第35卷第6期2020年12月
成都信息工程大学学报
JOUＲNAL OF CHENGDU UNIVEＲSITY OF INFOＲMATION TECHNOLOGY
Vol．35No．6Dec．2020
文章编号：2096-
梁
爽1，肖天贵1，罗亚丽
2（成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225；2．中国气象科学研究院，北京100081）
摘要：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。
关
键
词：气候变化；极端降水；大气河；华南前汛期；高低空急流
中图分类号：P442．3
文献标志码：A
doi ：10．16836/j．cnki．jcuit．2020．06．011
收稿日期：2020-02-21基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2015BAC03B05）
0引言
提出全球气候变暖以来，这一现象引起了社会各
界的广泛关注，同时人们对由全球变暖导致的极端气
候事件也越关心。IPCC 第四次［1］
报告中将极端气候事件定义为从概率发生的角度来看，发生概率特别小的事件，一般取占该天气现象的10%及以下的为极端
气候事件，其中的极端降水—
——连同洪水、山体缓坡和其他连带灾害—
——是全球最致命的气候事件。而大型风暴导致的降水量受到空气中水汽含量的限制，当空气中的水汽含量增加时，极端降水事件中的降雨量也增大了。
中国对于极端降水事件的气候特征研究已经小有
成效，翟盘茂等［2］
结合全球变化的特点，讨论了中国近50年极端降水事件的变化特征；杨金虎等［3］
通过对不同台站极端降水阈值定义，统计中国近45年西北汛期极端降水事件的发生频次，并分析了其时
空分布特
征；孙婧超等［4］
等通过波扰动能量等分析了华南地区区域性日降水极端事件的统计特征和其环流异常。
华南前汛期作为中国每年的第一个雨季，通常占全年降水量的一半，影响区域包括两广以及海南省，其
中绝大多数暴雨过程都和冷暖空气交汇以及华南上空的高低空急流有关。这一雨季强对流天气频发，常伴有冰雹、强雷电、雷雨大风等天气，而且容易引发洪水，形成洪涝灾害以及山体滑坡和泥石流等次生灾害。因此，及时和准确预报这些极端降水事件对减少灾害的发生至关重要。
国外对于暴雨对应的水汽输送研究很多，并通过
水汽通道的研究，定义了大气河［5］
的概念。大气河是
位于对流层下层的，天气尺度的下场水汽输送路径，是
中纬度地区近地面水汽输送的主要途径。在中国，田红等［6］利用再分析资料讨论了夏季东亚季风区
水汽输送特征，划分出中国大陆的3条来自低纬度的水汽通道，并定义和计算了水汽通道强度指数来研究其年
际变化；章新平等［7］通过对不同季节降水中δ18
O 的变化与温度、降水量的联系，研究了3条与亚洲降水的水汽路径演变过程。
高低空急流的演变与强降水的水汽输送发生密切
相关，朱乾根等［8］
利用华南前汛期的降水试验数据研究了低空急流与暴雨落区上空水汽演变的关系；张俊
岚等［9］
对影响持续性降雪天气过程的水汽条件进行分析，发现急流的建立和维持是水汽长距离输送至的重要条件。
目前，对影响降水的高低空急流和水汽输送虽有不少，但通过高低空急流分布将极端降水事件进行分类，进而研究水汽通道甚至大气河对其影响的研究不多。文中研究将不同急流类型对应大气河的存在，讨论其对华南前汛期极端降水事件的影响和作用。
1
资料和计算方法
1．1
资料
降水资料为华南地区110个区域自动站1998－
2015年5、6月的逐日降水数据，同时对各个站点进行检查，将其中缺测量较多的站点进行剔除。天气系统
的分类使用MICAPS 系统200hPa 、
850hPa 位势高度场和风场的逐日数据。
欧洲中期数值预报中心的再分析格点资料（EＲA －Interim ），空间分辨率为0．75ʎˑ0．75ʎ，时间间隔为
6h，物理量为垂直方向上1000 200hPa共22层的水平风（u，v）、比湿（q）和地面气压（sp）。按急
流类别对极端降水个例进行算术平均，进而用于计算各层和整层的水汽通量以及描述对应层次的环流形势。
1．2计算方法
单层大气水汽通量分量：q u=uq/g，q v=vq/g
整层大气水汽通量分量：q u=－1
g
∫p
p s
uq d p，
q v =－
1
g
∫p
p s
vq d p
水汽通量散度：#·（Vq/g）=
（q u）
x
+
（q v）
y
式中，q为比湿（g/kg），u、v为水平风速（m/s），g为重力加速度（m/s2），p为该层气压（hPa），p s为地面气压（hPa）；单层大气水汽通量和整层大气水汽通量的单位均为g/（s·hPa·cm），水汽通量散度的单位为105kg/（m·s）
2降水特征概述
2．1日平均降水
由罗亚丽等［10］定义，华南地区（下文简称为关键区域）由110ʎE 117ʎE，20ʎN 25ʎN确定，其中包括广东省和广西及南海北部的一部分组成。
关键区域日平均降水量在沿海地区达到较高值，大部分超过150mm，最高值出现在广西与广东沿海的交界处、广东中部和广东南部的沿海地区，同时通过500hPa的高度场和850hPa比湿分布（图略）分析可以发现，湿冷空气大多数情况从西南进入关键区域。
2．2极端降水事件筛选
根据黄玲等［11］的研究表明，华南地区4月的日均降水量远低于5月和6月，而且在6月15日后，从华南地区登陆的台风会影响极端降水的分析，因此沿用这一条件，选择5月1日－6月15日为时间范围。同时，为消除台风登陆对极端降水与高地空急流之间的影响，排除了1998－2015年受台风影响的年份，分别是1999年（玛姬，6月6－8日）、2006年（珍珠，5月17－18日）、2011年（莎莉嘉，6月10－11日）和2014年（海贝思，6月15－17日）。
文中将极端降水事件定义为研究时间范围内所有日降水量的前5%［11］，由此筛选出共24次极端降水
事件。
2．3极端降水事件分类
根据MICAPS中200hPa、500hPa和850hPa的高度场以及风场判定每个极端降水事件在高低空的天气系统（200hPa上风速＞30m/s、700hPa上风速＞16m/s、850hPa或925hPa上风速＞12m/s），将24次极端降水事件分为3大类（表1），分别是高空急流型、低空急流型、高低空急流型其中高空急流型出现2次，占比8．4%。低空急流型出现20次，占比83．3%，低空急流型根据其850hPa的天气形势分为低槽型和气旋型，低槽型是指华南地区上方有一向南方延伸的深槽影响极端降水事件，出现6次，占比25%，气旋型是指华南上空有水平气旋直接影响极端降水事件，出现12次，占比58．3%。高低空急流型也出现2次，占比8．3%。
表1极端降水事件分类
急流类型（占比%）日期
高空急流型（8．4%）20000509，20100519
低空急流型
（83．3%）
低槽型
（25%）
19980609，20100506，20100522，20100609，
20130522，20150523
气旋型
（58．3%）
20010607，20010613，20030606，20030610，
20050615，20070519，20070609，20080606，
20080613，20090523，20100601，20100614，
20130515，20150520
高低空急流型（8．3%）20010521，20050505
3合成分析结果
为考察3大类急流天气分型对应的环流形势和大气河形势，分别绘制了所需层次的风场（高度场）、水汽通量及水汽通量矢量和整层水汽通量矢量及水汽通量散度的分布情况。
3．1高空急流影响下大气河与极端降水
朱乾根等［8］指出，在高空急流的右侧辐散区，多有暴雨发生，而且对应的急流多为西或西南风。并且在急流轴上，由于急流轴内部的摩擦力作用，减小了地转偏向力，同时偏差风与气压梯度力方向相同。
高空急流型的200hPa平均风场中（图1a），关键区域的西北部体现明显的西风，同时关键区域的剩余部分为明显的西南风，而且有辐散的情况发生。在关键区域上方，中国中部到经华东地区向东北延伸，高空有一支最大风速为50m/s的高空急流，它的急流核位于山东半岛附近。两次高空急流型的极端降水事件，在整层水汽通量上（图1b），关键区域的左前方和南海的上空均显示为水汽通量散度的负值，左前方的数值为－700kg/（m·s），在130ʎE，21ʎN的位置达到－1000kg/（m·s），说明在该区域存在一个闭合的水汽辐合区（即水汽汇区），这与大气河的定义相吻合。在关键区域附近水汽通量矢量表现为辐合的趋势，说
546
第6期梁爽，等：急流背景下华南前汛期极端降水与大气河的关系
明水汽通量不断地向华南地区输送，其中南海地区的输送量最大。因此，高空急流型的极端降水事件中主
要从孟加拉湾输送到华南地区的水汽通道为大气河
。
（a ）风速
场
（b ）整层水汽通量及其散度
图1
高空急流型合成200hPa 风速场和整层水汽通量及其散度分布图（箭头为水汽通量矢量，填为散度）
3．2低空急流影响下大气河与极端降水
由低槽型和气旋型组成低空急流型占极端降水事件的主要部分，低空急流是与强降水相联系的位于对
流层下部的水平动量相对集中的大风速带，中心风速在700hPa 大于16m /s 、在850hPa 大于12m /s ，这种对夏季强降水产生较大影响的低空急流在急流轴上下均存在明显的风速垂直切变。低槽型和气旋型两种天气形势在850hPa 上对于急流的不同影响也会作用在水汽的输送上。
3．2．1低槽－低空急流型
位于500hPa 的低槽（图略）在极端降水事件发生时，槽线大多位于关键区上空温带气旋的后部，同时给极端降水提供较充足的水汽供应和动力作用支持。在850hPa 上（图2），关键区域的右后方有一明显存在的低空急流，风速最大值高达27m /s ，这与朱乾根提出的低空急流左前方的辐合区多有暴雨发生，同时从急流轴两侧的风场分析来看，左侧有辐散存在，右侧有辐合存在，使低空急流不断加强
。
图2低槽－低空急流型合成850hPa 风速场
对应低槽型的低空急流，在整层水汽通量和水汽
通量散度上（图3a ），关键区域的右后方，位于南海北部有一辐合的大值区，数值高达－800kg /（m ·s ），说
明在这一类的极端降水事件中，华南地区的右侧一直维持着一个水汽汇区，并且表现为向关键区域辐合的趋势。在850hPa 的水汽通量和水汽通量矢量上（图3b ），关键区域的左前方存在水汽通量的大值区，其中最高值达14g /（s ·hPa ·cm ），结合对极端降水事件发生前后的水汽通量分析，发现这种低空急流类型的水汽是从孟加拉湾产生的大气河跨过云贵高原到达南海北部从而影响关键区域的，同时由于500hPa 的太平洋副高存在，使关键区域上空的水汽达到较高值，从而对极端降水事件提供充足的水汽供应
。
（a ）整层水汽通量散度（填为散度
）
（b ）850hPa 水汽通量（填为矢量大小，箭头为矢量方向）
图3低槽－低空急流型合成水汽通量散度及矢量分布图
3．2．2气旋－低空急流型
在气旋型低空急流对应的850hPa 风场上
646成都信息工程大学学报第35卷
（图4），能看到明显的低空急流位于关键区域右后方，而且急流轴存在于115ʎE ，21ʎN 的位置上，最大风速
高达16m /s 。在这个类型合成的极端降水事件中，低
空急流一直位于华南地区的右侧，并且表现为稳定的西南风，导致了对流不稳定的发生和发展，并为对流云的维持提供重要条件，这对水汽的稳定输送提供了源源不断的动力支持
。
图4气旋－低空急流型合成850hPa 风速场
在整层水汽通量及其散度上（图5a ），同样表现为
南海北部的水汽辐合，大值区位于120ʎE ，
21ʎN 的位置，水汽通量散度达－700kg /（m ·s ），并且逐渐形成
了一个闭合的水汽气旋，这与大气河的存在条件相符合。而在850hPa 水汽通量图上（图5b ），虽然关键区域的右前方同样存在大值区，与整层水汽通量散度上的水汽辐合区相对应，
但是水汽通量的最高值也仅为
（a ）整层水汽通量（填为散度
）
（b ）850hPa 水汽通量矢量和水汽通量大小图5
气旋－低空急流型合成水汽通量分布图
6g /（s ·hPa ·cm ），可能是由于12个极端降水事件
在合成的过程中有的个例在850hPa 上水汽通量不够明显，导致最后合成的结果不能很好地说明在这一层上低空急流与水汽的对应关系，但是前面的分析结果已经体现了以通过中南半岛到南海的水源给这一类型极端降水提供了稳定的水汽支持，同样也表明该水汽通道为中南半岛经南海延伸到关键区域的大气河。
3．3高低空急流影响下大气河与极端降水
在高低空急流型的极端降水事件中，
850hPa 上（图6a ）能够明显看到关键区域的右后方存在一低空急流，且范围较大，其急流轴的风速达到20m /s 位于135ʎE ，24ʎN 的区域上，并且为西南低空急流。同时该类型的低空急流，平均状况的高度场显示为东侧存在西太平洋副热带高压，但是强度较弱，位于孟加拉湾的低槽较深，与青藏高原的浅脊相配合，引导来自极涡的冷空气南下，最后导致与西南低空急流交汇，关键区域的极端降水事件。
200hPa 风场上（图6b ），关键区域的左前方，存在一高空急流，急流轴的风速达到40m /s ，同时在关键区域内，表现为西风，这与朱乾根研究发现的中国暴雨往往发生在高空急流右后方的结论相吻合。与低空西南急流配合来看，低空急流源源不断地提供了能量的输送，维持极端降水事件在低空的对流不稳
定性，造成强对流的发生发展；同时高空的急流导致冷空气对关键区域的间接作用，产生的强辐散也给高空的对称不稳定提供能量上的维持，继而为高低空急流耦合的发展以及加强提供充足的动力条件
。
（a ）850hPa 风速
场
（b ）200hPa 风速场图6
高低空急流型合成水平风场
7
46第6期梁爽，等：急流背景下华南前汛期极端降水与大气河的关系
对850hPa 的水汽通量及水汽通量矢量（图7a ）来看，低空急流存在的位置上，水汽通量也达到一个较高值，大值区的中心为16g /（s ·hPa ·cm ），较好地反映了低空急流维持对充足水汽供应的作用，而且随着低空急流的加强，水汽通量也逐步增加。环流形势上浅脊深槽的配置在水汽的辐合区也有很好地体现。
在该类型的极端降水事件发生时，由于高层的水汽量很小，所以对应200hPa 的水汽通量及其矢量图上（图7b ），形势的异常不是很明显，但也能看出与高空急流相对应的位置上，有一水汽通量的大值区，体现出在这一高度上的环流形势对维持水汽供应的作用
。
（a ）850hPa 水汽
通量矢量和水汽通量大小
（b ）200hPa 水汽通量矢量和水汽通量大小图7
高低空急流型合成水汽通量分布图
高低空急流耦合的情况下，通过对整层水汽通量
及其散度（图8）的分析，
可以看出在南海的北部以及
图8高低空急流型合成整层水汽通量及其散度
（箭头为水汽通量，填为水汽通量散度）
靠近孟加拉湾地区有两处较明显的水汽辐合情况，中心数值均为－900kg /（m ·s ），说明这种类型的极端降水事件中，来自孟加拉湾和南海的两个通道，源源不断地向华南地区输送水汽，也就确定高低空急流型的降水事件里从孟加拉湾和南海输送到关键区域的水汽通道为大气河。
可见，在高低层急流耦合的配置下，对应低层水汽通道的建立，是水汽通量散度中心的形成和极端降水事件的必要条件，同时，低层水汽的逐步增加，也是对流不稳定发生发展的重要条件。
4个例分析
根据文中的分类标准，从3大类、4小类中各选取一个极端降水时间进行逐6h （0时、
向南方6时、12时、18时）的分析。经过筛选，高空急流型中选择20100519降水事件进行分析，低槽－低空急流型中选择20150523降水事件进行分析，气旋－低空急流型中选择20090523降水事件进行分析，高低空急流型中选择20010521降水事件进行分析。
4．1高空急流型（20100519）
该极端降水事件中位于200hPa （图9）的高空急流一直在关键区域的左侧影响降水的发生和发展，从图中可以看出高空急流不断向东发展。同时，山东半岛到朝鲜一带高空也有一支高空急流，其风速最高达到60m/s
。
（a ）00
时
（b ）06时
图9
2010年5月19日200hPa 水平风速场
846成都信息工程大学学报第35卷
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