韩雪蕾 王咏青 纪旭鹏 纪凡华 韩风军

(1 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院，南京 210044；2 聊城市气象局，山东 聊城 252000；3 南京大气科学联合研究中心，南京 210009；4 烟台市气象局，山东 烟台 264010)

引 言

暴雨分析预报一直是国内外气象工作者研究的一个难题。暴雨引发的洪涝灾害会对农业生产造成损失[1]，城市暴雨引发的城市内涝会造成严重的灾害[2]。对暴雨的研究涉及从动力到热力再到水汽等诸多方面[3],丁一汇等[4]认为南海地区的水汽输送情况与我国强降水密切相关，持续性暴雨可以有不同的环流配置，但暴雨发生的物理机制都是一样的，在暴雨发生前，空气中已经积累了大量的水汽及对流有效位能。而持续性暴雨，需要有充足的水汽供应以及稳定的天气形势和对流不稳定能量地释放[5-7]。

大气河是从热带洋面和副热带地区延伸至中纬度区域的一条短暂狭窄的丝状的水汽输送带[8-10]，一般长而窄，宽300～500 km，长度可达数千公里，其强水汽输送生命史至少6 h，常出现在温带气旋的暖区一侧。在北半球一般同时存在4～5条大气河，大气河中水汽从边界层延伸到对流层顶，但主要集中在对流层的中下层，通常向东北方向移动[11-13]。

广义的大气河包括热带向极地的水汽输送和温带气旋冷锋前的水汽辐合，低层存在带状高比湿区和大风带，对于全球水汽循环有着重要意义[14-16]。研究表明大气河常引发美国西部的极端降水事件[17-22]，美国中部地区超过半数的大型洪水的发生都与其有关[23]；伊朗地区的极端降水事件也与之有着密切联系[24]。

大气河及其引起的降水受到海陆差异、地形及纬度等因素影响[19-21，23，25-29]，也受到不同尺度天气系统影响，如伴随低空西南急流的副热带高压脊有利于大气河将水汽输送到较高纬度地区[30]，在气旋内，冷锋锋面的水汽聚集促使其强度加强，中尺度锋面波动会增加强降水的持续时间[18]。此外，ENSO和MJO会使其强度和位置发生改变[17，31-32]，大气河及其引发的强降水也受北大西洋涛动等大尺度的大气环流影响[23]。

自大气河概念提出以来，对其定义、结构、影响因子等方面的研究仍存在着争议，但国内外学者们对于判断它的存在及极端降水特点等方面有了不同程度的进展。但以往研究对东亚地区的大气河关注不多，特别是其对华北地区的影响研究较少[30]。因此，本文将对大气河对华北地区暴雨过程的影响进行研究。

1 资料与方法

1.1 资料

使用的降水资料是中国气象局信息中心提供的中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水数据，空间分辨率为 0.1°×0.1°。环流形势场和大气河的诊断分析所用资料为欧洲中期数值预报中心发布的再分析资料ERA5，空间分辨率为 0.25°×0.25°，时间间隔为1 h，所有资料时间范围均为2018年5月15—16日。

1.2 大气河的定义

对于大气河的判别，ZHU, et al[8]将水平水汽通量的垂直积分(Integrated Horizontal Water Vapor Transport ， IVT )大于或等于250 kg·m-1·s-1的部分作为大气河的判定标准。Rutz， et al[21]发现IVT大值区与水汽垂直积分量(Integrated Water Vapor， IWV) 相比，可以更好的表征降水位置，特别是在研究复杂地形降水时与强降水的空间分布时更有优势。而Mahoney, et al[33]直接使用IVT=500 kg·m-1·s-1作为大气河边界的判定标准。

本文采用ZHU, et al[8]的方法，IVT表达式为:

式中:g为重力加速度(m·s-2)；ptop和p0分别为大气层顶部和底部的气压(hPa)；q为大气比湿(kg·kg-1)；u和v分别为纬向和经向的风速(m·s-1)，当IVT≥500 kg·m-1·s-1且其长度达到2 000 km及以上，且长宽比≥2时，可确定为一条大气河。

2 华北暴雨与大气河

2.1 降水实况

2018年5月15日我国华北地区出现暴雨到大暴雨的天气过程(图1)。15日暴雨集中在河南北部和山东中南部，24 h累积降水量的大值中心超过80 mm，16日随着系统发展东移，暴雨出现在安徽中北部和山东北部，24 h累积降水量的大值中心超过100 mm。选取主要降水区域(35.35°～37.85°N，117.15°～120.25°E，如图1a中的红色方框区域)，计算逐小时区域平均降水量(如图1b)，可以看出最强降水时次发生在世界时15日07—18时(世界时，下同)和16日04—11时。

图1 2018年5月15日00时—16日23时过程累积降水量分布(a，阴影；单位：mm)和区域平均小时降水量随时间的演变(b，区域边界如红色方框所示)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 环流形势

由图2a可以看出，15日暴雨发生前，200 hPa高空图上，高空急流发展旺盛，高空急流自西向东移动，风速核达到40 m·s-1以上，低空急流的左前方也有明显的气旋式环流生成，有利于低层正涡度的加强以及辐合上升运动的发展。高低空急流重叠，降水区位于急流出口区的左侧，高低空急流的次级环流与引发的热力环流的上升支相叠加，有利于大气不稳定热量的释放。高低空的耦合作用导致降水区大气上层干冷，下层暖湿，对流上升运动强烈发展，中低层水汽辐合抬升，有利于强降水的发生发展。15日14时(图2b)，850 hPa低空急流的位置从之前的南海移动到孟加拉湾，延伸至我国山东地区且持续增强，山东地区位于低空急流出口区的左侧，急流中心核位置随槽前西风气流的发展向西移动，低空急流带来大量低纬海洋上的水汽和热量。16日06时(图2c)，高空急流逐渐减弱消失，低空急流持续较强，第二阶段暴雨主要受低空急流影响。200 hPa槽线过境减弱，高空的干冷气流叠加在西南急流暖湿急流之上，有利于不稳定条件的建立。16日23时(图2d)，高空槽消失，变成平直气流，暴雨结束。

15日00时(图略)，在500 hPa高度，高空槽位于我国西北地区中部，有-8 ℃的低温中心与之配合，形成较强的冷平流，有利于低槽的发展，500 hPa高空图东亚地区中高纬的环流形势为“两槽一脊”型。强降水开始后，副高稳定维持，导致高空槽移动缓慢，基本停滞在我国西北地区东部。15日14时(图略)，副高加强北抬至30°N左右，促使强降水区加强北抬。16日06时(图3)，槽线不断东移加强，低压中心附近等位势高度线为574 dagpm，槽前冷平流，促进地面强对流系统的发展。高空槽不断南压，槽线移动到华北平原中部地区，低空切变移动到河南南部和安徽北部地区。16日23时(图略)，低空急流逐渐减弱消失，高空槽线东移减弱，降水过程趋于结束。

图2 2018年5月15—16日200 hPa急流(阴影，单位：m·s-1)、200 hPa等高线(等值线，单位：dagpm )和850 hPa风场(矢量，单位：m·s-1，其中红色方框同图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)

图3 2018年5月16日06时500 hPa位势高度(黑线，单位：dagpm)、温度(红线，单位：℃)及风场(矢量，单位：m·s-1；其中红色方框同图1，棕色线为槽线)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)

强降水开始时，华北地区东部700 hPa高空图上有切变线出现，切变随时间不断北移，在16日06时(图略)，700 hPa上华北地区生成低压环流，受槽前正涡度平流作用，低压环流发展加强。而在850 hPa高空图上，华北地区东部有切变线出现，在16日23时(图略)，850 hPa上华北地区生成低压环流。

暴雨开始前，地面图上有锋面出现，5月15日00时(图4a)，冷锋位于河套地区，锋面呈东北西南向，华北地区处于锋前暖区地面倒槽中，中尺度辐合线随时间东移。15日14时(图4b)，地面锋面发展强盛，16日06时(图4c)，锋面与强降水区重合，16日23时(图4d)，降水基本结束，锋面过境。

图4 2018年5月15—16日海平面气压(黑线，单位：hPa)、地面风场(矢量，单位：m·s-1)、冷锋(蓝色线)、暖锋(红色线)及中尺度辐合线(黄色线):(a)15日00时；(b)15日14时；(c)16日06时；(d)16日23时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 大气河的作用和演变

大气不同高度层的水汽通量积分与强降水区域的逐小时区域平均降水量符合较好(图1b)，地面到800 hPa水汽通量积分数值最大，说明大气河在近地层发展最为旺盛， 500～100 hPa水汽通量积分数值最小，说明大气河越到高层越浅薄。由大气整层水汽通量的逐时变化可以看出，峰值出现在15日16时和16日06时，也是强降水的高峰区，而在大气河的强度较弱的时段，如16日00时左右和16日12时以后，降水逐渐减小。

此次强降水过程中，始终有从热带洋面上延伸至我国黄淮地区的大气河存在(图5)。强降水开始前(15日00时，图5a)，大气河主要由南海经我国东南地区向华北地区输送，水汽通量核强度较小，中心强度在 500～700 kg·m-1·s-1)之间，从降水区向上游，大气河流量增加，表明在降水区有大气河通量辐合。随着水汽的聚集酝酿，大气河不断增强加宽，15日14时(图5b)，源头逐渐变成南海和西太平洋，此时共形成两条大气河：一条由孟加拉湾经南海向东北运输，另一条则由西太平洋向北运输，达到我国山东地区。内陆水汽通量核逐渐加强，其中心最大值约900 kg·m-1·s-1，逐渐进入成熟阶段。16日06时(图5c)，部分聚集水汽以降水形式移出大气，形成暴雨，来自西太平洋的水汽通道减弱消失，大气河逐渐消散。16日23时(图5d)其水汽通量核明显减小移动入海，暴雨区域与大气河脱离联系，大气河逐渐消失减弱，此时降水过程基本结束。

图5 2018年5月15—16日大气整层水汽通量(阴影及矢量，单位：kg·m-1·s-1;红色方框同图1，虚线为图8、图9剖面位置):(a)15日00时；(b)15日14时；(c)16日06时；(d)16日23时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

图6 2018年5月15—16日大气整层水汽通量>500 kg·m-1·s-1(等值线及矢量，单位：kg·m-1·s-1)和海拔高度分布(阴影，单位：m，红色方框同图1)：(a)15日00时；(b)15日14时；(c)16日06时；(d)16日23时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时(图6a)，大气河延伸至鲁中南山地丘陵区时，受泰沂山脉的阻挡作用大气河强迫抬升，达到一定高度，触发强降水。15日14时(图6b)，大气河发展强盛，内陆水汽通量核爬升至整个泰沂山区，迎风坡上水平辐合，造成气旋式涡度增加，产生风场切变，垂直运动幅度增大。16日06时(图6c)，大气河减弱消散，大气河绕过山脉，向东北方向移动入海，可以明显看到在山脉的迎风坡一侧，大气河有着等值线的密集带。16日23时(图6d)，大气河南退，东移入海，不再受到地形的抬升触发作用，主要降水过程结束。

图7 沿图5中虚线的水汽通量(阴影，单位：kg·m-1·s-1)、假相当位温(黑色等值线，单位：K)和水平风速(蓝色等值线，单位：m·s-1)的垂直剖面分布：(a)15日00时；(b)15日14时；(c)16日06时；(d)16日23时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

从图7可以看出，在5月15日暴雨开始时，大气河从底层向高层不断发展，其上空有高空急流中心核分布。在15日14时的剖面上，可以明显看到大气河核心区域的湿层最为深厚旺盛，其中心最大值达到500 hPa高度，底层对应假相当位温等值线密集带，假相当位温在一定程度上反映不稳定能量，低层的假相当位温梯度较大，说明有水平能量锋区存在，有利于强对流天气的发生与发展，与低层高湿高能区相对应的，高空急流不断增强发展，此时该区域降水达到最大值。由16日06时的剖面图可见，高空急流减弱消失，低层有弱冷空气入侵，大气河逐渐减弱到16日23时,大气河逐渐消散，强降水基本结束。

从散度与垂直速度沿剖线方向的垂直剖面(图8)可以看出：15日00时，低层散度场由正值转为负值，辐合中心位于850 hPa以下高度，中心强度为-4×10-5s-1，16日06时，散度场明显加强，低层辐合区抬升至600 hPa附近，中心强度增加至-7×10-5s-1，同时400 hPa有一个6×10-5s-1的辐散中心与之对应，这种有利的高低空散度场的配置进一步加强了上升运动，使得垂直速度增强至70 m·s-1。图8、9的研究方法类似于水文领域的截面研究。

图8 沿图5中虚线的散度场(填色，单位：10-5s-1 )，垂直速度风场(等值线，单位：m·s-1)：(a)15日00时；(b)15日14时；(c)16日06时；(d)16日23时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 大气河背景下暴雨的天气概念模型

综上，此次大气河背景下暴雨的天气概念模型如图9所示，可以更直观地看出各因子对此次降水过程的影响。

大气河主要从我国南海延伸到日本海洋面上，途经我国华北地区，带来大量的水汽，大气河的水汽由热带向极地的水汽输送和温带气旋冷锋前的暖输送带两部分组成，从边界层一直延伸到自由大气中，大气河在近地层发展最为旺盛，越到高层越浅薄，大气河的水汽集中在冷锋前低层狭窄的区域内，低层存在高湿区和大风区。

大气河遇到山脉时，在迎风坡被迫抬升，使得垂直运动幅度增大，触发强对流过程。华北地区处于锋前暖区地面倒槽中，增加了低层不稳定度，降水区位于高空槽前，槽前冷平流促进地面强对流系统的发展，冷锋锋面的水汽和地面中尺度辐合带加剧了过程中的降水量。高低空的系统相互配合，造成高层的辐散区和低层辐合区，带来了不稳定度，导致了动力学抬升的产生，促使垂直上升运动不断增强。此次暴雨过程由动力学条件、热力学条件和水汽条件互相配合形成。

图9 2018年5月15日大气河背景下华北地区暴雨天气概念模型(其中,红色叉号为强降水区域;红色箭头为高空急流;蓝色阴影为大气河结构图)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 结论

傅刚等[33]对大气河的结构和水汽来源，不同地区大气河的特征等方面进行了综述，提出目前关于大气河的研究方法和成果丰富，但对大气河概念仍存在争议，而对东亚地区尤其是影响我国大陆的大气河研究较少。丁一汇等[11]指出东亚夏季风水汽输送带是大气河的类型之一，相比全球其他区域的大气河，东亚大气河具有更强、更宽广、与更持久的水汽输送特征，并且随着雨带的北推可以达到更高纬度地区，对区域降水具有更重要的影响。本文通过2018年5月15—16日华北地区暴雨个例，详细讨论了大气河在此次过程中的作用，得到结论如下：

(1) 大气河是达到一定强度的水汽输送，可以看作一个实体。大气河在整个输送过程中，遇到合适的条件，产生垂直运动，形成暴雨。这次暴雨过程有两个降水峰值，第一个强降水时段大气河的影响较大，水汽条件良好，动力条件一般，大气河最为强盛。第二个强降水时段大气河核心强度减小，已出现东移趋势，此时主要受动力学条件影响，大气河对第二次降水峰值影响较小。

(2)天气尺度副高的增强北抬，促进副高西侧的西南气流的发展，促使大气河及其伴随的雨带向东北方向移动。此次过程受高空槽、低层切变、高低空急流影响，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，低层切变触发了强对流天气的发生。大气河位于冷锋前沿暖区输送带里，主要集中在对流层的中下层，低层存在高温与高比湿区，底层位势不稳定，有较强的低空急流。

(3)大气河及其产生的暴雨受到地形地势的影响，山脉地形的抬升和阻挡作用，促进垂直运动的幅度增强。

文中给出了大气河的概念图，希望能够丰富对大气河在东亚,尤其是华北地区暴雨中作用的认识。