波碎遇天河　傾盆大雨落

許小峰

這是一條存在于1～2千米的高空，寬度達幾百千米，綿延數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）。衛星云圖能夠清晰地顯現它的分布。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，載水量遠遠超過地面任何江河。

自20世紀90年代大氣河的概念被提出后，引起了不少氣象學家的關注。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空分布及強弱變化密切相關。在國際上，圍繞大氣河問題已有不少研究成果，許多地區發生的大范圍降雨過程，都可以通過大氣河的存在與演變進行解釋。

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

20世紀初，高空探測技術在氣象科研與業務中逐步得到應用，人們通過分析資料發現，在地球中高緯大氣對流層的中上部，存在著波狀的大氣流場，大氣沿著流場做南北擺動的準水平運動。在半球尺度上，一般有3～5個波存在。

1939年，美國著名氣象學家羅斯貝通過微分方程，從理論上研究分析了這類大尺度波形的性質，提出了著名的長波理論，成為動力氣象學的重要理論基礎。后人為了紀念這一卓越貢獻，將此類長波命名為羅斯貝波。這一成果從理論上解釋了大氣長波的運動規律。在實際預報業務中，也可以發現沿羅斯貝波做南北震蕩的大氣流場與地面氣壓場和更高層的平流層大氣變化之間的對應關系。因此，羅斯貝波也自然成為氣象學家研究分析和預報大氣運動時重點關注的系統。

由于羅斯貝波在南北震蕩過程中，會與熱力和動力都存在顯著差異的基本氣流產生復雜的相互作用，不斷進行能量交換，波的振幅和頻率也會隨時間發生變化，人們在天氣圖上可以看到復雜多變的大氣環流形態。這種復雜的非線性相互作用在一定條件下，使羅斯貝波在某一區域振幅快速增大，造成高緯度冷空氣南侵或低緯度暖空氣北上的不可逆過程。

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

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，歐洲地球科學聯盟（EGU）的《天氣與氣候動力學》雜志上發表了在瑞士蘇黎世大氣與氣候科學研究所、德國馬克斯·普朗克化學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報中心1979—2018年共40年的再分析資料，對全球每天發生的大尺度極端降水事件（Extreme Precipitation Events，簡寫為EPE）做了系統研究，并重點分析了羅斯貝波破碎與大氣河相互作用所產生的影響。

通過對全球資料的分析研究發現，羅斯貝波破碎與大氣河這兩個天氣尺度系統，通過相互作用導致全球多處極端強降雨過程發生，特別是在干旱的副熱帶地區，強烈暴雨過程可能誘發災難性洪水。這與以往的研究不同，副熱帶地區的研究此前更多關注濕熱地區因氣旋系統導致的暴雨，如熱帶洋面上臺風形成后北上引發的風雨過程。羅斯貝波向南的氣旋式破碎可以導致干冷空氣南侵、對流層大氣不穩定、低層氣流上升、水汽向北輸送等多重效應，這些都有利于極端降雨的發生。

通過分析還發現，羅斯貝波破碎程度越大，可以誘發的水汽輸送也越強，降雨隨之增強。德弗里斯的分析表明，在北美和地中海區域，90%的極端降雨過程可以通過羅斯貝波破碎來解釋;在沿海一帶，95%的極端降雨是通過水汽輸送帶的增強驅動的，這與以往的案例研究結果總體上保持一致。而最有價值的發現，是兩類大尺度天氣過程交匯處發生的強降雨過程。更為重要的是，在那些人們認為最為干旱少雨的地區產生的強降雨過程中，70%以上的大尺度降雨可以通過這一交互作用得到解釋。

除了從資料分析角度對極端降雨事件進行揭示，德弗里斯還對歷史上造成重大損失的12次具體案例進行了分析，發現這些極端事件都與羅斯貝波破裂結合大氣河水汽輸送有密切關聯，如1987年9月在南非的納塔爾發生的洪水，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。

研究結果還增進了我們對極端降雨事件與氣候變化相關聯的認識，發現近幾十年來，暴雨出現頻率增加、強度增強的趨勢與全球增暖有密切關聯，需要從更長時間周期的變化予以關注和研究。

本文內容來自《中國氣象報》