夏季东亚地区四个“大气河”典型个例分析❋

刘 珊， 傅 刚， 李晓东， 陈莅佳

(1.青岛市气象局, 山东 青岛 266003;2.中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系, 山东 青岛 266100)

“大气河”(Atmospheric River)是指地球大气对流层中跨越中纬度地区的长条状水汽带[1]，它是大气环流中水汽由赤道向两极输送的重要路径，对于全球水汽循环有着重要意义。据Ralph等[2]介绍，“大气河”在与山脉地形、中纬度气旋中的暖输送带(Warm-conveyor belt, WCB)交汇时会带来持续不断的降水。“大气河”的作用具有两面性。一方面它能带来持续性严重降水[3]，引发洪涝灾害[4-6]，造成沿海地区风暴潮[7]等；另一方面它可以提供水源填充水库[8-9]、维持湿地河滩与渔业[10]、为内陆的沙漠与森林提供水汽以减少火灾风险[11]等。同时，“大气河”还会带来干湿年的转换[12]。

傅刚等[13]对“大气河”的研究历史和进展进行了较为详细的回顾与总结，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“大气河”向较为干旱的地区输送水汽以利于产生降水，有效解除当地旱情；同时介绍了全球气候变化背景下的“大气河”特征。Ralph等[14]总结称，过去20多年间，学者们对于“大气河”这一定义有不同的观点，有的认为它是先前存在的概念的重复(如暖输送带WCB)，有的认为把这一现象比作陆地河流是不合适的，有的认为这是水务管理者重点研究、应用和使用的内容。在美国气象学会(American Meteorological Society)的气象学术语表(Glossary of Meteorology)[15]中，“大气河”被描述为狭长的、含有大量水汽的水平输送通道，通常与温带气旋冷锋前的低空急流有关，其内的水汽来自热带或温带，“大气河”通常在被迫上升的地方导致强降水。Ralph等[14]介绍了学者们成立专门的委员会研究这一定义的过程。“大气河”与暖输送带(Warm conveyor belt, WCB)、热带湿气出口(Tropical moisture exports, TME)之间的混淆导致了早期关于“大气河”概念的争论，Ralph等[2]在“Atmospheric Rivers”一书的第二章对它们之间的关系进行了深入分析。

关于“大气河”的结构，Ralph等[16]利用卫星观测资料对1997和1998年冬季的太平洋东北部极地冷锋前的“大气河”进行了研究，他们发现“大气河”的水汽集中在冷锋前低层狭窄的区域内，此处的低空急流风速高，含有大量水汽。“大气河”低层存在高比湿的带状区域，由于冷锋前后的温度梯度较大，冷锋前存在低空急流。假相当位温的垂直分布显示，“大气河”区域内存在湿中性层结、低层位势不稳定性[17]。Ralph 等[18]指出，“大气河”的上部存在一个风速超过60 m·s-1的高空急流，内部存在一个风速约30 m·s-1的低空急流，低空急流内的水汽混合比约为高空的10倍。

Zhu和Newell[1]提出了计算总水汽通量(Integrated Horizontal Water Vapor Transport，IVT)的方法：

(1)

式中：g为重力加速度(m·s-2)；ptop为所积分顶部的气压(hPa)；p0为海平面气压(hPa)；q为比湿(kg·kg-1)；u和v分别为东-西方向和南-北方向的风速(m·s-1)。“大气河”的水汽通量集中在对流层低层，约75% 的IVT位于平均海拔3 km高度以下[18]。

另一方面，Ralph等[16]提出适用于Special Sensor Microwave Imager (SSM/I)卫星数据的“大气河”标准，要求水汽垂直积分量(Integrated Water Vapor，IWV)高于20 mm的区域要同时满足长为2 000 km、宽度小于1 000 km、高值区位于轴线上等，才能判定为“大气河”。

Fu等[19]利用IVT=800 kg·m-1·s-1的等值线作为“大气河”的边界线，同时规定“大气河”的长宽比例、平均长度、持续时间等作为本文“大气河”的判定标准，筛选出了2001—2016年每年6月15—7月31日间发生的共134个“大气河”，并按照“大气河”长轴在坐标系中的位置将其分为东-西向和南-北向两类。

本文的目的是通过分析夏季影响东亚的四个“大气河”个例发展过程中的天气形势变化，了解东-西向和南-北向两类“大气河”所伴随的天气系统；通过分析这四个“大气河”个例的演变和对“大气河”的垂直剖面结构分析，探究其水平与垂直结构，尝试给出夏季影响东亚地区两种“大气河”个例的立体结构概念图。

1 资料与方法

1.1 资料

本文使用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA-Interim再分析数据, 包括位势高度、气温、纬向风、经向风、垂直速度、比湿、相对湿度等物理量，空间分辨率选择双线性插值得到的0.5(°)×0.5(°)，垂直分辨率为插值得到的37层，时间间隔为6 h，时次为每日00 UTC, 06 UTC, 12 UTC, 18 UTC。该资料用来分析“大气河”发展过程中的天气形势、演变过程、物理量诊断等。

同时使用日本高知大学(Kochi University)提供的MTSAT-1R(Multi-functional Transport Satellites-1R)卫星红外波段反照率资料，空间分辨率为0.05(°)×0.05(°)，覆盖范围为20°S—70°N, 70°E—160°E；空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)，覆盖范围为70°S—70°N, 70°E—150°W。时间间隔为1 h，数据存储格式为PGM (Portable Gray Map)。该资料用来分析“大气河”发展过程中的云系演变。

1.2 个例挑选原则

夏季东亚地区每年有很多的“大气河”发生，选择东亚地区“大气河”的典型个例进行深入分析是了解该地区“大气河”特征的有效途径之一。

在Fu等[7]筛选出的134个“大气河”个例中，延伸方向呈东-西向的有101个，呈南-北向的有33个。IVT最大值大于1 600 kg·m-1·s-1的“大气河”约占总数的30%，为所有“大气河”个例中强度最大的一类，其中呈南-北向有5个，呈东-西向有34个。

在南-北向个例中，选择IVT数值最大的个例(2008年6月17日00 UTC—19日06 UTC)记为个例A；选择整体发生在中国大陆上的个例(2016年7月19日00 UTC—21日06 UTC)记为个例B；在东-西向个例中，选择IVT数值最大的个例(2009年7月8日18 UTC—7月12日18 UTC)记为个例C；选择云体庞大、影响中国陆地与近海的个例(2013年7月3日18 UTC—7月5日06 UTC)记为个例D。4个“大气河”个例的详细信息见表1。

表1 四个“大气河”典型个例的详细信息Table 1 Detailed information of four typical cases of Atmospheric River

1.3 用于诊断分析的物理量

“大气河”发生过程中具有较强的水汽水平梯度，本文选择诊断分析的物理量为“大气河”强度最大时刻的假相当位温、位势涡度与锋生函数。

假相当位温是湿空气通过假绝热过程将水汽全部凝结然后下沉到1 000 hPa处时所具有的位温，计算公式为：

(2)

式中：θd是湿空气中所含干空气的位温(K)；Lv是相变潜热(J·kg-1)；rs是饱和混合比；cpd是干空气的定压比热容(1 000 J·kg-1·K-1)；T为温度(K)。假相当位温在干、湿绝热过程中均是保守的，所以常用来作气团和锋面的分析。

位势涡度(Potential Vorticity, PV)是综合表征大气动力学和热力学特性的重要物理量，其计算公式为：

(3)

式中：ζ是相对涡度(s-1)；f是地转涡度(s-1)；θ为位温(K)；p是气压(hPa)。

第一部分

第二部分 第三部分

(4)

(4) 式中右边第一部分表示空气水平运动对锋生的作用，第二部分表示垂直运动对锋生的作用，第三部分表示非绝热加热对锋生的作用。本文中锋生函数起主要作用的是前两部分。

2 天气形势分析与“大气河”演变过程

下面介绍已选出的4个“大气河”个例，分析其从生成时刻到强度最大时刻的天气形势及其演变过程。图1～4分别为4个“大气河”个例在强度最大时刻的天气图和形态图。

((a)200 hPa位势高度(黑色实线，间隔40 gpm)，气温(红色点虚线，间隔2 ℃)和急流(箭头，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位势高度(黑色实线，间隔20 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位势高度(黑色实线，间隔10 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直积分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，间隔100 kg·m-1·s-1)，箭头为IVT输送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位势高度(黑色实线，间隔40 gpm)，气温(红色点虚线，间隔2 ℃)和急流(箭头，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位势高度(黑色实线，间隔20 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位势高度(黑色实线，间隔10 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直积分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，间隔100 kg·m-1·s-1)，箭头为IVT输送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位势高度(黑色实线，间隔40 gpm)，气温(红色点虚线，间隔2 ℃)和急流(箭头，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位势高度(黑色实线，间隔20 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位势高度(黑色实线，间隔10 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直积分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，间隔100 kg·m-1·s-1)，箭头为IVT输送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

((a)200 hPa位势高度(黑色实线，间隔40 gpm)，气温(红色点虚线，间隔2 ℃)和急流(箭头，m·s-1，大于50 m·s-1)；(b) 500 hPa位势高度(黑色实线，间隔20 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(c) 1 000 hPa位势高度(黑色实线，间隔10 gpm)和气温(红色点虚线，间隔2 ℃)；(d)水平水汽通量的垂直积分IVT (填色部分，大于400 kg·m-1·s-1，间隔100 kg·m-1·s-1)，箭头为IVT输送方向(kg·m-1·s-1)。 (a) 200 hPa geopotential height (black solid lines, 40 gpm interval), air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval) and jet stream (arrows, m·s-1, greater than 40 m·s-1); (b) 500 hPa geopotential height (black solid lines, 20 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 oC interval); (c)1 000 hPa geopotential height (black solid lines, 10 gpm interval) and air temperature (red dotted lines, 2 ℃ interval); (d) Integrated horizontal water vapor transport (Shaded, >400 kg·m-1·s-1, 100 kg·m-1·s-1 interval), and arrows are the direction of IVT (kg·m-1·s-1).)

个例A：从2008年6月17日00 UTC—18 UTC(见图1)，200 hPa天气图上为两槽一脊的形势，在中国中部地区(35°N, 113°E)附近有一槽，朝鲜半岛上空有一脊，脊的下游有一槽位于日本东部沿海(40°N, 150°E)附近。500 hPa天气图上为“两槽一脊”的形势，上游槽在我国中部(34°N, 115°E)附近，呈东北-西南向并向东移动，脊在(40°N, 130°E)附近向北延伸，下游槽在日本东部沿海(40°N,143°E)附近。在1 000 hPa天气图上，倒槽在我国东南部(27°N, 115°E)附近，并不断向北发展，在江苏南部形成气旋。“大气河”在气旋东部的暖输送带上，沿锋面发展(见图1(d))，其在我国东南沿海生成并向北偏东移动，强度不断增加，呈东北-西南向，沿倒槽外围位势梯度较大区域延伸。

个例B：从2016年7月19日00 UTC—20日00 UTC (见图2)，200 hPa天气图上为两槽一脊的形势，陕西、山西上空的槽南移，其下游的脊在中国东北部(45°N, 125°E)附近，日本上空(40°N, 142°E)处有一个槽向东移动。在500 hPa天气图上，在山西、河南附近有一低压中心加强，中国东北部(45°N, 125°E)处有一脊，在日本(40°N, 140°E)附近有一个槽东移。在1 000 hPa天气图上，上游气旋位于(37°N, 125°E)附近，中心气压下降，下游气旋位于鄂霍次克海南部附近洋面，中心气压上升，西部锋区减弱，二者沿副热带高压外围移动。“大气河”位于上游气旋的锋面与下游气旋的外围，呈东北-西南向(见图2(d))，形状较为狭长，北部强度较大。

个例C：从2009年7月8日18 UTC—9日18 UTC (见图3)，200 hPa天气图上，渤海附近(40°N, 120°E)处的槽向东移动越过朝鲜半岛，日本海北部(45°N, 135°E)附近有一个脊，脊前有急流，脊的下游在(40°N, 145°E)附近洋面上有一槽。在500 hPa天气图上，在黑龙江上空有低压中心，河北上空的槽东移，日本海北部在(43°N, 140°E)附近有一个弱脊，北海道东部(45°N, 150°E)处的洋面上有一个槽。在1 000 hPa天气图上，上游气旋位于(37°N, 125°E)附近，中心气压下降，下游气旋位于鄂霍次克海南部附近洋面，中心气压上升，西部锋区减弱，二者沿副热带高压外围移动。“大气河”位于上游气旋的锋面与下游气旋的外围(见图3(d))，由两段逐渐合为一体，在副高与两气旋之间的锋面上延伸，强度西高东低。

个例D：从2013年7月3日18 UTC—5日06 UTC (见图4)，200 hPa天气图上，在(40°N, 130°E)处的槽东移减弱，槽后新槽在渤海附近(40°N, 120°E)上空形成并加深，槽东部有一脊位于鄂霍次克海南部，脊的下游(40°N, 160°E)以东洋面上有一槽。在500 hPa天气图上，在黑龙江上空有一低压中心，逐渐减弱至消失，下游鄂霍茨克海上在(50°N, 155°E)附近有一个脊不断发展。在1 000 hPa天气图上，在河南、湖北、安徽和山东附近有一个槽，气旋位于黑龙江，逐渐减弱。“大气河”在槽前与气旋南部沿副高外围移动发展。气旋东部的“大气河”IVT≥800 kg·m-1·s-1的区域断为两部分(见图4(d))，南半部分继续发展，在2013年7月3日18 UTC与中国东部槽前IVT≥800 kg·m-1·s-1的区域相连，形成新的“大气河”，沿气旋南部副高外围延伸，强度不断增大，整体位于黄海、韩国和日本陆地上以及日本东部洋面。

值得注意的是，在“大气河”生成与发展的过程中，其上游IVT数值较小，“大气河”中心的水汽多来自中国南海、南方陆地、东海、黄海等经过的地方，水汽在发展过程中不断增强。而传统意义上的“大气河”多发生在东北太平洋[11]，其水汽多由热带地区输送而来，与本文“大气河”个例的水汽来源有所不同。

3 云系位置与形态分析

图5是四个“大气河”个例在强度最大时刻的红外卫星云图和1 000 hPa的位势高度场。2008年6月17日18 UTC (见图5(a))个例A中，气旋中心位于黄海中部，东部位势梯度较大。云带北宽南窄，位于整个气旋上空，自北向南跨越中国东北部陆地、朝鲜半岛、黄渤海以及中国东部沿海省份，南部可到达中国江西、福建等地。云带中部东至日本海，云带较宽且北部云层较厚。

((填色为亮温(间隔2 K)，蓝色实线为位势高度(间隔10 gpm)。The shaded is bright temperature (2 K interval) and blue solid lines are geopotential heiht (1 gpm interval). )

2016年7月20日00 UTC (见图5(b))个例B中，气旋中心位于河北南部，北部位势梯度较大，气旋南部1 000 hPa的槽向南延伸。云带形状较个例A更窄，云带在气旋中心附近呈“逗点”状，尾部向南延伸较多；云带在气旋东部自北向南延伸，北部位于河北、京津上空的云层较厚，南部云层相对较薄。

从图5(c)可以看出，在个例C中，2009年7月9日18 UTC日本海上有一个气旋中心，千岛群岛附近有一个低压，两个低压系统的东南部，在低压与副热带高压之间是较为平直和密集的等位势高度线。云带由两部分组成，位于日本海的气旋上空有较宽的云带覆盖，其东部的云带在副热带高压外围，由平直(图略)转为绕东部的低压逆时针弯折，云层较厚且基本位于洋面上。

在个例D中，2013年7月5日06 UTC (见图5(d))以日本东部沿海至东海为界，位势高度西低东高。云体从鄂霍次克海南部开始在位势梯度较大的区域向西偏南延伸，过日本东部沿海，跨越日本陆地和日本海并越过朝鲜半岛，经过黄海南部和东海北部，尾部伸入中国江苏及更向西的大陆。整个云系特别狭长，东部较宽且云层较厚，西部云层相对较薄。

4 垂直结构分析

Ralph等[16-17]指出，东北太平洋上的“大气河”沿极锋延伸，多呈西南-东北向，水汽从热带地区附近朝中纬度北美大陆输送，“大气河”在登陆北美西岸高大的地形时被迫抬升，此处易发生极端降水；低层存在比湿的集中区域与低空急流，呈现湿中性层结等。本文把“大气河”发展过程中中心IVT数值最大的时刻定义为其强度最大时刻(见图6)。黑色粗虚线为表示“大气河”的长轴。线EiFi(i=1, 2, 3, 4)过“大气河”IVT最大值点且与长轴垂直。沿线EiFi(i=1, 2, 3, 4)作垂直剖面，可以探究“大气河”强度最大位置的垂直结构。E1F1、E2F2、E3F3、E4F4的时间分别为2008年6月17日18 UTC、2016年7月20日00 UTC、2009年7月9日18 UTC和2013年7月5日06 UTC。

(填色为水平水汽通量的垂直积分IVT(间隔100 kg·m-1·s-1)，黑色实线为200 hPa水平风速(m·s-1)，红色点虚线为PV(PVU，1 PVU=10-6 K·kg-1·m2·s-1)。黑色粗虚线为“大气河”的长轴，线EiFi (i=1, 2, 3, 4)为过“大气河”IVT最大值点且与长轴垂直的线，用于做剖面分析。Shaded is IVT (100 kg·m-1·s-1 interval), black solid lines are horizontal wind speed at 200 hPa (m·s-1) and red dotted lines are PV (PVU, 1 PVU=10-6 K·kg-1·m2·s-1). Black dashed line is the long axis of atmospheric river. EiFi (i=1, 2, 3, 4) is the line which is over the maximum IVT and perpendicular to the long axis.)

4.1 水平风速的垂直分布

图7给出了4个“大气河”个例分别沿线EiFi(i=1, 2, 3, 4)的水平风速垂直剖面图，填色部分表示水汽通量大小，实线表示水平风速大小。在个例A中，2008年6月17日18 UTC (见图7(a))沿E1F1的垂直剖面上，水汽通量位于500 hPa以下，大值中心低于800 hPa，水汽输送方向的左侧水汽通量梯度较大，右侧梯度较小。水平风速有两个大值中心：低空高风速区位于水汽带内部，风速中心在水汽通量大值中心附近850 hPa高度处，中心风速超过33 m·s-1。在“大气河”输送方向的左侧的200 hPa高度处，有风速超过48 m·s-1的大风速区，为此处的高空急流。

(填色部分为水平水汽通量(间隔0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1)，黑色实线为水平风速(间隔3 m·s-1)。Shaded is horizontal vapor flux (0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1 interval) and black solid lines are horizontal wind speed (3 m·s-1). )

在个例B中， 2016年7月20日00 UTC(见图7(b))的沿E2F2的垂直剖面水汽输送也集中在500 hPa以下，但范围更宽。值得注意的是，由于此时“大气河”北部发生逆时针弯折(见图6(b))，所以水汽通量的两个大值中心处水汽的输送方向并不完全一致。低空有两个风速中心，都位于水汽通量的大值区之内，中心风速超过27 m·s-1；高空风速中心在200 hPa附近，中心在“大气河”上空偏向气旋一侧。

在个例C中，2009年7月9日18 UTC线E3F3同时穿过“大气河”的两个大值带(见图5(c))，沿E3F3的垂直剖面图中(见图7(c)) 400 hPa以下有多个高度不同的水汽通量大值区域，大值中心分别位于800和950 hPa附近。在两个水汽通量大值区内，都有风速的大值中心，风速中心位于700 hPa以下，中心最大风速超过39 m·s-1。而高空急流在200 hPa处，位于水汽输送方向的左侧上空，中心风速约为60 m·s-1。

如图7(d)所示，个例D中2013年7月5日06 UTC在500 hPa以下有两个明显的水汽输送大值区，其中一个整体在700 hPa以下，两中心高度略有不同。低空风速中心分别在600和900 hPa附近，中心最大风速约为33 m·s-1。200 hPa附近存在一个急流中心，同样位于水汽输送方向的左侧高空，中心风速超过50 m·s-1。

结合以上分析，四个个例的水平风速都呈现相似的形态，即在水汽通量大值区内部存在低空急流，急流中心平均高度在800 hPa，而在“大气河”输送方向的左侧，高空200 hPa存在急流中心。

4.2 PV的垂直分布

图8为四个“大气河”个例在强度最大时刻沿线EiFi(i=1, 2, 3, 4)水汽通量和PV的垂直剖面图，填色部分为水汽通量大小，实线为PV的大小，加粗的实线为1 PVU等值线。

(填色部分为水平水汽通量(间隔0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1)，黑色实线为位势涡度(≥0.5 PVU，间隔0.5 PVU；加粗实线为1 PVU, 1 PVU=10-6 K·Pa-1·m·s-1)。(Shaded is horizontal vapor flux (0.03 g·hPa-1·cm-1·s-1 interval) and black solid lines are PV (≥0.5 PVU，0.5 PVU interval; the thick line is 1 PVU).

在个例A中， 2008年6月17日18 UTC (见图8(a))的垂直剖面上，“大气河”上空大于1 PVU的区域从低空贯穿到高空，在900和450 hPa附近有两个大小约为2 PVU的PV中心。PV大于1 PVU区域的轴线由低空“大气河”附近向水汽输送方向的高空左侧倾斜。在300 hPa以上有PV的大值区。此处PV大值中心产生的原因一是对流潜热释放加热中层大气使得位温升高，其下方位温梯度增大，低层的PV增大；二是高空存在急流，急流左侧风的切变涡度大，动量下传表现为PV下伸。

在个例B中，2016年7月20日00 UTC (见图8(b))沿E2F2的垂直剖面可以看出，在“大气河”输送方向的左半部分内，PV大于1 PVU的区域宽度较上一个例更大，较为平直地从低空向高空贯穿，但整体位于300 hPa以下。200 hPa以上，PV有大值区，大值区与300 hPa以下的1 PVU等值线之间的存在小于1 PVU的区域。

在个例C 中，2009年7月9日18 UTC的垂直剖面图(见图8(c))中，“大气河”附近大于1 PVU的区域在400 hPa以下，位于“大气河”输送方向的左侧，中心强度大于3 PVU，且其轴线向左侧倾斜。在(34.5°N，140°E)附近的另一水汽输送区域附近，也有一个PV大值中心，大小在1 PVU以上。在高空200 hPa以上，PV存在着另一大值区域。“大气河”上空，PV的两个大值区之间PV数值很小。

在个例D中，2013年7月5日06 UTC(见图8(d))，500 hPa以下虽然1 PVU等值线也在“大气河”附近连接，但数值较小，600 hPa附近有一个约为1.5 PVU的大值中心。1 PVU连接的PV大值区域的轴线同样在“大气河”输送方向的左侧发生倾斜。300 hPa以上，在距离“大气河”较远的位置，PV数值较大。

从以上分析可以看出，四个“大气河”个例的高层都存在着较大的PV正异常，低层“大气河”附近存在PV的大值区，且1 PVU区域都有向一侧倾斜的形态，有的还直接与高层PV较大的区域连接。同时，单个个例的演变中，高空的PV正异常还会有所下传(图略)。Hoskins等[20]在讨论等熵位涡图的使用和重要性时强调，高层大气的PV正异常可以引发低空气旋式环流。

4.3 锋生函数与上升运动

图9为四个“大气河”个例在强度最大时刻沿线EiFi(i=1, 2, 3, 4)的垂直剖面图，黑色实线为锋生函数，蓝色实线为垂直速度，填色为水汽通量大小。

在个例A中，2008年6月17日18 UTC (见图9(a))，锋生函数有两个大值长条带，一个在600 hPa以下，呈铅直形态，最大值超过6 K·100 km-1·d-1。一个在600～200 hPa之间，较为倾斜，最大值约为7 K·100 km-1·d-1，此处有锋生作用，“大气河”沿着锋生函数大值区的边缘分布。在水汽通量的大值区与低层锋生作用较强的区域之间，600 hPa以下有较强的上升运动，范围较窄。上升运动在“大气河”发展过程中由倾斜转为铅直。

在个例B中，2016年7月20日00 UTC (见图9(b))，在“大气河”输送方向的左侧，低空和高空锋生函数都有大值中心，且大于1 K·100 km-1·d-1的区域均向左侧倾斜，水汽通量大值区边缘与1 K·100 km-1·d-1的区域边界有重合。750 hPa附近，“大气河”上空有另一个锋生函数的大值中心。上升运动存在于锋生函数较大的区域之间，中心在750 hPa高度处。

在个例C中，2009年7月9日18 UTC (见图9(c))， 在“大气河”输送方向的左侧400 hPa以下有着强烈的锋生作用，锋生函数大值长条带向左侧倾斜，中心最大值超过15 K·100 km-1·d-1。在水汽输送大值区的右侧800 hPa以上，也有较弱的锋生作用。上升运动沿着强烈锋生作用的外缘发生，整体位于“大气河”输送范围的左半部分，中心在800～700 hPa之间。

在个例D中，2013年7月5日06 UTC (见图9(d))，在水汽通量的大值带附近虽有锋生作用，但并不成带状，范围也较小。比较图9(d)可以看出，此处并没有明显的锋面，而“大气河”内950 hPa以上仍有上升运动，垂直速度较小，中心位于800 hPa附近。

综合以上分析，在有锋面的系统中，“大气河”会沿着锋生作用较强的区域分布，上升运动位于锋面与水汽输送带之间，或在水汽输送带内。在锋生作用较弱的区域，“大气河”内仍存在上升运动，上升运动的方向在“大气河”发展的不同阶段发生改变，在强度最大阶段会由倾斜变得铅直。

4.4 假相当位温的垂直分布特征

在锋生函数的分析中，个例A、B、C都表现出明显的锋面结构，本节对假相当位温的垂直分布特征进行分析。假相当位温是综合表征大气温度与湿度的物理量。图10为四个“大气河”个例在强度最大时刻沿线EiFi(i=1, 2, 3, 4)的垂直剖面，红色点虚线为假相当位温(以下用θse表示)，填色为水汽通量大小。

在个例A中，2008年6月17日18 UTC(见图10(a)), 在“大气河”低层900 hPa高度有一个θse的大值中心，等θse线在“大气河”的两侧都较为密集。在“大气河”输送方向的左侧，等θse线在400 hPa以上逐渐弯曲，此处为冷锋。“大气河”输送方向右侧，等θse线在900和500 hPa都有弯曲，在靠近1 000 hPa处θse又有一个大值。此处从地面至700 hPa左右高度，假相当位温随高度递减，且在图5(a)中可以看出此处对应一暖锋，表明此处具有对流不稳定。“大气河”的左侧的边界整体位于等θse线密集区的边缘。

在个例C中，2009年7月9日18 UTC (见图10(c))，可以明显看出“大气河”输送方向左侧等θse线十分密集，表明此处是锋面，水汽通量较高的部分同样沿着冷锋存在，其右侧θse在低层有大值中心，在650 hPa处有低值中心。水汽仍沿着锋面输送，其边缘在密集的等θse线外围。

在个例D中，2013年7月5日06 UTC(见图10(d))，密集的θse等值线弯曲度大，锋面结构不明显。其中，“大气河”输送的主体部分在900 hPa以下左右两侧有两个低值中心，在850 hPa有一个大值中心。而在“大气河”的顶部约550 hPa处，又有一个低值中心。总的来说，水汽通量大值区的边缘都在等θse线密集的区域。

根据以上分析，“大气河”水汽输送带的边缘位于等θse线较为密集的锋面附近，水汽会沿着锋面输送。而从垂直剖面来看，水汽通量大值区的内有θse的大值区。

4.5 “大气河”的空间结构特征

通过以上分析，可总结出夏季东亚地区两种“大气河”的空间结构概念图(见图11(a)和(b)。在图11(a)中，“大气河”呈南-北向。低层的气旋系统或者气旋式环流位于500 hPa槽前，“大气河”位于500 hPa以下，处在1 000 hPa系统的东部或外围。在有锋面的情况下，水汽输送带会沿锋面延伸；没有锋面的情况下，“大气河”会沿着系统外围分布。“大气河”内部存在低空急流，与锋面之间存在着上升运动。在“大气河”输送方向的左侧高空200 hPa存在着急流。高空形势落后于1 000 hPa的系统。在图11(b)中，“大气河”呈东-西向。此时系统内没有锋面存在，“大气河”在低压与副热带高压之间发展，500 hPa位势梯度较大，有着强烈的西风，200 hPa在“大气河”上空有高空急流。

((a) 南-北向；(b) 东-西向。(a) The north-south orientation "Atmospheric River"；(b) The east-west orientation "Atmospheric River".)

5 结论

本文对夏季东亚地区四个“大气河”典型个例从发生到强度达到最大时刻的天气形势、演变过程、水平与垂直结构进行了分析，给出了东亚地区“大气河”的结构概念图，得到的主要结论如下：

(1) 呈南-北向的“大气河”均在气旋东部发展，呈东-西向的“大气河”分别在两个气旋之间、低压与副热带高压之间发展。低层的天气系统多位于500 hPa槽前，锋面并不存在于所有天气系统内。“大气河”内部800 hPa附近有低空急流，“大气河”输送方向的下游左侧高空200 hPa存在高空急流。通过对PV的垂直剖面分析可以看出，大于1 PVU的区域呈长条状，轴线向“大气河”输送方向的左侧倾斜，“大气河”发展过程中高层大气PV的正异常会向下传递，“大气河”位于低空气旋式环流的外围。水汽输送带的左侧存在锋生作用，“大气河”内沿锋面或者锋生作用较强的位置存在上升运动，上升运动的方向会随着“大气河”强度增强而由倾斜变为铅直。

(2) 本文所研究的四个“大气河”个例在气旋系统东部或者气旋式环流的外围发展，个例A、B、 C在有锋面的系统内沿着锋面延伸，并且其水汽输送带边界会与锋面的边缘相邻而沿着锋面延伸；个例D在没有锋面的系统中，沿气旋式环流的外围延伸。

(3) 本文在对“大气河”进行筛选时，没有统计台风所带来的水汽演变而成的长条状水汽带，在今后的研究中，可以将台风所伴随的“大气河”作为研究对象进行专门地研究，探讨其与不同天气系统内的“大气河”的不同之处。

致谢：本文第一作者刘珊感谢李昱薇、张雪贝同志的帮助；感谢ECMWF提供的数据资料与日本高知大学提供的卫星云图！