許小峰

這是一條存在于1～2千米的高空，寬度達(dá)幾百千米，綿延數(shù)千千米的水汽輸送帶，我們形象地稱之為“天河”（即大氣河，Atmospheric Rivers）。衛(wèi)星云圖能夠清晰地顯現(xiàn)它的分布。這些高懸空中的天河能將大量水汽從熱帶輸送到向中高緯地區(qū)，載水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地面任何江河。

自20世紀(jì)90年代大氣河的概念被提出后，引起了不少氣象學(xué)家的關(guān)注。水汽是降雨的必要條件，這一大尺度的水汽輸送帶與降雨的時(shí)空分布及強(qiáng)弱變化密切相關(guān)。在國(guó)際上，圍繞大氣河問(wèn)題已有不少研究成果，許多地區(qū)發(fā)生的大范圍降雨過(guò)程，都可以通過(guò)大氣河的存在與演變進(jìn)行解釋。

“波碎”是指大氣羅斯貝波的破碎（Rossby Waves Breaking）過(guò)程。我們先從羅斯貝波談起——

20世紀(jì)初，高空探測(cè)技術(shù)在氣象科研與業(yè)務(wù)中逐步得到應(yīng)用，人們通過(guò)分析資料發(fā)現(xiàn)，在地球中高緯大氣對(duì)流層的中上部，存在著波狀的大氣流場(chǎng)，大氣沿著流場(chǎng)做南北擺動(dòng)的準(zhǔn)水平運(yùn)動(dòng)。在半球尺度上，一般有3～5個(gè)波存在。

1939年，美國(guó)著名氣象學(xué)家羅斯貝通過(guò)微分方程，從理論上研究分析了這類(lèi)大尺度波形的性質(zhì)，提出了著名的長(zhǎng)波理論，成為動(dòng)力氣象學(xué)的重要理論基礎(chǔ)。后人為了紀(jì)念這一卓越貢獻(xiàn)，將此類(lèi)長(zhǎng)波命名為羅斯貝波。這一成果從理論上解釋了大氣長(zhǎng)波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，也可以發(fā)現(xiàn)沿羅斯貝波做南北震蕩的大氣流場(chǎng)與地面氣壓場(chǎng)和更高層的平流層大氣變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，羅斯貝波也自然成為氣象學(xué)家研究分析和預(yù)報(bào)大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的系統(tǒng)。

由于羅斯貝波在南北震蕩過(guò)程中，會(huì)與熱力和動(dòng)力都存在顯著差異的基本氣流產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，不斷進(jìn)行能量交換，波的振幅和頻率也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，人們?cè)谔鞖鈭D上可以看到復(fù)雜多變的大氣環(huán)流形態(tài)。這種復(fù)雜的非線性相互作用在一定條件下，使羅斯貝波在某一區(qū)域振幅快速增大，造成高緯度冷空氣南侵或低緯度暖空氣北上的不可逆過(guò)程。

波幅的超常增長(zhǎng)使其難以恢復(fù)到原有系統(tǒng)維持正常震蕩，便產(chǎn)生了波的破碎過(guò)程。破碎后的波能量一部分回歸到基本氣流，增強(qiáng)其能量，另一部分則破碎成更小尺度的系統(tǒng)，耗散能量。如同在浩瀚的大海上，常能看到正常的波濤起伏，某處會(huì)突然出現(xiàn)高聳的波峰，然而并不能維持多久，一部分會(huì)迅速向海面回歸，同時(shí)還會(huì)在空中卷出若干破碎的浪花。無(wú)論是南侵的氣旋式波碎或是北上的反氣旋式波碎，都會(huì)引起區(qū)域性天氣異常，造成劇烈的溫度、濕度、氣壓和風(fēng)場(chǎng)的變化。

大氣河與羅斯貝波破碎都可以造成降雨和其他劇烈天氣發(fā)生，若攜帶干冷空氣南下的氣旋式波碎又與空中的大氣河相遇，其影響就更不可小覷了。

最近，歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟（EGU）的《天氣與氣候動(dòng)力學(xué)》雜志上發(fā)表了在瑞士蘇黎世大氣與氣候科學(xué)研究所、德國(guó)馬克斯·普朗克化學(xué)研究所任職的德弗里斯的文章。德弗里斯利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心1979—2018年共40年的再分析資料，對(duì)全球每天發(fā)生的大尺度極端降水事件（Extreme Precipitation Events，簡(jiǎn)寫(xiě)為EPE）做了系統(tǒng)研究，并重點(diǎn)分析了羅斯貝波破碎與大氣河相互作用所產(chǎn)生的影響。

通過(guò)對(duì)全球資料的分析研究發(fā)現(xiàn)，羅斯貝波破碎與大氣河這兩個(gè)天氣尺度系統(tǒng)，通過(guò)相互作用導(dǎo)致全球多處極端強(qiáng)降雨過(guò)程發(fā)生，特別是在干旱的副熱帶地區(qū)，強(qiáng)烈暴雨過(guò)程可能誘發(fā)災(zāi)難性洪水。這與以往的研究不同，副熱帶地區(qū)的研究此前更多關(guān)注濕熱地區(qū)因氣旋系統(tǒng)導(dǎo)致的暴雨，如熱帶洋面上臺(tái)風(fēng)形成后北上引發(fā)的風(fēng)雨過(guò)程。羅斯貝波向南的氣旋式破碎可以導(dǎo)致干冷空氣南侵、對(duì)流層大氣不穩(wěn)定、低層氣流上升、水汽向北輸送等多重效應(yīng)，這些都有利于極端降雨的發(fā)生。

通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)，羅斯貝波破碎程度越大，可以誘發(fā)的水汽輸送也越強(qiáng)，降雨隨之增強(qiáng)。德弗里斯的分析表明，在北美和地中海區(qū)域，90%的極端降雨過(guò)程可以通過(guò)羅斯貝波破碎來(lái)解釋;在沿海一帶，95%的極端降雨是通過(guò)水汽輸送帶的增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的，這與以往的案例研究結(jié)果總體上保持一致。而最有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，是兩類(lèi)大尺度天氣過(guò)程交匯處發(fā)生的強(qiáng)降雨過(guò)程。更為重要的是，在那些人們認(rèn)為最為干旱少雨的地區(qū)產(chǎn)生的強(qiáng)降雨過(guò)程中，70%以上的大尺度降雨可以通過(guò)這一交互作用得到解釋。

除了從資料分析角度對(duì)極端降雨事件進(jìn)行揭示，德弗里斯還對(duì)歷史上造成重大損失的12次具體案例進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些極端事件都與羅斯貝波破裂結(jié)合大氣河水汽輸送有密切關(guān)聯(lián)，如1987年9月在南非的納塔爾發(fā)生的洪水，2013年6月的印度北阿坎德邦洪水，2013年9月的美國(guó)科羅拉多洪水，2015年3月的智利阿塔卡馬沙漠洪水等。

研究結(jié)果還增進(jìn)了我們對(duì)極端降雨事件與氣候變化相關(guān)聯(lián)的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)近幾十年來(lái)，暴雨出現(xiàn)頻率增加、強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)與全球增暖有密切關(guān)聯(lián)，需要從更長(zhǎng)時(shí)間周期的變化予以關(guān)注和研究。

本文內(nèi)容來(lái)自《中國(guó)氣象報(bào)》