温带气旋、暖输送带和大气河流，新的运动学框架

大气河流是天空中一条长而窄的水汽输送带，通常与温带气旋相伴而生，这条水汽输送带够将大量的水汽从热带地区输送到中高纬度，最终会变成雨或雪降落到地面。今日，一项新的研究提出了一个新的新的运动学框架，来理解温带气旋、暖传送带气流和大气河流之间的动态机制。

温带气旋中局部能量转换和维持

当冷空气下沉、暖空气上升时，这些空气中可用势能就会转化为动能，为温带气旋的发展增强提供能量。专业上来讲，温带气旋通过斜压不稳定性增强，将将大气中的位势能转化为动能，驱动气旋的发展和锋面的形成。

为了探讨这些可用势能的分布和转换在天气尺度上的控制因素，以及温带气旋的发展如何影响可用势能的分布和转换等问题，瑞士苏黎世联邦理工学院大气与气候科学研究所等联合开展的一项研究，分析了分析1979-2021年冬季北大西洋285个强烈温带气旋数据，结合局地可用势能框架，量化了单个气块水平的可用势能转换机制。

以往的研究主要集中在全球尺度上的能量转换，而这项研究解决了全球能量循环与天气尺度环流之间的联系，通过局地可用势能框架，研究揭示了温带气旋在天气尺度上的能量转换机制，成功地将全球能量循环与天气尺度的环流联系起来，填补了全球尺度与天气尺度之间的研究空白。

研究发现，可用势能主要集中在对流层的中上层，与上层环流密切相关，尤其是在极地地区的冷空气中，温带气旋通过从这些冷空气中汲取能量来增强自己。当气旋发展时，上层大气会形成一个槽，槽的西侧冷空气下沉，消耗局地可用势能并转化为动能；而槽的东侧暖空气上升，动能又被转换为可用势能。局地可用势能主要由上层槽的垂直运动驱动，这种绝热过程“能量循”环过程是温带气旋增强的关键。

此前，很多人认为，海气之间的热量交换对气旋的发展至关重要，但这项研究发现，虽然海气相互作用确实会消耗一部分可用势能，但其影响相对较小，而大部分可用势能集中在对流层的中上层，远离海面，海气的热量交换对它的影响有限。

图：气旋的生命周期

气旋形成时，中心位于高空低压槽前方（图 10a），当气旋达到Δpmax时，低压槽已加强，气旋已越过急流轴线（图 10b），达到dmax时，气旋位于急流左侧出口，同时高空气旋罗斯贝波破碎，在气旋下游形成脊线（图 10c ）；12小时后，气旋进入衰减阶段，其特征为垂直叠加的气旋环流，无垂直倾斜。（e–h） 净 APE 趋势（阴影）和垂直积分 APE 密度分布（橙色轮廓；40、80、120  ×  10 5  J m −2）。（i–l）绝热 APE 趋势（阴影）和500 hPa 上层 QG ω （红色轮廓线； -0.1、-0.05、0.05、0.1 Pa s -1）。（m–p）绝热 APE 趋势（阴影）和 1 小时累积降水量（红色轮廓线；每 5 毫米）。请注意 APE 趋势的不同颜色标度。黑线表示图中横截面的位置。 

暖输送带对温带气旋生命周期的影响

温带气旋是中纬度地区的主要天气系统，通常伴随着锋面、降风和强降水。而暖输送带是温带气旋中的一股强大的气流，从气旋的暖区上升至高层，将湿润空气从低层输送到高层并伴随着潜热释放和降水形成，70%-80%的极端降水事件都与暖输送带有关。

暖输送带并不是一条单一的气流，它可以分为气旋分支和反气旋分支两个分支。气旋分支会靠近气旋中心上升，高度较低，对气旋的增强作用更直接；而反气旋分支会向东偏转，可以上升到更高的高度，通常在高空形成一个负位涡区，影响下游天气。

瑞士苏黎世联邦理工学院大气与气候科学研究所引导的一项研究，通过分析1980-2022年的天气数据，将暖输送带与相应的气旋生命周期关联，分析暖输送带特征和影响在气旋生命周期中的变化。

研究明确了暖输送带在气旋增强过程中的关键作用，特别是通过低层位涡的生成和潜热释放，填补了当前研究的空白。

在气旋增强期间，暖输送带的强度、上升速率、降水率达到最大，而在气旋成熟期，则呈现下降的趋势。在整个气旋生命周期中，底层位涡逐渐增加，从0.85 pvu增加到1.20 pvu，主要由于暖输送带上升过程中的潜热释放和向北移动导致的科里奥利参数增加导致，而高层位涡异常在气旋增强期间最为强烈，达到-0.78 pvu，随后逐渐减弱。

在北太平洋和北大西洋的冬季，暖输送带在气旋增强期间最为活跃，尤其是在气旋增强的中期，上升和降水活动最为强烈。随着气旋的北移，暖输送带的上升区域逐渐向北移动，低层位涡逐渐增加，而高层位涡异常逐渐减弱。

温带气旋、暖输送带和大气河的形成

近日，《Natuer》上的一项研究，通过北大西洋200个最强的温带气旋分析，结合欧拉和拉格朗日视角，揭示了温带气旋、暖输送带和大气河的形成和发展机制，提供了一个统一的框架。

分析表明，驱动温带气旋、暖传送带气流和大气河流形成和发展的潜在机制是一致的，都依赖于相同的应变和辐合场生成强锋面和锋前低空急流。他们都是更大的大气流动模式的一部分，这种运动学方法将成为连接这些现象研究的桥梁。

大气河的形成和延伸主要依赖于局地水汽通量的辐合，而非直接来自热带地区的长距离输送。大气河的水汽通量在锋前区域显著增加，在北大西洋地区，大气河的水汽通量值通常超过500 kg/m·s。虽然热带水汽的极向输送是大气河的一部分，但其维持和延伸主要依赖于局地的辐合场，局地辐合贡献了超过60%。

暖输送带和大气河是同一现象的不同视角，暖输送带强调水平和垂直的水汽输送，而大气河则强调水汽的水平输送，在温带气旋的锋前区域形成，它们的结构和演变是一致的，为整合不同研究提供了理论基础。暖输送带的上升气流与大气河的水汽输送密切相关，通常位于大气河的水汽通量高值区域下方。

温带气旋的次生气旋通常发生在主气旋的尾随锋面上，与大气河的延伸密切相关。次生气旋通常伴随着大气河水汽通量值的显著增加，呈正相关，为理解连续的气旋事件提供了新的视角。

虽然水汽通过潜热释放增强气旋的强度，例如在北大西洋地区，水汽的潜热释放可以使气旋的强度增加20%，但气旋的生成主要依赖于大尺度的上升运动和锋生过程，没有这些过程，水汽无法释放其潜热来推动气旋的生成。

这项研究通过运动学分析，整合了温带气旋、暖输送带和大气河的研究，揭示了它们的共同机制，并提供了一个统一的理解框架，为进一步研究这些天气系统提供了新的视角。

图：大气河流发展示意图以及决定其演变位置、形状和强度的流动运动学成分

a理想化的初始背景状态，具有总柱水蒸气 (TCWV) 的经向梯度 (蓝色阴影)、平均海平面气压 (灰色)、500hPa 位势高度 (黑色) 和地转风 (箭头)。b由于行星尺度槽 (黑色) 和相关急流 (虚线) 下游大规模准静止表面高压中心周围的湿空气平流，形成热带水分输出 (TME)。c由于应变流增加了水分梯度以及湿空气从亚热带地区平流，TME 演变为 AR。d由于冷锋前方湿空气汇聚，AR 细丝延伸到中纬度。e由于强烈的旋转和应变流以及降水造成的水分流失，形成中纬度 AR 螺旋，TCWV 耗尽。f由于持续的应变保持了亚热带地区 AR 细丝的强度，形成了第二个AR（形成 AR 家族）。作用于流体团块的 850hPa 气流在每个阶段分解为气流的运动学分量：平移（背景和 ETC 气流）、旋转、汇聚和应变分量。这些分量对示例流体团块的形状和位置的作用由实线和虚线方块表示。请注意，ETC 平移是指 ETC 气流对流体团块的移动。这与 ETC 的速度不同，后者与背景平移更密切相关。

❓思考题：以下哪个选项最能解释“大气河流”的形成机制？

A.大气河流是由热带风暴直接输送的水汽形成的。
B.大气河流的形成依赖于局地水汽通量的辐合和锋前的低空急流。
C.大气河流是由极地冷空气南下形成的。
D.大气河流是由太阳辐射直接加热水汽形成的。

参考文献：

Helen F. Dacre & Peter A. Clark ，A kinematic analysis of extratropical cyclones, warm conveyor belts and atmospheric rivers. npj Climate and Atmospheric Science volume 8, Article number: 97 (2025) ，doi：10.1038/s41612-025-00942-z

Marc Federer, Lukas Papritz, Michael Sprenger, and Christian M. Grams，Synoptic perspective on the conversion and maintenance of local available potential energy in extratropical cyclones. doi.org/10.5194/wcd-6-211-2025