解析长江下游流域极端与非极端降水条件下不同类型大气河流环境特征

《Atmospheric Research》：Deciphering divergent atmospheric river environments in extreme and non-extreme precipitation over the lower reach of Yangtze River Basin

本研究对比分析了导致长江下游流域极端降水（AR&EP）与未导致极端降水（AR&NONEP）的32年夏季大气河环境特征，发现AR&EP事件的水汽来源更依赖中高纬度地区，并存在深层东风波、西风急流增强及梅雨锋局地抬升等关键动力和热力条件，为提升该区域AR相关极端降水的预测能力提供理论依据。

　　

刘小飞|陈斌|张伟|王春竹|于业然|徐向德

中国气象科学研究院（CAMS）强天气气象科学技术国家重点实验室（LaSW），北京，中国

摘要

虽然大气河流（ARs）是东亚极端降水（EP）的主要驱动因素，并且在改善预报方面具有潜力，但这种预测潜力受到限制，因为并非所有大气河流都会导致极端降水。这就提出了一个关键问题：是什么区分了那些会导致极端降水的大气河流的环境？本研究通过比较32年间夏季与极端降水相关的大气河流（AR&EP）与不伴随极端降水的大气河流（AR&NONEP）的环境来探讨这一问题，重点关注长江下游流域（LYRB）。研究结果表明，尽管两种类型的大气河流的水分来源在空间上相似，但极端降水事件中的大气河流表现出来自LYRB西部和北部地区的额外水分。这表明极端降水事件更依赖于中高纬度地区提供的额外水分。在极端降水事件期间还发现了关键的大尺度环流异常，包括加强并向西扩展的西北太平洋副热带高压、增强的西风急流、增强并向东扩展的南亚高压以及加深的高层槽。其中，加深的高层槽和增强的西风急流是区分极端降水事件和非极端降水事件的主要因素。在局部尺度上，对流活动也存在显著差异，这突显了梅雨锋在触发极端降水中的重要作用。在这种情况下，加深的高层槽、水分可用性以及梅雨锋提供的局部抬升作用对于准确预测LYRB地区的极端降水至关重要。

引言

大气河流（ARs）通常被定义为狭窄的、细长的通道，其特征是强烈的低层水汽输送（Arabzadeh等人，2020年）。它们在中纬度地区占总经向水汽通量的90%以上（Guan等人，2023年）。大气河流将大量水汽从低纬度输送到中高纬度地区（Guan和Waliser，2015年；Ralph等人，2020年）。由于它们含有大量水分、强烈的低层风，并且与暖输送带相关联，当与地形、锋面系统和对流过程相互作用时，大气河流可以产生中纬度极端降水事件，从而显著增加与水相关的灾害（Rutz等人，2014年；Rutz等人，2019年；Dettinger等人，2011年；Paltan等人，2017年；Gimeno等人，2014年；Gimeno等人，2021年）。在气候变化背景下，预计大气河流的强度不仅会增加，其与极端天气事件的关联也会增强（Michaelis等人，2022年；Nellikkattil等人，2023年；Scholz和Lora，2024年；Zhang等人，2024年；Henny和Kim，2025年）。

几十年来，关于大气河流及其在触发极端降水事件中的重要作用的研究已经广泛覆盖了全球各个地区。研究已经深入探讨了大气河流在北美、南美、欧洲、非洲、南极洲和亚洲等地触发极端降水事件的重要作用（例如，Lavers等人，2012年；Lavers和Villarini，2013年；Barth等人，2017年；Lamjiri等人，2017年；Ramos等人，2019年；Gorodetskaya等人，2014年；Yang等人，2018年）。尽管频率较低，东亚地区的大气河流是复杂的系统，但它们已经引起了越来越多的科学关注。与北美和欧洲的大气河流不同，东亚地区的大气河流在夏季表现出明显的峰值。这种季节性特征源于亚洲夏季季风（Mundhenk等人，2016年；Pan和Lu，2020年；Liang和Yong，2021年；Park和Son，2024年），其准静止流动和来自南亚边缘海和南海的持续水汽输送为大气河流的发生创造了有利的气动条件。最近，东亚地区的大气河流受到了更多关注，特别是在调节极端降水方面发挥了重要作用（Guan和Waliser，2015年；Hirota等人，2016年；Kamae等人，2017年；Thapa等人，2018年；Park等人，2021年；Xiong和Ren，2021年；Pan和Lu，2020年；Zhao等人，2024年）。证据表明，夏季西北太平洋地区的大气河流非常普遍，尤其影响中国东部、朝鲜半岛、印度沿海和日本等东亚地区，频繁的大气河流登陆与极端降雨和洪水事件密切相关（Guan和Waliser，2015年；Thapa等人，2018年；Kamae等人，2021年；Lyngwa和Nayak，2021年；Park等人，2021年；Xiong和Ren，2021年；Mahto等人，2023年；Kwon和Son，2024b；Pradhan等人，2025年；Luo等人，2025年）。

鉴于大气河流与极端降水（EP）之间的已知联系，大气河流的持续存在已被确定为高强度水文极端事件的前兆（Algarra等人，2020年）。值得注意的是，对北太平洋和美国西部的研究表明，大气河流在日常时间尺度上具有预测极端降水事件的显著潜力（Chen等人，2018年）。将这一观点扩展到东亚，案例研究和区域分析进一步证实了大气河流的预测价值。例如，关于2020年梅雨降雨事件的研究建议在业务预报中更加关注大气河流（Wang等人，2021年），而另一项研究明确指出大气河流在该地区预测强降水或极端降水日方面具有很大潜力（Pan和Lu，2020年）。然而，由于大气河流本身的多样性和路径不同，并非所有东亚地区的大气河流都会产生极端降水（Pan等人，2024年）。这就提出了一个关键问题：是什么区分了那些确实会引发极端降水的大气河流环境？该地区大气河流的动力学控制因素由于局部环境条件的不同而表现出相当大的变异性，对这些控制因素的更精细理解可以提高与大气河流相关的极端降水的预测能力。

受到上述问题的启发，我们通过比较伴随极端降水的大气河流（AR&EP）与不伴随极端降水的大气河流（AR&NONEP）来研究其特征环境。这里，我们选择了长江下游流域（LYRB）作为研究区域。这一选择基于以下考虑：首先，作为东亚夏季季风的核心区域和中国最繁荣的经济中心之一，LYRB在夏季经常发生极端降水（Ding和Chan，2005年），对经济发展和社会造成巨大影响。尽管与极端降水相关的机制已经得到了广泛研究，但最先进的数值模型仍然难以做出可靠的预报（Luo等人，2020年）。因此，深入研究该地区与极端降水相关的大气河流的机制至关重要（Qu等人，2023年）。此外，LYRB是大气河流生成的热点区域之一，也是引发东亚地区极端降水的关键路径（Pan和Lu，2020年；Pan等人，2024年）。

本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了数据和方法。第3节展示了结果，包括大气河流的气候学特征（第3.1节）、水汽输送和水分来源的特征（第3.2节）、天气尺度环流异常（第3.3节）以及局部热力学条件（第3.4节）。第4节讨论了研究结果，第5节进行了总结。

节选内容

观测和再分析数据集

为了识别极端降水（EP）事件，我们使用了CN05.1网格化观测数据集（0.25° × 0.25°）。该数据集来自中国气象局的国家气象信息中心（http://data.cma.cn/），提供了1991–2022年夏季（6月、7月和8月）的日降雨记录。其精细的空间分辨率使得能够更详细地描述降雨的空间分布。

为了识别蒸发

大气河流及其与LYRB夏季降水的关系

在探讨伴随极端降水的大气河流（AR&EP）的环境特征之前，我们首先研究了大气河流与LYRB夏季降水之间的关系，为后续分析提供基本背景。图2a和b分别显示了湿润日和大气河流日的联合概率密度函数（PDF）分布。这里的湿润日定义为LYRB地区的日降水量超过

讨论

本研究通过对比伴随极端降水的大气河流（AR&EP）与不伴随极端降水的大气河流（AR&NONEP）事件之间的天气成分、水汽可用性和热力学条件，试图阐明其因果因素。以下讨论总结了这两种类型事件之间的关键差异，并讨论了与结果相关的几个重要方面。

总结与结论

基于对降雨观测、大气再分析和水分吸收的识别，本研究从水分吸收异常、天气尺度配置和局部热力学条件的角度，提供了伴随极端降水的大气河流（AR&EP）的独特环境特征。本研究的主要结果可以总结如下：

(1)

与大气河流相关的降雨占LYRB夏季总降雨量的40–60%，并且

CRediT作者贡献声明

刘小飞：撰写——原始草稿、可视化、调查、正式分析。陈斌：撰写——原始草稿、监督、方法论、概念化。张伟：撰写——审阅与编辑。王春竹：撰写——审阅与编辑。于业然：撰写——审阅与编辑。徐向德：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42475010）、西藏自治区重大科技项目（编号：XZ202402ZD0002）和CAMS科技发展基金（编号：2024KJ012）的共同支持。