波碎遇天河 倾盆大雨落

“天河”的正规说法为大气河（Atmospheric Rivers），是指存在于距地面约1-2公里高空、宽度约几百公里、绵延达数千公里的水汽输送带，在卫星云图上可以清晰看到其分布。这些高悬空中的天河可将大量水汽从热带向中高纬地区输送，其载水量远非地面江河可比。自上个世纪90年代大气河的概念被提出后，引起了不少气象学家的关注。水汽是降雨的必要条件，这一大尺度水汽输送带与降雨的时空分布及强弱变化密切相关。在国际上围绕大气河问题已有不少研究成果，许多地区发生的大范围降雨过程可以通过大气河的存在与演变解释。

“波碎”是指大气罗斯贝波的破碎（Rossby Waves Breaking）过程。话题要先从罗斯贝波谈起——上个世纪初，高空探测技术在气象科研与业务中逐步得到应用，人们通过分析资料发现在地球中高纬大气对流层中上部存在着波状的大气流场，大气沿着流场做南北摆动的准水平运动，在半球尺度上一般有3到5个波存在。1939年美国著名气象学家罗斯贝（Rossby）通过微分方程从理论上研究分析了这类大尺度波形的性质，提出了著名的长波理论，成为动力气象学的重要基础。后人为了纪念这一卓越贡献，将此类长波命名为罗斯贝波。这一成果从理论上解释了大气长波的运动规律，且在实际预报业务中，也可以发现沿罗斯贝波做南北震荡的大气流场与地面气压场和更高层的平流层大气变化有很好的对应关系，因此，罗斯贝波也自然成为气象学家研究分析和预报大气运动重点关注的系统。

由于罗斯贝波在南北震荡过程中会与热力和动力都存在显著差异的基本气流产生复杂的相互作用，不断进行能量交换，波的振幅和频率也会随时间发生变化，人们在天气图上则可以看到复杂多变的大气环流形态。这种复杂的非线性相互作用在一定条件下使罗斯贝波在某一区域振幅快速增大，造成高纬度冷空气南侵或低纬度暖空气北上的不可逆过程。波幅的超常增长使其难以恢复到原有系统维持正常震荡，便产生了波的破碎过程。破碎后的波能量一部分回归到基本气流，增强其能量，另一部分则破碎成更小尺度的系统，耗散能量。如同在浩瀚的大海上，常能看到正常的波涛起伏时，某处会突然出现高耸的波峰，然而并不能维持多久，一部分迅速向海面回归，同时还会在空中卷出若干破碎的浪花。无论是南侵的气旋式波碎或是北上的反气旋式波碎过程都会引起区域性天气异常，造成剧烈的温度、湿度、气压和风场的变化。

大气河与罗斯贝波破碎都可以造成降雨和其他剧烈天气发生，若携带干冷空气南下的气旋式波碎又与空中的大气河相遇，其影响就更不可小觑了。最近，欧洲地球科学联盟（EGU）的《天气与气候动力学》杂志上发表了在瑞士苏黎世大气与气候科学研究所、德国马克斯·普朗克化学研究所任职的德弗里斯（Andries Jan de Vries）的文章，利用欧洲中期天气预报中心1979年至2018年40年再分析资料对全球每天发生的大尺度极端降水事件（Extreme Precipitation Events，EPE）做了系统研究，并重点分析了罗斯贝波破碎与大气河相互作用所产生的影响，取得了一些重要成果。

通过对全球资料的分析研究发现，罗斯贝波破碎与大气河这两个天气尺度系统通过相互作用导致全球多处极端强降雨过程发生，特别是在干旱的副热带地区，强烈暴雨过程可能诱发灾难性洪水。这与以往的研究有所不同，副热带地区的研究更多关注湿热地区因气旋系统导致的暴雨，如热带洋面上台风形成后北上引发的风雨过程。德弗里斯的研究弥补了这一纬度带降雨问题研究的不足。罗斯贝波向南的气旋式破碎可以导致干冷空气南侵、对流层大气不稳定、低层气流上升、水汽向北输送等多重效应，这些都有利于极端降雨的发生。通过分析还发现，罗斯贝波破碎程度越强，可以诱发的水汽输送也越强，降雨随之增强。德弗里斯的分析表明，在北美和地中海区域，90%的极端降雨过程可以通过罗斯贝波破碎来解释；在沿海一带，95%的极端降雨是通过水汽输送带的增强所驱动的，与以往案例研究结果总体上是一致的。而最有价值的发现是两类大尺度天气过程交汇处发生的强降雨过程，更为重要的是在那些人们认为最为干旱少雨的地区所产生的强降雨过程中，70%以上的大尺度降雨可以通过这一交互作用得到解释。

除了从资料分析角度对极端降雨事件进行揭示外，德弗里斯还对历史上造成重大人员伤亡和财产损失的12次具体案例进行了分析，这些极端事件都与罗斯贝波破裂与大气河水汽输送结合有着密切关联，如1987年9月在南非的纳塔尔（Natal）发生的洪水，2013年6月印度北阿坎德邦（Uttarakhand）洪水，2013年9月美国科罗拉多（Colorado）洪水，2015年3月智利阿塔卡马沙漠（Atacama Desert）洪水等。

同时，研究结果还增进了对极端降雨事件与气候变化关联的认识，发现近几十年来暴雨出现频率增加、强度增强的趋势与全球增暖有着密切关联，需要从更长时间周期的变化予以关注和研究。

来源：中国气象报