东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征_黄子怡.pdf

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（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：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。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 Newell，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08:00（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 km，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 Sanders 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月17-19日暴雪过程次之，中心强度达1596 kg m-1 s-1，对应宽甸站24 h降水量达125 mm。可见，暴雪的发生发展与强水汽输送尤其是登陆东北的大气河密切相图12007-2020年12月（a）、2月（b）IVT的85百分位阈值分布（彩色区，单位：kg m-1 s-1）、2009年12月5日11:00（c）和2015年2月21日08:00（d）IVT（彩色区和矢量，单位：kg m-1 s-1）分布Fig.1Distribution of 85th IVT（color area，unit：kg m-1 s-1）in December（a）and February（b）from 2007 to 2020，and the IVT（color area and vector，unit：kg m-1 s-1）at 11:00 on 5 December 2009（c）and 08:00 on 21 February 2015（d）736黄子怡等：东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征3 期关，南方气旋以及黄淮气旋降水普遍强于蒙古气旋。大气河多呈西南-东北向，将南海、东海和黄渤海的水汽输送到降水区；北方气旋与南方气旋合并后，也会将日本海的水汽输送到东北地区。虽然东亚冬季大气河出现频率低（Kim et al，2020），但温带气旋暴雪过程中大气河登陆东北的频率较高，接近60%，大气河与暴雪的关系值得研究。从大气河的月频次（图2）可以看到，11月和3月大气河出现频率最高，而且有大气河伴随的暴雪过程较无大气河伴随的暴雪过程出现的频率高，这两个月处于季节转换期，冷暖空气活动频繁，易产生暴雪。2月大气河出现频率次多；1月出现了2次暴雪过程，但无大气河相伴；12月出现4次暴雪过程，只有1次伴有大气河，表明12月和1月暖湿空气不活跃，由低纬度海洋输送到东北地区的水汽较少。4 大尺度环流背景 4.1500 hPa高度场下面对登陆东北的大气河（7例，称有大气河伴表1 20072020年影响东北的温带气旋暴雪个例Table 1 Cases of snowstorm in northeastern China caused by extratropical cyclones from 2007 to 2020序号1234567891011121314151617181920212223242526272829气旋类型气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋北上气旋北上气旋北上气旋北上蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋暴雪个例发生时间2007年2月13-14日2007年12月28-30日2008年3月24-25日2009年3月21-22日2010年3月14-15日2012年11月10-13日2014年11月30日至12月1日2018年2月28日至3月1日2018年11月9-10日2019年3月20-21日2007年3月3-5日2013年11月24-26日2016年1月18-19日2016年12月21-22日2007年1月30-31日2007年3月23-24日2008年3月21-22日2009年12月5-6日2010年11月12-13日2015年2月21-22日2015年12月2-3日2007年10月20-21日2009年2月12-13日2010年3月19-20日2012年10月22-23日2013年11月16-19日2016年11月16-19日2019年11月17-18日2020年11月17-19日24 h最大降水量站点丹东富锦鹤岗方正东港旅顺虎林蛟河、鞍山牡丹江农安东港双鸭山绥芬河长白佳木斯北安拜泉丹东彰武洮南东港、饶河宝清通化东岗凤城汪清永吉鸡东宽甸降水量/mm21212117374829184918995722192019212424222643422147501128125500 hPa冷涡有有有无有有有无无无无无有无有有无有有有有有无无无有无有无高空急流类型西风型西风型无西北风+西风型西南风+西南风型西南风+西风型西风型西北风型西风+西风型西风+西南风型西南风+西风型西南风+西风型西风型西南风型无西北风型西风型西南风型西南风型西风型西风型西风型西南风型西风型西风型无西风型西风型西风+西风型850 hPa最大风速/（m s-1）3019173020331422282624302216232226151924242028261715282024大气河有*有有*有*有*有*有有有*有*有*有*有有无有*无无无有*有*有有*有有*无有*有*有*低空急流为过程出现的850 hPa的最大风速；*表示登陆东北的大气河737高原气象42 卷随）和未登陆东北的大气河（包括无大气河，10例，称无大气河伴随）暴雪过程进行合成分析。从合成的500 hPa环流形势（图3）看，有/无大气河伴随的温带气旋都位于500 hPa槽前，随着冷空气南下，锋区和槽后冷平流明显加强，气旋随西风槽加深而发展。但也存在差异，有大气河伴随的暴雪过程 图3（a）（c），西风槽与508 dagpm的闭合低压相伴，配合-40 的冷中心；西风槽前部高压脊由t0时的南北向逐渐转为t24时的略呈东北-西南向，西风槽呈东北-西南向，锋区和槽后冷平流都较强；南部有576 dagpm的闭合高压，槽前西南气流偏南分量较大，有利于输送水汽。而无大气河伴随的暴雪过程 图3（d）（f），高空无冷涡，南部无闭合高压，西风槽前部高压脊呈西北-东南向发展，西风槽呈西北-东南向，西风槽和槽后冷平流都较有大气河相伴时弱。综上，有大气河伴随时，500 hPa上存在切断低压，南部有高压，形成切断低压与大气河相互作用有利于强降水的形势，西风槽呈东北-西南向，槽前西南风较强；无大气河伴随时西风槽较弱，槽前西南风偏南分量较弱，不利于输送低纬度地区的水汽。4.2高、低空急流高、低空急流的有利配置有利于气旋发展以及暴雪产生。统计发现，除3例（占10%）暴雪过程没有高空急流外，大部分暴雪过程（占90%）都伴有高空急流，其中西风型高空急流最多（占66%），西南风型次之（占31%），西北风型最少（占10%）；8例出现南北 2支高空急流，18例出现 1支高空急流。降水区多处于高空急流强辐散区下方，即：高空急流入口区右侧或出口区左侧，有利于上升运动发展。所有暴雪过程都伴有低空急流，观测到的暴雪过程中最大偏南风速最小为 14 m s-1，最大为 33 m s-1，普遍在20 m s-1以上，较夏季暴雨过程的低空急流强很多（Du and Chen，2019；陈豫英等，2021）。可见，冬季暴雪需要强低空急流输送水汽及能量。从合成的高、低空急流看，有大气河伴随的暴雪过程 图3（a）（c），存在南北2支高空急流，t0和t12时气旋位于北支高空急流入口区右侧和南支高空急流出口区左侧的强辐散区下方，有利于气旋发展；t24时北支高空急流减弱，但气旋仍处于南支高空急流出口区左侧；850 hPa的低空急流明显，气旋位于低空急流左侧，随着气旋发展低空急流增强且范围扩大，t0、t12和t24时急流中心分别为25 m s-1、29 m s-1和 30 m s-1。无大气河伴随时 图 3（d）（f），仅存在南支高空急流，气旋t0和t12时位于高空急流入口区左侧，t24时转为高空急流中心的正北方，不利于高空辐散发展；850 hPa上t0时低空急表2 20072020年登陆东北的大气河暴雪个例Table 2 Cases of snowstorm with ARs landing in northeastern China during 2007-2020序号123456789气旋类型气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋合并气旋北上气旋北上暴雪个例发生时间2007年2月13-14日2008年3月24-25日2009年3月21-22日2010年3月14-15日2012年11月10-13日2018年11月9-10日2019年3月20-21日2007年3月3-5日2013年11月24-26日持续时间/h401332293025162129中心最大强度/（kg m-1 s-1）1176776126513489641194102813381666序号1011121314151617气旋类型蒙古气旋蒙古气旋蒙古气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋黄淮气旋暴雪个例发生时间2007年3月23-24日2015年2月21-22日2015年12月2-3日2009年2月12-13日2012年10月22-23日2016年11月16-19日2019年11月17-18日2020年11月17-19日持续时间/h261862013151652中心最大强度/（kg m-1 s-1）957783670112699766012821596图2有/无大气河伴随的温带气旋暴雪过程的月际分布Fig.2Monthly distribution of snowstorm events caused by extratropical cyclones with and without ARs738黄子怡等：东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征3 期流的范围很小，t12时低空急流增强且范围扩大，但强度较弱，t0、t12和t24时急流中心分别为14 m s-1、18 m s-1和 22 m s-1。综上，有大气河伴随的过程高、低空急流配置较好，有利于气旋加深以及水汽输送；无大气河伴随时高空辐散条件差，低空急流的范围小且强度弱。4.3锋区结构分析假相当位温se综合体现了大气的温湿特征，能表征锋区的位置和强度。由合成的850 hPa se和风场（图4）可知，随着气旋发展，冷锋和暖锋锋区明图3合成的有大气河（ac）及无大气河（df）伴随的500 hPa位势高度（黑线，单位：dagpm）、温度（红色虚线，单位：）、200 hPa30 m s-1风速（彩色区，单位：m s-1）和850 hPa12 m s-1风速（绿线，单位：m s-1）（a，d）气旋强烈发展时；（b，e）气旋发展12 h；（c，f）气旋发展24 hFig.3Composite geopotential height（black contour，unit：dagpm）and temperature（red dashed line，unit：）at 500 hPa，wind speed 30 m s-1 at 200 hPa（color area，unit：m s-1）and 12 m s-1 at 850 hPa（green contour，unit：m s-1）with ARs（ac）and without ARs（df）at intensively developing time（a，d），t12（b，e）and t24（c，f）739高原气象42 卷显南压加强。有大气河伴随的暴雪过程 图4（a）（c），冷暖锋锋区非常明显。t0时气旋中心上空出现低涡，随着气旋发展低涡明显加强 图 4（b），（c）。t12时冷暖锋锋区之间出现东北-西南向暖舌，地面上有锢囚锋形成。无大气河伴随的暴雪过程 图4（d）（f），se等值线相对稀疏，直到t12时气旋中心上空才出现低涡，随后低涡明显发展，范围扩大。但由于无大气河，低涡南部的偏南风分量较弱，冷锋南压较明显，暖锋锋区加强并不明显，未形成明显的暖舌。可见，有大气河伴随时 850 hPa上的冷暖锋锋区更强，有明显的暖舌，低涡一直存在且强度强；无大气河伴随时冷暖锋锋区相对弱，没有明显的暖舌，低涡生成的时间偏晚且强度偏弱。5 温带气旋水汽场特征分析 5.1大气河的演变由于气旋中心位置不断改变，在合成大气河时，采用IVT大于250 kg m-1 s-1单一阈值的方法。从合成结果看，有大气河伴随 图 5（a）（c）时，大气河呈西南-东北向，为明显的长带状结构，长宽比2，在气旋强烈发展的24 h期间都存在，中心值超过700 kg m-1 s-1，t12时中心值最强，达794 kg m-1 s-1。伴随着气旋的发展，大气河为降水区输送来自低纬度的水汽，水汽大多来自于中国东海和黄渤海。而无大气河伴随时 图5（d）（f），气旋的东南方出现了一定强度的带状 IVT，在t12时带状IVT中心值达最大，为437 kg m-1 s-1，但此带状IVT明显不如前者强且长，不满足大气河的定义。暴雪过程无明显的低纬度水汽输送，东北降水区的水汽主要来源于东南部的日本海。另外，不同气旋伴随的大气河存在一定的差异。蒙古气旋的大气河呈东北-西南向，位于气旋中心东部1000 km以外的地区 图5（g）（i），与蒙古气旋处于较高纬度有关；而其他3类气旋的大气河呈北东北-南西南，位于气旋中心附近的东部或东南部，较蒙古气旋大气河的分布更为径向，水汽图4合成的有大气河（ac）及无大气河（df）伴随的850 hPa位势高度（黑线，单位：dagpm）、假相当位温se（红线，单位：K）、风场（矢量，单位：m s-1）和大气可降水量（彩色区，单位：mm）分布（a，d）气旋强烈发展时；（b，e）气旋发展12 h；（c，f）气旋发展24 hFig.4Composite geopotential height（black contour，unit：dagpm），equivalent potential temperature se（red contour，unit：K），wind（vector，unit：m s-1）at 850 hPa and Precipitable Water（PW）（color area，unit：mm）with ARs（ac）and without ARs（df）at intensively developing time（a，d），t12（b，e）and t24（c，f）740黄子怡等：东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征3 期图5合成的有大气河（ac）、无大气河（df）伴随以及蒙古气旋（gi）、黄淮气旋（jl）、合并类气旋（mo）和北上气旋（pr）的IVT（单位：kg m-1 s-1）演变和12 h观测降水（af，蓝线，单位：mm）图中左、中、右三列分别表示气旋强烈发展时、气旋发展12 h和24 h；（a）和（d）中直线AB为图6的剖线Fig.5Composite IVT（unit：kg m-1 s-1）and observed 12-h precipitation（af，blue contour，unit：mm）with ARs（ac），without ARs（df），Mongolia cyclones（gi），Huanghuai cyclones（jl），combined cyclones（mo）and northbound cyclones（pr）at intensively developing time（left），t12（medium）and t24（right）.The line AB in（a）and（d）denotes the cross section used in Fig.6741高原气象42 卷输送更为有利。各类气旋的大气河初期都很弱，在气旋发展中后期明显增强，其中黄淮气旋和合并类气旋的大气河t12时最强 图5（k），（n），而蒙古气旋与北上类气旋在t24时最强 图5（i），（r）。黄淮气旋和北上类气旋的大气河较合并类气旋强，强中心更接近气旋中心，与上述统计这2类气旋的降水量较大是一致的。黄淮气旋和合并类气旋的大气河t24时明显减弱。5.2大气河的垂直结构分析经气旋和大气河中心的西北-东南向剖面发现，有大气河伴随时 图6（a）（c），冷锋锋区明显且随时间南移；锋区东南部的暖区有高、低空急流相伴，高空急流风速变化不大；低空最大风速在850 hPa附近，随时间明显增强，与图3（a）、图3（b）和图3（c）一致。锋区东南部低层有高比湿带和强水平水汽输送，大于3 g cm-1 s-1 hPa-1的水汽通量集中在800 hPa以下，但随着气旋发展水汽通量逐渐减弱。t0时在气旋中心东南侧925 hPa附近存在强水汽通量和大于10 g kg-1的高比湿区；t12和t24时比湿减小为 8 g kg-1。水汽输送中心东南部 700 hPa以下存在条件不稳定，不稳定层结附近有沿着锋面的上升运动。用1.5 PVU来表示对流层顶，其分布呈现北低南高，基本在400 hPa以上，随着气旋发展，气旋中心东南部对流层顶逐渐下降。无大气河伴随时 图6（d）（f），锋区略弱，锋区东南部的低空急流以及水汽通量明显较弱，低层最大风速也在850 hPa附近，与图3（d）、图3（e）和图3（f）一致。低层水汽输送随着气旋发展逐渐增强，t24时水汽输送达最强。且高空急流在中后期也略有增强。条件不稳定区域及上升运动较弱，锋前次级环流不明显。对流层顶在t0时气旋的西北侧有明显的下降，也呈北低南高，基本在400 hPa以上，但气旋中心东南部对流层顶高度随时间变化不大。可见，有大气河伴随时，低空急流不仅为降水区输送水汽，有利于不稳定层结发展；同时伴随较强的高低空急流和强锋区，有利于上升运动，从而有利于气旋和降水的发生发展。因此，大气河不仅体现了强水汽输送，还体现了较好的动力抬升。5.3低层水汽输送特征从上述剖面分析可知，水汽输送最大值在925 hPa附近，下面以925 hPa为例来分析暴雪过程水汽输送和辐合情况。925 hPa上（图7）水汽输送主要沿着冷暖锋锋区，辐合区对应着较大的大气可降水量（图4）。有大气河伴随时 图7（a）（c），低涡长轴一直维持南北向，锋区内温度梯度大，气旋中心温度随时间逐渐下降，t0、t12 和 t24 时分别为12、8 和4 左右，一直在0 以上；水汽辐合区位于冷锋及暖锋附近，t12 时水汽辐合最强。无大气河伴随时 图7（d）（f），925 hPa低涡较弱，其长轴逐渐由t0时的南北向转为t24时的东西向，锋区内温度梯度相对小，气旋中心温度 t0、t12和t24 时分别为 8、4 和 0 左右，即冷空气更强；水汽辐合区弱很多，主要位于气旋的暖区附近，t24时水汽辐合在暖锋附近最强。可见，有/无大气河伴随的暴雪过程低层锋区和水汽条件等存在显著差别，有大气河伴随时低涡更强，长轴呈南北向，锋区内温度梯度更大；气旋中心温度较高，水汽辐合范围大且强度强。而无大气河伴随时低涡较弱，长轴呈东西向，锋区内温度梯度相对小；气旋中心更冷，冷空气更强，水汽辐合范围小且强度弱。有大气河伴随的温带气旋暴雪过程，暖湿空气较强，易产生强降水；而无大气河伴随的暴雪过程冷空气更强，暖空气较弱，不利于产生强降水。5.4有/无大气河对降水的影响对比有/无大气河伴随的暴雪过程中大气可降水量（Precipitable Water，PW）发现（图 4），有大气河伴随时 图 4（a）（c），冷、暖锋附近有明显的PW，t12时气旋东部暖锋附近PW最大，t24时气旋南部冷锋附近PW最大；相应的观测12 h降水（图5）显示，t0时 图5（a）沿着大气河有东北-西南向降水区，5 mm以上的降水分布在大气河的西侧，冷暖锋区域各有1个降水中心，t12时 图5（b）大于10 mm的降水主要集中于大气河前部的暖锋区，中心达25 mm，t24时 图5（c）暖锋降水中心减弱但冷锋降水中心增强。无大气河伴随时 图 4（d）（f），t0时主要为暖锋附近的降水，冷锋附近降水很弱；t12时冷暖锋附近 PW 的范围增大且强度增强；t24时冷暖锋降水范围进一步扩大，暖锋附近降水呈东西向；相应的观测12 h降水 图5（d）（f）显示，气旋发展中后期降水增大，中心在 10 mm 以上，主要为小范围的暖锋降水。为区分暴雪过程中的雨水和雪水，对比了有/无大气河伴随时整层雨水和雪水含量（图8），发现随着气旋发展降水增大，雪水含量较雨水含量大。有大气河伴随时 图8（a）（c），主要为冷锋降雨，暖锋降雪，随着气旋发展，降雨和降雪范围扩大且强度增强。无大气河伴随时 图8（d）（f），主要为暖锋降雪，中后期出现小范围的冷锋降雨，t24时降雪范围进一步扩大，呈东西向。可见，有大气河伴742黄子怡等：东北地区温带气旋暴雪过程的大气河特征3 期随时降雪和降雨都较强且范围较大，降雨多集中在冷锋附近，降雪多位于暖锋附近；而无大气河伴随时降水强度和范围都较小，主要为暖锋降雪。6 结论 利用常规观测以及ERA5再分析资料，对2007 图6经过气旋中心有大气河（ac）及无大气河（df）伴随的水汽通量（彩色区，单位：g cm-1 s-1 hPa-1）、假相当位温se（灰线，单位：K）、风速（蓝线，单位：m s-1）、比湿（红线，单位：g kg-1）、对流层顶（黑粗线）的垂直剖面和垂直环流（矢量，单位：m s-1，垂直速度扩大100倍）（a，d）气旋强烈发展时；（b，e）气旋发展12 h；（c，f）气旋发展24 h；垂直剖线见图5（a），（d）Fig.6Cross sections of water vapor flux（color area，unit：g cm-1 s-1 hPa-1），equivalent potential temperature se（grey contour，unit：K），wind speed（blue contour，unit：m s-1），specific humidity（red contour，unit：g kg-1），tropopause（black thick contour）and vertical circulation（vector，unit：m s-1，expand 100 times vertically）through the center of the cyclones with ARs（ac）and without ARs（df）at intensively developing time（a，d），t12（b，e）and t24（c，f）.The cross section is shown in Fig.5（a）and（d）743高原气象42 卷-2020年11月到次年3月由温带气旋活动引发的东北地区暴雪过程进行统计，并对有/无大气河登陆东北的暴雪过程中的环境场进行对比，得到以下结论：（1）29 例暴雪过程有 24 例出现了大气河现象，其中59%的大气河登陆东北；大气河在季节转换期出现频次最高，12月和1月基本无大气河。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于蒙古气旋暴雪过程；有大气河相伴的南方气旋和黄淮气旋暴雪过程，大气河中心强度及造成的降水都强于蒙古气旋。（2）90%的暴雪过程伴有高空急流，降水区多处于高空急流强辐散区下方；所有暴雪过程都与低空急流相伴。有大气河伴随的暴雪过程有南北2支高空急流，形成高、低空急流耦合形势，有利于气旋加深和降水发展；无大气河伴随时仅有1支高空急流，高空辐散条件差，低空急流范围小且强度弱。（3）有大气河伴随的暴雪过程，500 hPa有切断低压，南部有闭合高压，西风槽呈东北-西南向，槽前西南风强；850 hPa存在明显的暖舌、较强的低涡和锋区。无大气河伴随的过程，500 hPa西风槽较弱，槽前西南风偏南分量弱；850 hPa有较弱的锋区，低涡生成偏晚且强度偏弱。（4）有大气河伴随时，暴雪过程的水汽主要来源于东海和黄渤海，气旋强烈发展期间大气河一直存在，低层有条件性不稳定层结，沿锋面的上升运动强，925 hPa水汽辐合区宽广且强。无大气河伴随时，暴雪过程的水汽主要源自日本海，不稳定层结和上升运动略弱，925 hPa水汽辐合区面积小且强度很弱。（5）有大气河伴随的暴雪过程，主要为冷锋降雨暖锋降雪；无大气河伴随的过程，存在少量冷锋降雨，主要为暖锋降雪。温带气旋暴雪的发生发展过程十分复杂，本文只是从有/无大气河伴随方面进行了初步的统计，未来需要增加统计个例得出更具有普遍意义的结图7合成的有大气河（ac）及无大气河（df）伴随的925 hPa