1、第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023黄子怡，赵宇，李树岭，等，2023.东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征 J.高原气象，42（3）：734-747.HUANG Ziyi，ZHAO Yu，LI Shuling，et al，2023.Characteristics of the Atmospheric Rivers in Snowstorms Caused by Extratropical Cyclones in Northeastern China J.Plateau Meteorology，42（
2、3）：734-747.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00076.东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征黄子怡1，赵宇1，李树岭2，白云飞1（1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室 气象灾害预报预警与评估协同创新中心 气候与环境变化国际合作联合实验室，江苏 南京 210044；2.黑龙江省哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150028）摘要：利用2007-2020年的常规观测、东北地区6 h和24 h降水资料以及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料，对东北地区温带气旋暴雪过程有/无大气河伴随进行了统计，并对比了有/无大气河伴随时环境场特征的异同。结果表明
3、：83%的温带气旋暴雪过程有大气河伴随，其中59%的大气河登陆东北。11月和3月的暴雪过程大气河出现的频率最高，12月和1月基本无大气河伴随。南方气旋和黄淮气旋参与的暴雪过程大气河出现的频率高且强度强，相应的降水量较大；蒙古气旋暴雪过程大气河出现的频率低，降水量较小。有大气河伴随的暴雪过程高空急流有2支，低空急流强；500 hPa上有冷涡，形成切断低压和大气河相互作用有利于强降水的形势；850 hPa有明显的暖舌和较强锋区，因而有利于水汽输送和动力抬升，主要为冷锋降雨和暖锋降雪。无大气河相伴的暴雪过程高空急流有1支，低空急流弱；500 hPa上无冷涡，西风槽较弱；850 hPa锋区和低涡强度较
4、弱，高空辐散和水汽条件差，主要为暖锋降雪。有大气河伴随时暴雪过程的水汽主要源自东海和黄渤海，低层不稳定层较厚，边界层水汽辐合区宽广且强，上升运动较强；无大气河伴随时水汽主要源自日本海，不稳定层结和上升运动较弱，边界层水汽辐合区狭窄且弱。大气河不仅体现了强水汽输送，还体现了较好的动力抬升。关键词：温带气旋；暴雪过程；大气河；合成分析文章编号：1000-0534（2023）03-0734-14 中图分类号：P426.63+4 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000761 引言 中国东北地区地处高纬度，冬季多出现暴风雪等灾害性天气。温带气旋是造成东北
5、地区暴风雪的一个重要天气系统，丁治英等（1998）的统计表明，中国北方地区的暴风雪大多由爆发性发展的温带气旋造成；而东北地区的强降雪多与南方气旋和黄淮气旋北上强烈发展有关（付亮等，2018）。近年来，随着气候变暖的加剧，出现了多次超历史记录的温带气旋强降雪过程（周显伟等，2018；祝玉梅等，2020）。针对温带气旋强降雪过程，气象学者开展了很多研究，主要集中在高低空急流（高松影等，2009）、干冷空气活动（易笑园等，2009）、暴雪云系特征（赵宇等，2018a，2018b）、地形作用（Li et al，2021）、重力波活动（孙艳辉等，2012，2015）和积雪过程（杨成芳和赵宇，2021；李
6、文静等，2021；刘义花等，2022）等方面。范俊红和易笑园（2019）对比了一次大范围雨转暴雪过程中的地面影响系统即华北锢囚锋、江淮气旋和北路冷锋在降雪量、降雪效率和物理量方面的差异，发现华北锢囚锋降雪量小于江淮气旋；对于水汽条件和动力条件，华北锢囚锋明显弱于江淮气旋。欧美很早就开展了对温带气旋暴雪发生发展机制的研究。湿度、抬升和不稳定度是雪带形成的基本要素（Nicosia and Grumm，1999；Novak et al，2003）。冬季气温低，大气中水汽含量较夏季少，收稿日期：20220415；定稿日期：20220711资助项目：国家自然科学基金面上项目（41975055）；国家重点
7、研发计划项目（2017YFC1502002）作者简介：黄子怡（1998-），女，广西恭城人，硕士研究生，主要从事中尺度气象学研究.E-mail：通信作者：赵宇（1968-），女，辽宁沈阳人，副教授，主要从事中尺度气象学研究.E-mail：黄子怡等：东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征3 期暴雪发生时对水汽条件要求高，暴雪过程中湿度的变化与水汽输送密切相关。Zeng et al（2020）的研究表明，与湿度有关的物理量可以提前8 h预警新疆暴雪；高松影等（2020）发现辽宁省冬季区域性暴雪与水汽输送的经向异常有关。大气河能向中高纬度输送大量水汽。Zhu and Newell（1994）首先提出大
8、气河（Atmospheric River，AR）概念，大气河是一条长带状的水汽输送带，起源于热带洋面，位于温带气旋冷锋前缘暖输送带一侧，能输送相当于亚马逊河流量（约1.65108 kg s-1）的水汽（Newell et al，1992），贡献大气中超过90%的经向水汽输送（Zhu and Newell，1998）。对大气河的判别，主要采用水汽的垂直积分（Integrated Water Vapor，IWV）和水汽通量的垂直积分（Integrated Vapor Transport，IVT）。因 IVT 较 IWV 的代表性更好（Rutz et al，2014），近年来多采用IVT来判别大气河
9、。冬季登陆美国西海岸的大气河自热带东太平洋向东北延伸，夏季大气河主要呈纬向（Neiman et al，2007）。大气河中大部分水汽通量集中在 500 hPa 以下（Newell et al，1992），冬季在3 km以下（Ralph et al，2017），梅雨期间在4 km以下（Wang et al，2021）。Ralph et al（2005）发现大气河内低层存在高比湿带和位势不稳定层结，配合水汽输送在沿海地区产生强降水。大气河常与温带气旋相伴，并与其中的降水系统相互作用，如与切断低压共同作用造成极端强降水（孙颖姝等，2018），影响爆发性发展的气旋中心气压的变化（Zhu and New
10、ell，1994）。Ralph et al（2011）指出中尺度锋面波动会增加大气河的持续时间。大气河的演变还受凝结潜热影响（Cannon et al，2020）。可见，大气河是与降水紧密相连的天气现象，一 些 研 究（Lavers et al，2012；Xiong and Ren，2020）揭示了大气河与大西洋和太平洋沿岸冬季降水的联系。对东亚大气河的研究则集中在东北冷涡暴雨（孙颖姝等，2018）、梅雨锋降水（Zhao et al，2020）和台风（陈红专等，2020）等方面，但对东亚冬季温带气旋暴雪过程中大气河特征的研究较少。因此，本文统计温带气旋暴雪过程的大气河特征，对比有/无大气河相伴
11、时温带气旋暴雪过程的天气学特征，为温带气旋暴雪预报提供参考。2 资料来源与方法介绍 2.1资料来源使用资料包括2007-2020年常规观测、6 h和24 h地面降水资料以及欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的 ERA5 再分析资料，水平分辨率为0.250.25，时间分辨率为 1 h，垂直方向共 37层，主要包括水平风、位势高度、温度、比湿、水汽通量和位涡等。2.2个例筛选和大气河的统计方法筛选暴雪个例的标准为：每年 11 月到次年 3月，受温带气旋影响，黑龙江、吉林和辽宁出现24 h 当日08
12、:00（北京时，下同）到前一日08:00 降雪量大于 10 mm 的站点有 5个以上称为一个暴雪日，降雪开始至降雪结束确定为1次暴雪过程。根据黄安丽和高坤（1982）依据高空急流轴类型的分型方法，对暴雪过程中高空急流进行统计：分为槽前型、槽后型以及平直型，即西南风型、西北风型以及西风型。采用水汽通量的垂直积分（IVT）来定义大气河，IVT 的计算使用 ERA5 的整层纬向水汽通量（uIVT）和经向水汽通量（vIVT），计算公式如下：uIVT=1gp00qudp（1）vIVT=1gp00qvdp（2）IVT=(uIVT)2+(vIVT)2（3）式中：g是重力加速度；q是比湿；p是气压；p0为大气
13、底部气压；u、v分别为纬向风和经向风。首先计算 2007-2020 年 100E-150E，15N-50N 范围逐月每个格点 IVT 的 85 百分位阈值（Guan and Waliser，2015），如图 1（a）该图及文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2016）1593的中国地图制作，底图无修改 和图 1（b）分别为 12月和 2 月 IVT 的 85百分位阈值。确定大气河时，首先要与该月IVT的85百分位阈值比较，如果各个格点 IVT大于该月的 85百分位阈值，且大于限定低值100 kg m-1 s-1，并且其长度2000 k
14、m，则判定为大气河。本文并未严格定义大气河的长宽比2（Cobb et al，2020）。当大气河从海面到达陆地时称大气河登陆，图1（c）中虽然有自日本海向我国东北地区的水汽输送，但其长度小于2000 km，统计为无大气河。图1（d）则有明显的大气河，且登陆到东北地区。2.3合成分析方法采用拉格朗日观点下的动态合成方法，来对比有/无大气河相伴的温带气旋暴雪过程的环境场特征，公式为：735高原气象42 卷-S(x，y)=1Nt=1NSt(x，y)（4）式中：-S(x，y)为样本平均值；N 为样本总数；St(x，y)为t时刻的物理量场；(x，y)为所选区域坐标，随气旋中心位置移动。应用 Sander
15、s and Gyakum（1980）统计爆发性气旋时采用的气旋加深率公式，来确定温带气旋的强度，公式为：SLPB=SLP24 sin(60)sin()（5）式中：SLP是气旋中心海平面气压在24 h内的变化；是该24 h期间气旋中心的平均纬度；以气旋中心为合成中心，选取4040的正方形范围进行动态合成。选取气旋加深率最大值SLPB，max所在时刻作为动态合成时刻 t0，同时也给出发展加强的12 h（t12）以及24 h（t24）的动态合成结果。3 伴随大气河的温带气旋统计 对 2007-2020年东北地区的暴雪过程进行普查，筛选出29例温带气旋暴雪过程（表1），但属于不同类型的温带气旋：7例蒙
16、古气旋，8例黄淮气旋，4例为江淮（东海）气旋北上，10例为江淮（东海）气旋和蒙古（东北）气旋合并。16例暴雪过程中高空500 hPa上有冷涡，其中蒙古气旋和合并类气旋各6例，3例为黄淮气旋以及1例北上东海气旋。可见，有北方气旋参与的暴雪过程中大多存在高空冷涡，黄淮气旋暴雪过程中出现冷涡的频率只有37%，单独的南方气旋暴雪过程大多没有高空冷涡。29例温带气旋暴雪过程有24例伴有大气河（占83%），其中17例（占59%）登陆东北。气旋合并类与气旋北上类暴雪过程中大气河出现频率最高（100%），其次是黄淮气旋暴雪过程（88%），蒙古气旋暴雪过程大气河出现的频率最低（43%）。登陆东北的大气河持续时间基本在12 h以上（表2），中心最大强度在600 kg m-1 s-1以上。蒙古气旋暴雪过程大气河中心最大强度在6001000 kg m-1 s-1，最大24 h降水量只有26 mm。其他气旋伴随的大气河最大中心强度多在 1000 kg m-1 s-1以上，最大中心强度达 1666 kg m-1 s-1，对应2013年11月24-26日暴雪过程，双鸭山站的24 h降水量达57 mm；2020年11
