2018, Vol. 37
2. 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室(LACS), 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 国家气象中心, 北京 100029
近年来国外学者提出了大气河(Atmospheric River, AR)的概念, 大气河是从热带洋面延伸至中纬度地区的一条短暂狭窄的羽毛状水汽输送带(Zhu et al, 1998; Ralph et al, 2004; Gimeno et al, 2014), 一般宽300~500 km, 长度可达数千公里, 时间尺度短于10天, 位于温带气旋暖输送带一侧即冷锋前缘(Smith et al, 2010; Kim et al, 2017)。大气河中的水汽来源于沿温带气旋冷锋的局地水汽辐合以及热带向极地的水汽输送(Bao et al, 2006)。无论何时在北半球通常都有4~5条大气河, 位于西太平洋、东太平洋和南印度洋(Waliser et al, 2012; Knippertz et al, 2013), 并且大气河经向输送了中纬度地区90%以上的水汽(Zhu et al, 1998; Ralph et al, 2004)。大气河的强度和位置会受到MJO和ENSO的影响(Dettinger et al, 2004, 2011; Payne et al, 2014)。根据气候模式的研究, 未来大气河可能会继续加强, 导致更高频更强的洪涝灾害发生(Dettinger et al, 2011; Lavers et al, 2013), 尤其当有地形抬升或天气扰动时可导致美国西部(Ralph et al, 2006; Neiman et al, 2008a, 2011; Rutz et al, 2014)、欧洲西部(Lavers et al, 2013)、伊比利亚半岛(Ramos et al, 2015)等地发生强降水甚至洪涝灾害。由大气河引起的降水在沿海和内陆地区均随纬度发生改变(Kim et al, 2013; Neiman et al, 2008a, 2008b; Rutz et al, 2014, 2015)。导致内陆降水的大气河往往配合有最高的水汽含量和最强的风速带(Rutz et al, 2015)。目前, 识别和追踪大气河主要应用欧拉方法或者拉格朗日方法进行(Newell et al, 1992; Bao et al, 2006; Knippertz et al, 2010; Gimeno et al, 2012; Garaboa et al, 2015)。
研究还发现, 当有切断低压与大气河共同作用时, 还可导致极端降水, 且降水过程中大气河对应的自由对流层的水汽异常较边界层更为显著(Hirota et al, 2016)。切断低压是从中高纬度西风急流中分离出、由深槽发展而来的, 处于对流层中高层的独立气旋性涡旋(Palmén et al, 1969; Gimeno et al, 2007)。由于高纬地区冷空气的输送, 切断低压往往配合冷中心(Nieto et al, 2005)。切断低压形成后呈准静止状态, 在中高层呈准正压结构, 水平尺度约几百公里, 时间尺度约几天, 非绝热加热或摩擦会导致切断低压逐渐消亡或者退回高纬地区(Hoskins et al, 1987)。切断低压内部的动力学和热力学机制会加强低压所在区域的垂直上升运动和降水(Singleton et al, 2007)。在伊比利亚半岛(Nieto et al, 2007)、非洲西部(Knippertz et al, 2005)、东亚(Hu et al, 2010)和南非地区(Molekwa et al, 2014), 当对流层中低层有充足的水汽供应时, 切断低压往往会造成极端降水事件。常造成我国东北和华北地区灾害性天气的东北冷涡, 其实质上就是一种位于我国东北地区的切断低压。东北冷涡可定义为在500 hPa天气图中(35°N-60°N, 115°E-145°E)范围内出现闭合等高线, 并配合有冷中心或明显冷槽, 生命史至少为3天或3天以上的低压环流系统(孙力等, 1994), 常给东北甚至华北地区带来暴雨、冰雹、大风等灾害性天气, 一年四季均可出现, 但主要集中在夏季(郑秀雅等, 1992)。
前人对东北冷涡的垂直结构、天气气候特征, 东北冷涡暴雨的数值模拟和大中尺度的环流形势等方面作了诸多研究。赵思雄等(1980)系统研究了影响中国的不同低涡过程, 指出当东北冷涡与北上的热带系统结合时, 会激发出极强的暴雨过程。孙力等(1995)合成对比分析了暴雨类冷涡和非暴雨类冷涡, 指出东北冷涡暴雨主要出现在冷涡的发展阶段, 暴雨类冷涡的降水中心位于系统东南侧。孙力等(2002)还诊断分析了1998年9例典型的松嫩流域东北冷涡暴雨过程, 指出东亚阻高、西太平洋副高和东北冷涡在强度和位置上的最佳配置构成了1998年松嫩流域持续性暴雨的大尺度环流背景, 而此次持续性暴雨与一般冷涡降水的最根本区别是亚洲季风诸系统(南亚季风, 副热带季风)带来的水汽输送, 也是大范围强降水频繁出现的主要原因。陈力强等(2005)应用中尺度数值模式模拟了一次东北冷涡诱发的强风暴, 较成功地模拟出中尺度对流系统MCS的结构, 发现MCS发生在东北冷涡南部锋区, 锋区的斜压扰动和潜在不稳定层结为其发生发展提供了有利的环境条件。吴迪等(2010)研究了干侵入对一次东北冷涡过程的作用, 指出干侵入使冷涡中心绝对涡度增大, 冷涡加强发展, 干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一。王培等(2012)通过一次东北冷涡过程的“气旋曲度”降水进行数值模拟, 分析得出了有利于降水的天气尺度的背景场和中尺度系统的结构。
国内对东北冷涡暴雨与大气河之间联系的研究还相对较少。基于大气河的概念, 对2016年7月25日一次由东北冷涡造成的暴雨过程展开分析, 揭示大气河水汽输送在东北冷涡暴雨过程中的作用。
2 资料选取与方法介绍 2.1 资料选取使用的降水资料是中国气象局气象数据中心提供的中国逐日网格降水量(赵煜飞等, 2015)和中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水数据(廖捷等, 2013; 沈艳等, 2013), 背景形势分析和物理量场诊断所用资料是美国国家环境预报中心和国家大气研究中心NCEP/NCAR的FNL全球再分析资料, 空间分辨率为1°×1°, 时间间隔为6 h, HYSPLIT轨迹模式使用的是NCEP GDAS全球1°×1°的数据。
2.2 轨迹模拟方案HYSPLIT模式可用来追踪气团所携带粒子的运动轨迹, 采用此模式来探究2016年7月25日东北冷涡暴雨的水汽来源。模拟区域选取为2016年7月25日我国东北地区24 h累积降水大值中心附近区域(41°N-43°N, 123°E-126°E), 并在模拟区域中选取9个轨迹初始点, 垂直方向上以1 000, 3 000和5 500 m三个高度作为模拟的初始高度, 整个模拟空间共27个初始点, 以7月25日12:00(世界时, 下同)和18:00两个时次作为起始时间对气团进行后向追踪并得出后向积分168 h(7天)的三维运动轨迹。
3 降水实况与形势背景 3.1 降水实况2016年7月23-30日, 我国东北地区均有降水出现, 持续时间较长, 25日强度最大, 范围最广, 从25日00:00至26日00:00的24 h累积降水分布[图 1, 文中所涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1593的标准地图制作, 底图无修改]可以看出, 雨带呈东北-西南走向, 分布于我国东北地区南部, 暴雨区(50 mm以上)出现在辽宁省东北部和吉林省中部, 而大暴雨(100 mm以上)中心集中在辽宁省东北部(铁岭、抚顺地区)。从逐6 h的累积降水演变(图略)来看, 雨带自北向南推进, 强降水主要发生在25日00:00-18:00。
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图 1 2016年7月25日00:00至26日00:00 24 h累积降水分布(单位: mm) Figure 1 The 24-h accumulated precipitation from 00:00 on25 to 00:00 on 26 July 2016. Unit: mm |
此次东北冷涡属于典型的切断低压, 7月23日06:00[图 2(a)], 西风槽位于贝加尔湖(简称贝湖)东侧, 槽后配合有-16 ℃的冷中心, 形成极强的冷平流, 有利于低槽的发展, 12:00(图略)从槽底切断出一个低涡, 中心气压为564 dagpm并伴有-16 ℃的冷中心。低涡发展阶段, 中纬度地区贝湖西侧和鄂霍次克海附近为高压脊控制, 属于“两脊一槽”的形势, 日本以东的西太平洋上有2016年2号台风“卢碧”, 在向西北方向移动时逐渐变性为温带气旋, 130°E处的副热带高压(下称副高)588 dagpm线已北抬到40°N。200 hPa中高纬的环流形势与500 hPa相似(图略), 同为“两脊一槽”型, 低涡闭合中心出现晚于中层, 南压高压自西向东延伸至我国东部沿岸海域, 控制了我国40°N以南的地区。
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图 2 2016年7月23-26日500 hPa位势高度(实线, 单位: dagpm)、500 hPa温度(虚线, 单位: ℃)、200 hPa高空急流(阴影, 单位: m·s-1)及850 hPa风场(矢量, 单位: m·s-1) Figure 2 The geopotential height (solid lines, unit: dagpm), temperature (dashed lines, unit: ℃) at 500 hPa, the upper-level jet at 200 hPa (the shaded, unit: m·s-1) and wind field at 850 hPa (vector, unit: m·s-1) from 23 to 26 July 2016 |
由图 2可以看出, 200 hPa高空急流的位置随着低涡的发展自西向东移动, 在低涡达到成熟阶段时高空急流也最强, 风速核达到50 m·s-1以上。由850 hPa的风场可知, 低层低压中心的形成早于中层, 气旋环流明显, 并位于西风槽和低涡的东侧。鄂霍次克海附近的阻塞高压及日本以东的低压系统稳定维持, 导致整个过程中低涡移动缓慢, 基本停滞在我国东北地区西北侧(54°N, 120°E)附近, 使得东北地区持续处于涡区东南部, 有利于西南急流向东北输送南方的暖湿空气。24日18:00起, 冷涡趋于成熟, 中心气压达到最低, 为556 dagpm, 冷中心与低涡中心基本重合, 中高层低压中心近于垂直。25日06:00, 吉林、辽宁一带处于高空急流入口区的右侧, 次级环流引发的热力直接环流的上升支利于该地区大气潜在不稳定能量的释放。从850 hPa风场可以看出, 华北地区附近的低压涡旋东南侧和副高西北侧之间存在一支西南低空急流, 导致辽宁省及吉林省南部处于高空急流和低空西南急流的交汇处, 上层干冷下层暖湿, 加强了大气的不稳定层结, 有利于强对流发生发展。25日18:00, 高空急流核心消失, 低空急流减弱并向南偏移, 降水开始减弱, 低涡进入衰退阶段, 27日日本以东的低压系统与东北冷涡逐渐合并, 28日鄂霍次克海附近的阻塞高压减弱, 低涡也随之东移消亡(图略)。此次东北冷涡从7月23-30日长达7天, 低涡闭合中心的出现(消失)顺序为从低层开始向高层发展加强(减弱)。
4 大气河的作用和演变此次低涡活动过程中, 始终有从热带洋面上延伸至我国东北地区的大气河存在。低涡发展阶段[图 3(a)], 大气河主要由孟加拉湾经我国西南地区向东北输送, 水汽通量核强度较小, 在500~700 kg·m-1·s-1之间。进入成熟阶段时[图 3(b)], 大气河的源头逐渐由阿拉伯海、孟加拉湾转变为西太平洋, 此时共形成两条大气河:一条由西太平洋经我国南海区域向北而后向东北输送, 另一条则是经东海、黄海向北输送到达我国东北地区, 其中第一条大气河较强, 途径2016年3号台风“银河”, 其东侧的东南低空急流伴随大气河为东北地区提供了较强的水汽输送, 由此可见, 大气河在一定程度上可以成为中高纬和中低纬天气系统之间相互作用的媒介。内陆水汽通量核从我国华北地区逐渐向东北地区移动并加强[图 3(c)], 25日18:00达到1 000 kg·m-1·s-1以上[图 3(d)], 水汽通量核对应区域与25日大暴雨中心基本重合。25日降水过程结束后, 第二条大气河逐渐减弱消失, 而第一条大气河的源头则转变为阿拉伯海、孟加拉湾和西太平洋, 二者输送的水汽在我国南海汇合而后一起向北输送, 但其水汽通量核明显减弱并随着低涡的衰退先向南偏移继而顺着大气河的流动方向向东北(日本海)移动[图 3(e), (f)]。除了大气河之外, 可以注意到图 3中还有一条从巴尔喀什湖向东输送的水汽通道, 也对此次东北暴雨水汽的聚集起到了重要作用, 25日辽宁吉林地区正处在这三条水汽通道汇合的地方, 水汽强烈辐合抬升, 造成此次强降水过程。
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图 3 2016年7月23-27日大气整层水汽通量(阴影及矢量, 单位: kg·m-1·s-1) 虚线为图 4剖面位置 Figure 3 The vertical integrated water vapor flux (the shaded and vector, unit: kg·m-1·s-1) from 23 to 27 July 2016. The dashed line is the location of the cross section in Fig. 4 |
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图 4 沿图 3中虚线的相对湿度(阴影, 单位: %)和垂直速度(等值线, 单位: ×10-3hPa·s-1)的垂直剖面 Figure 4 The relative humidity (the shaded, unit: %) and vertical velocity (contour, unit: ×10-3hPa·s-1) along the cross section shown by the dashed lines in Fig. 3 |
大气河所在区域, 无论是在边界层还是自由对流层都有充足的水汽(Ralph et al, 2004; Neiman et al, 2008a)。从7月25日暴雨过程前后大气河垂直结构的演变(图 4)可以看出, 25日00:00大气河所在区域(125°N附近)低层和高层大气的相对湿度都很大, 而中层相对较干, 高空的湿空气在大气河附近分布范围较广。而后随着降水过程的发展和空气对流上升运动的加强, 中空的相对湿度也逐渐增大, 到12:00可以明显看到大气河核心区域的湿层已非常深厚, 相对湿度90%以上的区域从低空一直伸展到高空200 hPa附近, 并配合强烈上升运动, 18:00垂直上升运动最为强烈, 中心强度由上一时次的-8×10-3hPa·s-1增强到-16×10-3 hPa·s-1, 造成强对流。暴雨结束后, 垂直上升运动逐渐减弱, 大气中的水汽也逐渐随着大气河的移动向南偏移。
5 HYSPLIT模式轨迹追踪分析造成暴雨的水汽可源自大气中不同的高度层, 而每一层次水汽的源地也不尽相同, 本文应用HYSPLIT轨迹模式对此次东北暴雨中的目标气块进行后向追踪, 初始时间选择25日12:00和18:00两个时次, 垂直方向上选取1 000, 3 000和5 500 m三个初始高度, 分别对两个时次各层的水汽来源进行研究和讨论。由气团后向轨迹的水平分布(图 5)可以看出, 两个时次大暴雨中心低空的水汽来源基本一致, 主要来自南海和西太平洋, 1 000 m高度上的水汽主要由来自西太平洋和南海的偏南气流输送, 3 000 m高度上水汽则是源于孟加拉湾-南海附近的西南气流。低空后向追踪的水平轨迹分布与图 3低涡活动过程中大气河的位置相吻合。且通过水平轨迹的的高度变化可以看出, 低空的水汽在降水开始前是从相对更低的层次向上抬升到各层相应高度, 说明降水开始前大暴雨中心附近发生强烈对流, 水汽辐合上升形成暴雨。两个时次中空的水汽输送差异较大, 均有两支通道, 12:00中空水汽主要源于孟加拉湾和南海, 从轨迹的高度变化中可以看出前者源于低空, 后者源于中空, 在我国西南地区汇合后一起向东北输送; 而18:00的两条水汽通道, 一条源自南海低空, 气块在降水开始前有明显抬升, 而另一条基本维持在500 hPa高度上下, 从欧亚大陆一直向东输送至我国东北地区, 后者对应图 3中源于巴尔喀什湖的水汽通道, 二者在我国华北地区汇合后向东输送。两个时次水汽来源的差异是由不同时次天气系统的位置和强度决定的。
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图 5 HYSPLIT轨迹模式模拟的2016年7月25日12:00(a)和18:00(b)气团后向轨迹(后向积分168 h)的水平分布 黑色方框: 24 h累积降水大值区; 线条颜色:轨迹高度(单位: m) Figure 5 The horizontal backward trajectories of air mass (backward integrated for 168 h, black box: large value area of 24-h accumulated precipitation; color of lines: height of trajectories, unit: m) by HYSPLIT model at 12:00 (a) and 18:00 (b) on 25 July 2016 |
综上, 此次东北冷涡的水汽来源与魏铁鑫等(2015)对近50年308例冷涡暴雨过程中的目标气块应用HYSPLIT轨迹模式后向追踪得出的东北冷涡暴雨的4个主要的水汽源地(按水汽贡献率依次为西太平洋及其相邻海域、孟加拉湾-南海海域、欧亚大陆和东北地区)一致。需要指出的是, 本次暴雨个例中偏西气流主要输送对流层中层的水汽, 而对流层低层的水汽则主要依靠偏南气流, 马梁臣等(2017)在研究东北地区典型暴雨个例的水汽输送特征时也曾指出, 不同天气系统下的东北暴雨个例均有海上偏南气流和西北内陆气流两条路径的输送, 前者集中在近地层, 而后者则集中在对流层中层或以上, 此现象与前人研究华北暴雨和四川盆地持续性暴雨时的水汽来源结果相似(孙建华等, 2013; 李娟等, 2016), 这是因为我国西部地形较高, 低层无法输送水汽, 偏西气流的水汽输送只能出现在对流层中层及以上而低层的水汽输送则主要来自于东南沿海。
6 东北冷涡暴雨的天气概念模型及验证通过以上分析, 给出此次东北冷涡暴雨的天气概念模型(图 6)可以更直观地看出此次暴雨的高低层配置。此次东北冷涡属于深厚系统, 高低层均有低压闭合中心出现。200 hPa为“两脊一槽”型, 高空急流位于辽宁、吉林省上空, 急流核中心风速达到50 m·s-1以上。500 hPa同为“两脊一槽”型, 鄂霍次克海附近的阻塞高压和日本以东低压系统的稳定维持导致低涡移动缓慢, 停滞在我国东北地区西北侧, 有利于南方暖湿空气向北输送。850 hPa低压中心强度较弱, 自西太平洋经南海区域延伸至我国东北地区的大气河配合低空西南急流将南方暖湿气流源源不断输送至辽宁、吉林一带, 高低空急流的耦合作用导致大气上层干冷下层暖湿, 大气层结不稳定得以维持加强, 冷暖空气辐合导致对流上升运动强烈发展, 造成此次强降水过程。
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图 6 2016年7月25日东北冷涡暴雨天气概念模型 850 hPa灰色粗箭头为大气河, 黑色粗箭头为低空急流 Figure 6 The conceptual model of heavy rainfall of northeast cold vortex on 25 July 2016. Grey thick arrow is the atmospheric river and black thick arrow is low-level jet at 850 hPa |
为进一步验证图 6的“大气河”背景下东北冷涡暴雨天气概念模型的普适性, 另选取2015年8月2-3日的东北冷涡暴雨个例进行对照分析。此次暴雨过程导致了内蒙古北部, 吉林、辽宁、山东半岛等多地出现暴雨, 低涡系统于8月1日由贝湖东南侧的槽加深形成, 亦属于切断低压, 随后加强东移至我国东北境内, 3日00:00低涡达到最强, 中心最低气压为552 dagpm, 此后逐渐减弱并向东北移动消散。从低涡最强时高低空急流的配置和当日24 h累积降水的分布(图 7)可以看出, 此次过程的形势场与2016年7月25日较为相似, 降水主要集中在高空急流和低空西南急流之间, 雨区呈带状分布。
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图 7 2015年8月3日00:00 500 hPa位势高度(实线, 单位: dagpm), 200 hPa高空急流(虚线, 单位: m·s-1), 850 hPa低空急流(风羽, 单位: m·s-1), 24 h累积降水(阴影, 单位: mm) Figure 7 The geopotential height (solid lines, unit: dagpm) at 500 hPa, the upper-level jet at 200 hPa (dashed lines, unit: m·s-1) and low-level jet at 850 hPa (barbs, unit: m·s-1) at 00:00 on 3 August 2015 and 24-h accumulated precipitation (the shaded, unit: mm) from 00:00 on 3 to 00:00 on 4 August 2015 |
源于孟加拉湾和西太平洋的大气河贯穿整个暴雨过程, 其中孟加拉湾占主导地位, 是水汽的主要源地, HYSPLIT模式后向模拟的结果与大气河路径一致, 中低层水汽均源于孟加拉湾(图略)。大气河在低涡形成阶段强度较弱, 随着低涡的加强, 中心水汽通量也逐渐增强, 8月3日水汽通量核集中于山东半岛渤海湾至辽东半岛一带, 中心强度达到1 100 kg·m-1·s-1以上, 与降水区位置相对应。
综上可以看出, 2015年8月2-3日的东北冷涡暴雨过程与前文分析得出的概念模型类似, 证实了图 6的“大气河”背景下东北冷涡暴雨的概念模型具有一定的普适性, 可以适当运用于东北地区暴雨的预报实践中。
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图 8 2015年8月3日18:00大气整层水汽通量 (阴影及矢量, 单位: kg·m-1·s-1) Figure 8 The vertical integrated water vapor flux (shaded and vector, unit: kg·m-1·s-1)at 18:00 on 3 August 2015 |
通过对2016年7月25日一次“大气河”背景下的东北冷涡暴雨过程的诊断分析, 认为高中低层的天气系统的有利配置和大气河在此次暴雨过程中有重要作用, 同时通过HYSPLIT模式进行目标气块轨迹追踪, 应用拉格朗日分析方法揭示了暴雨的水汽来源, 具体结论如下:
(1) 此次暴雨过程是在有利的高低空形势配置下发生的, 影响系统主要有东北冷涡、鄂霍次克海附近的阻塞高压、日本以东的低压、高低空急流等。由于阻塞高压和日本以东低压系统的稳定维持, 东北冷涡移动缓慢, 高低层冷暖平流的输送增强了该地区的大气斜压性, 高低空急流耦合导致垂直运动加强, 将大气河输送来的充沛水汽输送到高层, 导致了此次暴雨过程。
(2) 大气河在一定程度上可看作中高纬和中低纬系统之间相互作用的媒介, 它可将热带地区的暖湿水汽输送到中纬度地区, 为暴雨的产生和维持提供良好的水汽条件。此次暴雨过程中, 大气河主要有两条, 均源于西太平洋, 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; 另一条则是经东海、黄海向北输送到达我国东北地区, 其中第一条占主导地位。暴雨过程中, 大气河核心区域湿层十分深厚, 由低层一直向上延伸至高空, 并配合有强烈上升运动。
(3) 此次东北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。低层的水汽主要源于西太平洋和南海, 而中层的水汽主要来自南海、孟加拉湾和欧亚大陆。暴雨过程中不同时次水汽来源的差异主要体现在中层, 西南大气河主要输送对流层中层的水汽, 而对流层低层的水汽则主要依靠偏南大气河输送。
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2. Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. National Meteorological Center, Beijing 100029, China