù)對(duì)1979—2011年登陸美國(guó)北部西岸的750個(gè)“大氣河”進(jìn)行了研究。他們分析了大尺度環(huán)流對(duì)其中112個(gè)最強(qiáng)的“大氣河”個(gè)例強(qiáng)度的影響。向東輸送的一系列“大氣河”個(gè)例在動(dòng)力場(chǎng)的合成中顯示出了急流位置、羅斯貝波傳播、高層反氣旋式羅斯貝波與低層水汽輸送之間的緊密聯(lián)系。

Warner和Mass[32]利用Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (簡(jiǎn)稱CMIP5)對(duì)1970—1999年和2070—2099年美國(guó)北部的“大氣河”進(jìn)行了模擬，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蛯语L(fēng)減弱時(shí)，IWV和IVT數(shù)值會(huì)增大?！按髿夂印币鸬慕邓畬?duì)于美國(guó)西海岸的降水有著重要作用。當(dāng)在IVT數(shù)值極高的時(shí)段內(nèi)降水增加15%～39%時(shí)，美國(guó)西海岸的平均降水會(huì)增加11%～18%。

Mahoney等[25]通過分析美國(guó)東南部“大氣河”的IVT特征及其與強(qiáng)降水之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，美國(guó)西海岸的IVT有著較強(qiáng)的季節(jié)變化。同時(shí)，“大氣河”對(duì)美國(guó)東南部強(qiáng)降水的影響有著季節(jié)變化，二者之間的關(guān)聯(lián)度達(dá)到41%，這對(duì)于強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)有著積極作用。

Ralph等[33]研究了2001—2011年美國(guó)加州地區(qū)由“大氣河”和Sierra Barrier Jet (簡(jiǎn)稱SBJ)引起的極端日降水事件(Extreme Daily Precipitation, 簡(jiǎn)稱EDP)。研究發(fā)現(xiàn)，這些極端降水中有92%與登陸的“大氣河”有關(guān)，有90%與SBJ有關(guān)，其中降水最多的10天與二者都有關(guān)。

Ralph等[34]對(duì)2004—2016年發(fā)生在美國(guó)加州地區(qū)的“大氣河”進(jìn)行研究，對(duì)使用不同的再分析數(shù)據(jù)、不同的“大氣河”識(shí)別工具(Atmospheric River Detection Tools, 簡(jiǎn)稱ARDTs)識(shí)別“大氣河”的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，指出不同空間分辨率(0.5°, 1°～2.5°)對(duì)“大氣河”的識(shí)別沒有顯著的影響。研究同時(shí)指出，使用不同的ARDTs，識(shí)別出的“大氣河”數(shù)量會(huì)有兩倍以上的差別(10～25個(gè)/a)，但“大氣河”的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間沒有明顯差別(小于10%)。

5.2 歐洲地區(qū)的“大氣河”

Lavers等[35]的研究中運(yùn)用降水量、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬把英國(guó)冬季的洪水與“大氣河”聯(lián)系起來。研究發(fā)現(xiàn)，1970年以來英國(guó)10次最嚴(yán)重的冬季洪水都與“大氣河”有關(guān)。了解“大氣河”維持的物理過程對(duì)于預(yù)測(cè)歐洲西北部和其他中緯度地區(qū)的洪水有著重要價(jià)值。Lavers等[21]對(duì)1980—2010年英國(guó)冬半年“大氣河”的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，英國(guó)地區(qū)平均每年冬季會(huì)受到8～10個(gè)生命周期為18 h以上的“大氣河”的影響，其中有40%～80%的冬季Peaks-Over-Threshold型洪水與持續(xù)的“大氣河”事件有關(guān)。

Ramos等[36]研究了1948—2012年間影響伊比利亞半島的北大西洋上的“大氣河”及其與極端降水的關(guān)系，探究了伊比利亞半島、葡萄牙和伊比利亞6個(gè)最大的河流處上空的“大氣河”特點(diǎn)。結(jié)果表明，“大氣河”與極端降水的關(guān)系在西部地區(qū)(葡萄牙、米尼奧河、塔霍河、杜羅河)十分顯著，但在東部和南部(埃布羅河、瓜迪亞那河、瓜達(dá)爾季維爾河)二者關(guān)聯(lián)程度有所減弱。

由于北半球氣旋內(nèi)“大氣河”的延伸方向以西南-東北為主，所以前人的研究大部分集中于太平洋東北部(北美洲西海岸)和大西洋東北部(歐洲西海岸)，對(duì)于西北太平洋地區(qū)的研究較少。

Jiang和Deng[37]利用MERRA數(shù)據(jù)首次對(duì)北太平洋地區(qū)由東亞寒潮引起的“大氣河”進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，東北太平洋美國(guó)西海岸地區(qū)“大氣河”發(fā)生的可能性會(huì)受到東亞寒潮的調(diào)節(jié)作用，這種下游動(dòng)力調(diào)整會(huì)經(jīng)歷2個(gè)不同的階段：東亞寒潮最強(qiáng)的0～3 d，西北太平洋和阿拉斯加灣高頻率(大于6 d)的斜壓擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顯著的水汽向極輸送；4～6 d，高頻率的槽的合并所導(dǎo)致的中-低頻率(大于12 d)的正壓擾動(dòng)會(huì)使美國(guó)西海岸“大氣河”發(fā)生的可能性增加50%。

6 “大氣河”的影響

“大氣河”擔(dān)負(fù)著大氣環(huán)流中水汽輸送的重要任務(wù)，對(duì)于一些較為干旱的地區(qū)來說，“大氣河”若能從遙遠(yuǎn)的地區(qū)輸送水汽產(chǎn)生降水，則可有效地解除當(dāng)?shù)睾登椤?/p>

Matrosov[38]研究指出，“大氣河”引起的降水方式可以分為“冷”、“暖”和“冷暖混合”三種類型?！袄洹毙徒邓畞碓从诮Y(jié)冰層之上的冷區(qū)域；“暖”型降水通常僅限于冰點(diǎn)以上的溫度，有少量冰；“冷暖混合”型降水則由“冷”和“暖”兩種類型混合組成。

Ralph等[40]的研究指出，當(dāng)?shù)蛯佑袧裰行詫咏Y(jié)、強(qiáng)風(fēng)且具有充沛水汽的“大氣河”遇到山脈地形時(shí)會(huì)被迫抬升，到某一高度滿足降水條件后就可能發(fā)生極端降水。地形的抬升作用是重要的降水強(qiáng)迫機(jī)制，同時(shí)其他的天氣尺度、中尺度過程對(duì)于降水強(qiáng)度和“大氣河”的持續(xù)時(shí)間都有一定的影響。如垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)能夠加強(qiáng)降水，中尺度鋒面波動(dòng)會(huì)增加“大氣河”的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于總降水量有重要影響的因素是“大氣河”的強(qiáng)度(用水汽含量和低層風(fēng)表示)、寬度、與山脈有關(guān)的風(fēng)向和整個(gè)“大氣河”與鋒面的移動(dòng)等[23]。

Luo和Tung[42]對(duì)2009年1月登陸北美西海岸的兩個(gè)“大氣河”進(jìn)行了研究，對(duì)二者的位置、延伸方向、形狀、降水位置等進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，“大氣河”與海洋之間的相互作用既影響水汽的輸送，也通過潛熱釋放改變著中緯度地區(qū)的熱平衡、熱交換、海表面熱通量和云輻射強(qiáng)迫。

但是，“大氣河”所帶來的影響具有兩面性，它既是許多沿岸地區(qū)的重要水汽來源，也會(huì)帶來災(zāi)害性的極端降水[39]。持續(xù)數(shù)日的極端降水，特別是在山區(qū)，極易引起山洪爆發(fā)。若下游地區(qū)有村莊或城市，那么該地區(qū)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全往往會(huì)受到嚴(yán)重威脅。Lavers和Villarini[41]通過對(duì)美國(guó)中部地區(qū) “大氣河”與洪水發(fā)生頻率關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，超過半數(shù)的大型洪水的發(fā)生是由“大氣河”造成的。因此“大氣河”的發(fā)生，考驗(yàn)著一個(gè)地區(qū)防洪抗災(zāi)的能力與水平。

7 氣候變化背景下的“大氣河”

“大氣河”的持續(xù)時(shí)間對(duì)洪水預(yù)報(bào)有重要意義[23]。 “大氣河”在未來氣候變化中發(fā)生頻率和強(qiáng)度改變都會(huì)對(duì)降水時(shí)間與強(qiáng)度產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)影響到洪水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度。

“大氣河”的發(fā)生頻率會(huì)因“風(fēng)暴軸”的變化而改變[43]，而根據(jù)Clausius-Clapeyron方程，大氣中的水汽含量會(huì)隨溫度的升高而增加，所以“大氣河”的強(qiáng)度可能會(huì)由于氣候變暖后大氣中水汽的增加而增強(qiáng)[18]。

Gao等[44]利用CMIP5模式對(duì)未來氣候與“大氣河”的關(guān)系進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，21世紀(jì)末“大氣河”的發(fā)生頻率會(huì)顯著升高，在45°N～55°N地區(qū)會(huì)上升127%～275%，中緯度地區(qū)急流的改變會(huì)引起“大氣河”的變化，而且動(dòng)力作用會(huì)超過熱力作用。由于“大氣河”發(fā)生頻率的增加，未來由“大氣河”引起的總降水量和極端降水量會(huì)使季節(jié)平均和極端降水量顯著增加。

8 討論及結(jié)語

本文對(duì)“大氣河”研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧, 介紹了“大氣河”一詞的由來、“大氣河”在不同地區(qū)的通俗名稱；“大氣河”的結(jié)構(gòu)、“大氣河”的水汽來源等；重點(diǎn)介紹了世界主要地區(qū)，如太平洋東北部(北美洲西海岸)和歐洲地區(qū)“大氣河”的特征；討論了“大氣河”的影響；介紹了全球氣候變化背景下的“大氣河”。雖然關(guān)于“大氣河”的研究方法和研究成果豐富，但關(guān)于“大氣河”的研究還存在以下問題：

(1)“大氣河”的存在已經(jīng)被許多學(xué)者的研究所證實(shí)，但目前的定義尚不統(tǒng)一, 不同學(xué)者有不同的觀點(diǎn)。如何給出一個(gè)既考慮了不同地區(qū)特點(diǎn)、又被大家所普遍接受的、統(tǒng)一的“大氣河”定義是一個(gè)具有很強(qiáng)挑戰(zhàn)性的工作。

(2)以往學(xué)者們對(duì)于“大氣河”的研究多集中在東北太平洋和東北大西洋，而對(duì)東亞地區(qū)的“大氣河”關(guān)注不多, 特別是對(duì)影響中國(guó)大陸的“大氣河”研究較少。眾所周知，中國(guó)大陸受季風(fēng)氣候影響，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤(rùn)。長(zhǎng)期以來，季節(jié)性和長(zhǎng)期性缺水一直是制約中國(guó)北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。因此開展對(duì)影響中國(guó)的 “大氣河” 的研究，對(duì)于解決中國(guó)北方地區(qū)水資源短缺問題具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

(3)熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)內(nèi)的水汽多來自熱帶地區(qū)，隨著氣旋向高緯度地區(qū)移動(dòng)和發(fā)展，水汽被輸送到中緯度。過去的研究往往把熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)所帶來的水汽演變而形成的長(zhǎng)條狀水汽帶排除在外，未來的研究應(yīng)該統(tǒng)籌把熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)所伴隨的“大氣河”考慮進(jìn)來。

(4)目前中國(guó)已經(jīng)開展了對(duì)東亞地區(qū)“大氣河”的研究，并取得了一些有意義的初步成果。例如：劉珊珊[46]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)再分析數(shù)據(jù)和MTSAT-1R衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)，對(duì)2001—2016年夏季的東亞地區(qū)(20°N～60°N, 95°E～165°E)范圍內(nèi)的“大氣河”進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該時(shí)期內(nèi)東亞地區(qū)共發(fā)生134次“大氣河”，平均每年發(fā)生 8.4次。該文詳細(xì)記錄了“大氣河”的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比、伸展方向等特征。分析發(fā)現(xiàn)，101個(gè)“大氣河”為東西向，33個(gè)“大氣河”為南北向。該文[46]還分別選取東西方向和南北方向的“大氣河”各2個(gè)個(gè)例進(jìn)行研究，分析了“大氣河”發(fā)生前后的天氣形勢(shì)、演變過程和空間結(jié)構(gòu)特征，給出了東亞地區(qū)兩種方向的“大氣河”的概念模型。

在今后的研究中，要進(jìn)一步擴(kuò)展研究的時(shí)間范圍和空間范圍，探究 “大氣河”發(fā)生發(fā)展的季節(jié)變化特征和區(qū)域性特征。要不斷加深對(duì)東亞地區(qū)“大氣河”的空間結(jié)構(gòu)和演變特征的理解，特別是要繼續(xù)探索 “大氣河”與本地區(qū)洪水發(fā)生頻率之間的關(guān)系，為提高防洪和抗旱工作提供有針對(duì)性的建議。