2024年夏季，大气河流和海洋热浪对中国东北地区强降雨影响的分析

《Frontiers in Earth Science》：Analysis of the impact of atmospheric rivers and marine heatwaves on heavy rainfall in northeastern China during the summer of 2024

2024年夏季中国东部海域海洋热浪与大气河协同作用机制及对东北暴雨影响分析，基于多源气象海洋数据与WRF+3DPWP耦合模型，揭示海洋热浪通过增强低层急流与大气不稳定性，促进大气河水汽输送强度达1451.21 kg/(m·s)，使东北部降水强度较常规增强5倍，日降水超5mm天数占比达100%，验证了MHW-AR-强降水三重耦合机制。

　　
2024年夏季中国东北地区持续性暴雨事件中，海洋热浪与大气河流的协同作用机制研究揭示了极端降水形成的关键过程。该研究基于多源气象海洋数据与数值模拟，系统解析了黄海、东海海域异常高温对大气河流水汽输送能力及垂直运动结构的调控效应，为东亚夏季风区短时极端降水预测提供了新视角。

一、研究背景与科学问题
东亚地区作为全球水循环的重要节点，其夏季暴雨既受季风系统整体控制，又存在显著的局地海陆相互作用特征。近年来观测显示，海洋热浪事件频率与强度呈显著上升趋势（Thom et al., 2023），而大气河流作为水汽输送的核心通道，其强度与路径变异直接影响降水分布。然而，现有研究多聚焦单一因素（如AR自身水汽输送能力或MHW独立影响），缺乏对两者耦合机制的系统分析。2024年8月18-22日，中国东北地区遭遇百年一遇的持续性暴雨，期间黄海、东海海域出现超5天持续异常高温（HWI>3°C），为探究海气交互作用机制提供了理想案例。

二、研究方法与技术路线
研究构建了多尺度协同分析框架：首先采用改进的PanLu2.0算法（区域双阈值法）识别大气河流，通过IVT（垂直积分水汽通量）≥500 kg/(m·s)定义核心通道，并建立与1982-2023年气候基准期的对比坐标系。其次，依据Hobday等（2016）标准定义海洋热浪（持续≥5天且SST超过90%分位数），通过OISST V2数据提取东海（21°N-33°N，118°E-130°E）与黄海（31°N-42°N，120°E-125°E）热浪指数时空分布。数值模拟采用WRF 4.3+3DPWP耦合模式，通过控制实验（CNTL）与敏感性试验（EXP）对比，量化SST异常对大气河流动力特征的强迫效应。

三、核心发现与机制解析
1. 大气河流与海洋热浪的时空耦合特征
观测显示，2024年8月20日东亚大气河流主通道沿黄海-辽东半岛向西北延伸，其最大IVT值达1451.21 kg/(m·s)，与同期黄海海域5°C异常高温区高度重合（图3、7）。热浪事件持续期达50天，显著超过近十年夏季平均持续时间（18.2天），形成持续的海陆热力通量异常。这种时空匹配性表明海洋热浪可能通过能量交换直接增强大气河流的输送能力。

2. 海洋热浪对大气河流动力结构的调控
数值模拟揭示，SST升高（较气候均值+3°C）导致：① 表层 sensible heat flux 增强达15-20 W/m2，促进下垫面蒸发；② 混合层厚度扩大（3-5m），延长海洋能量释放时间；③ 垂直混合层深度增加（从12m增至18m），使表层2米水汽通量提升40%。这种热力强迫使得低层急流（LLJ）风速增加25-30%，沿黄海-辽东半岛的AR通道水汽通量浓度提高18.6%，形成"海气同频共振"效应。

3. 极端降水形成的三重耦合机制
（1）水汽输送增强：黄海异常高温区形成稳定的水汽源，配合AR通道的强化输送，使辽东半岛近地面水汽含量增加至35-40 g/kg，较常态提高60%。
（2）大气 instability升级：海洋热浪通过热对流增强大气垂直不稳定度，CAPE值在受影响区域达3000-5000 J/kg，较正常年份提高2-3倍。
（3）动力系统重构：850hPa风场显示，SST异常区出现持续性反气旋式涡旋（图9），其环量为-8×10^6 m2/s，导致东亚季风槽前区垂直风切变增强至15m/s，形成典型的"前脱式"降水系统。

四、关键创新点
1. 首次建立"海洋热浪-大气河流-极端降水"三要素耦合分析框架，揭示黄海海域持续高温（>50天）与AR北侵路径的时序关联（滞后1-2天）
2. 开发改进的3DPWP-WRF海气耦合模型，成功模拟海洋热浪引起的表层混合层变化（误差<8%）
3. 揭示局地海洋热浪通过双重通道影响AR强度：直接通道（SST→蒸发→边界层湿度）和间接通道（SST→风场调整→急流强度）

五、应用价值与气候启示
研究证实，当海洋热浪强度超过阈值（HWI>3°C）且持续时间超过15天时，会引发大气河流通道的"水汽倍增效应"。这种效应在东亚地区表现为：AR核心区IVT值提升20-30%，对应的暴雨区域面积扩大40-50%，单日最大降水强度增加2-3倍。研究成果为新一代数值预报模式（如GFS 16km分辨率）的参数化方案改进提供了关键依据，特别是海表通量参数（FSST）和海洋热含量参数（MHC）的优化。

六、研究展望
1. 深化海气耦合机制研究：建议在WRF模式中引入基于热浪强度的动态海气耦合参数（如Taux=0.08×ΔSST）
2. 提升极端降水预测时效：需开发融合海洋热浪监测与大气河流追踪的智能预警系统
3. 扩展气候背景分析：建议将研究范围扩展至RCP8.5情景下的海气耦合模拟，评估未来30年类似极端事件的频率变化

本研究通过多尺度观测数据与高分辨率数值模拟的深度耦合，首次系统揭示海洋热浪通过增强水汽输送与大气不稳定性的双重机制，调控大气河流路径与强度，最终导致极端降水的形成过程。研究成果为提升东亚季风区暴雨预警能力提供了理论支撑，对全球变暖背景下类似极端事件的机理认知具有重要参考价值。