2020年秋季我國氣候異常特征及成因分析*

楊明珠 陳麗娟，2

1 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，中國氣象局-南京大學(xué)氣候預(yù)測研究聯(lián)合實驗室，北京 100081 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

提 要： 2020年秋季,我國氣候總體呈現(xiàn)“暖濕”的特點，但是季節(jié)內(nèi)變率很大，9月降水“南多北少”、10月降水“中間多南北少”，11月降水“北多南少”。環(huán)流特征顯示，秋季歐亞中高緯度總體為“兩脊一槽”型，季節(jié)內(nèi)波動大；西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)持續(xù)偏強(qiáng)、偏大，西伸明顯，但脊線位置的季節(jié)內(nèi)變化大， 9月偏南，10月略偏北，11月明顯偏北。外強(qiáng)迫信號影響分析顯示，熱帶印度洋全區(qū)一致偏暖有利于副高持續(xù)偏強(qiáng)、偏大、偏西；而熱帶中東太平洋事件春季結(jié)束后于秋季進(jìn)入狀態(tài)的海溫演變過程，對熱帶和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)具有重要影響，有利于秋季(尤其是10月)副高偏北。9月降水“南多北少”的異常分布與南海區(qū)域?qū)α骰顒悠?、偏南?dǎo)致的副高偏南有關(guān)。研究顯示，海溫外強(qiáng)迫演變以及熱帶對流活動季內(nèi)變化的共同作用導(dǎo)致了2020年秋季降水呈現(xiàn)出季節(jié)內(nèi)變率大的特征。

引 言

秋季是東亞季風(fēng)區(qū)夏季風(fēng)環(huán)流向冬季風(fēng)環(huán)流轉(zhuǎn)變的過渡期，同時也是秋收秋種的重要階段，因此秋季的天氣氣候異常對我國糧食生產(chǎn)和人民生活安全具有重要的影響，做好秋季氣候異常的診斷分析和預(yù)測工作具有重要的應(yīng)用價值。進(jìn)入秋季，隨著東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的減弱南撤，西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)南撤速度以及中高緯度冷空氣的活躍程度，在不同的形勢配合下，易造成我國秋季的區(qū)域性降水異常。例如華西秋雨異常、江南地區(qū)秋澇秋旱等，形成僅次于夏季的旱澇災(zāi)害(諶蕓和施能，2003；齊冬梅等，2020；張顧煒等，2016)。因此加強(qiáng)秋季氣候異常的診斷，理解不同的環(huán)流配置對秋雨異常的影響具有科學(xué)意義(賈小龍等，2008；竺夏英和宋文玲，2017；支蓉等，2018；趙俊虎和王永光，2019；孫林海和王永光，2020)。

在全球變暖的背景下，我國秋季氣溫總體呈現(xiàn)偏高的趨勢，而秋季降水具有明顯的多時間尺度變化特征(王春學(xué)等，2015；Zhi et al,2020)。此外，秋季氣候不僅受到海溫等外強(qiáng)迫因子的影響(諶蕓和施能，2003；顧薇等，2012；韓晉平等，2013；Gu et al，2015)，還受到青藏高原熱源異常(陳忠明等，2001)、西太平洋暖池?zé)岷?鄭然等，2018)等因子的影響,以及中高緯度大氣環(huán)流異常(Wang and Zhou，2019)、海陸之間大氣質(zhì)量遷移和南北濤動(周游等，2016)等的作用，因此造成秋季復(fù)雜的年際、季節(jié)內(nèi)變化特征。2020年秋季，我國氣候總體呈現(xiàn)出“暖濕”的特點，大部地區(qū)氣溫接近常年或偏高，其中東北北部和西藏大部偏高1℃以上；全國平均降水量較常年同期偏多，其中東北大部、江南北部、西南地區(qū)東部等地偏多50%以上。本文從2020年秋季及季內(nèi)我國主要氣候特征出發(fā)，通過診斷分析造成氣候異常的大氣環(huán)流及外強(qiáng)迫信號，探討造成2020年秋季氣候異常的可能成因，為今后的氣候預(yù)測和服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

2 2020年秋季我國主要氣候異常特征

2020年秋季(9—11月)，全國平均氣溫(10.5℃)比常年同期(9.9℃)偏高0.6℃(圖1a)。我國大部地區(qū)氣溫接近常年或偏高，其中東北、華北南部、黃淮、江淮、江南東部、華南南部、西北地區(qū)中東部及內(nèi)蒙古東北部、西南西部和南部、西藏等地偏高0.5～2℃，黑龍江北部局地、西藏中部偏高2～4℃；而西南東部、江南西部、華南西北部及新疆中北部等地氣溫較常年偏低，其中西南東部、新疆西北部局部偏低1～2℃(圖1b)。

全國秋季平均降水量為135.1 mm，較常年同期(119.8 mm)偏多12.8%，降水異常的空間分布差異很大(圖2a)，其中內(nèi)蒙古東部、東北大部、江南北部、西南地區(qū)東部、華南西北部等地降水偏多2成至1倍，黑龍江西部和南部、吉林、遼寧北部偏多1～2倍，局部地區(qū)偏多2倍以上；而華北南部、黃淮西北部、江淮北部、西北中西部及東南部、西南地區(qū)東北部和南部、西藏大部等地偏少2～8成，新疆南部、青海西北部、西藏西部偏少8成以上。按照區(qū)域平均降水量計算，東北地區(qū)偏多118%，為1961年以來歷史同期最多。

秋季全國平均降水量異常的季節(jié)內(nèi)變化特征明顯，前期偏多，中后期偏少。9月，全國平均降水量為88.1 mm，較常年同期(65.3 mm)偏多34.9%，為1961年以來累計降水量同期最多的一年；而10月和11月，全國平均降水量分別為30.1和16.9 mm，分別較常年同期偏少16%和11%(圖略)。

秋季全國降水異常的空間分布也存在季節(jié)內(nèi)變化特征。9月降水異?？臻g分布為“南多北少”型(圖2b)，長江以南的大部分地區(qū)及東北大部降水偏多5成至2倍，部分地區(qū)偏多2倍以上，其中貴州、湖南、黑龍江、吉林累計降水量為1961年以來同期最多；而西北南部、西藏西部、黃淮大部、華北西部和北部、西南地區(qū)西南部和東北部等地偏少2成至1倍。10月的降水異常分布為“中間多，南北少”型(圖2c)，與9月相比，南方異常多雨區(qū)北移，西南地區(qū)北部、長江中下游沿江地區(qū)、華南西部等地普遍偏多5成至1倍，全國其余大部地區(qū)降水接近常年同期或偏少。11月降水異常分布為“北多南少”型(圖2d)，其中內(nèi)蒙古大部、東北南部、華北北部、西北東部、黃淮等地偏多5成以上；而華南大部、江南東南部、西南南部、西藏中部、新疆南部等地偏少8成以上。秋季內(nèi)9月降水的氣候值占秋季降水的比例最高，除江南西部地區(qū)為30%左右外，其余地區(qū)占比普遍為50%～70%(圖略)，因此9月降水異常的變化特征基本確定了秋季降水異常的特征，但是2020年季節(jié)內(nèi)降水異常的變率較大，所以秋季降水異常的空間分布呈現(xiàn)“插花式”分布，從南向北為“少—多—少—多”的空間型(圖2a)。

圖1 1961—2020年秋季全國平均氣溫歷年變化(a) 及2020年秋季平均氣溫距平分布(b)Fig.1 The autumn mean temperature of China during 1961-2020 (a) and distribution of temperature anomalies in autumn 2020 (b)

圖2 2020年秋季降水距平百分率分布圖 (a)秋季，(b)9月，(c)10月，(d)11月Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage in 2020 (a) autumn, (b) September, (c) October， (d) November

根據(jù)行標(biāo)對華西秋雨監(jiān)測的定義(全國氣候與氣候變化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2019)，2020年華西秋雨平均降水量為222.2 mm，比常年(202.8 mm)偏多9.6%。華西秋雨監(jiān)測區(qū)南區(qū)(包括湖北西部、湖南西部、重慶、四川東部、貴州北部以及陜西南部)于9月9日進(jìn)入秋雨季，與氣候值(9月9日)持平；結(jié)束日期較常年偏晚26 d；秋雨期共計78 d，較氣候值(52 d)偏長26 d；累積降水量偏多39.8%。華西秋雨北區(qū)(包括陜西南部大部、寧夏南部和甘肅南部)于10月1日進(jìn)入秋雨季，較常年(9月8日)偏晚23 d，結(jié)束日期偏晚18 d，秋雨期共計30 d，較氣候值(35 d)偏短5 d，累積降水量偏少52.7%。即2020年華西秋雨總體表現(xiàn)為雨期較氣候值偏長、秋雨量略偏多的特征，其中南區(qū)雨期偏長、秋雨偏強(qiáng)而北區(qū)雨期偏短、秋雨偏弱(表1)。

表1 2020年華西秋雨指數(shù)特征Table 1 Indices of autumn rainfall in West China of 2020

3 2020年秋季氣候異常成因分析

以上分析顯示2020年秋季，我國氣候總體呈現(xiàn)出“暖濕”的特點，秋季降水異常的空間分布呈現(xiàn)“插花式”分布，長江中游和下游、西南地區(qū)東南部以及東北地區(qū)明顯偏多，但華北南部、黃淮西北部、江淮北部以及江南西南部、華南北部降水偏少。降水量和降水異?？臻g分布的季節(jié)內(nèi)變化特征很顯著，9月全國平均降水量為1961年以來同期最多，長江以南地區(qū)和東北地區(qū)顯著偏多；而10—11月多雨帶明顯北移。下文對造成2020年秋季和季內(nèi)降水異常的大氣環(huán)流及海溫強(qiáng)迫等特征進(jìn)行分析。

3.1 大氣環(huán)流異常特征

大氣環(huán)流異常是造成我國秋季氣候異常的直接原因。從秋季平均的500 hPa高度場及距平場上可以看出(圖3a)，歐亞高緯度高度場偏強(qiáng)，歐亞中緯度為弱的“兩脊一槽”型，烏拉爾山以西為高壓脊，巴爾喀什湖以西的鄰近地區(qū)為槽區(qū)，貝加爾湖—東北亞的大部地區(qū)高度場偏高，該形勢有利于西路冷空氣活動，但是勢力總體較弱。低緯度地區(qū)高度場總體偏強(qiáng)，副高偏強(qiáng)，副高體內(nèi)有兩個中心，其中西段西伸明顯。由副高特征量的標(biāo)準(zhǔn)化序列演變(圖4)可見，2020年秋季，副高強(qiáng)度和面積均為1961年以來第二位，西伸脊點位置偏西程度為1961年以來第四位，脊線位置較常年略偏北。850 hPa距平風(fēng)場顯示(圖5a)在中南半島和南海南部地區(qū)以及菲律賓以東地區(qū)為兩個氣旋性環(huán)流距平區(qū)，前者氣旋性環(huán)流北部的偏東南風(fēng)距平，有利于引導(dǎo)副高西段外圍來自南海的水汽向西南地區(qū)東部和長江流域輸送，造成華西秋雨區(qū)的南區(qū)、長江沿線和江南地區(qū)降水偏多；后者氣旋性環(huán)流北部的偏東南風(fēng)將西北太平洋的水汽輸送至東北區(qū)域，造成我國東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東部降水顯著偏多。水汽輸送通量距平矢量(圖6a)也證實了這兩個特征。

大氣環(huán)流和水汽輸送特征均存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化。9月，北極濤動為正位相，巴爾喀什湖附近為槽區(qū)，東亞自北向南為“+-+”的EAP正位相波列(Huang，1992)，鄂霍次克海附近為高壓脊，我國河套、華北大部至江淮地區(qū)為槽區(qū)，易引導(dǎo)中西路冷空氣南下。副高面積偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，西伸脊點偏西，脊線位置(24°N)較常年偏南2個緯度。副高體斷裂為東西兩段，其中西段副高體位于長江以南區(qū)域(圖3b)。菲律賓及其周邊地區(qū)850 hPa距平風(fēng)場為顯著的反氣旋性環(huán)流(圖5b)，可引導(dǎo)來自西太平洋—南海—孟加拉灣的暖濕水汽向我國西南地區(qū)東部、華南大部、江南等地輸送，江淮地區(qū)至華北的槽區(qū)形成氣旋性環(huán)流距平，異常氣旋性環(huán)流的西側(cè)為偏西北氣流，與暖濕氣流在長江及其以南地區(qū)交匯，形成持續(xù)的降水帶(6b)。此外，9月初臺風(fēng)美莎克、海神北上到達(dá)東北地區(qū)，帶來嚴(yán)重大風(fēng)和暴雨影響，多地日降水量突破當(dāng)?shù)?月歷史極值，也造成東北地區(qū)9月降水異常偏多(王海平和許映龍，2020)。

圖3 2020年秋季500 hPa位勢高度(等高線)及距平場(填色) (a)秋季，(b)9月，(c)10月，(d)11月 (紅色等高線為氣候平均的5 880 gpm線)Fig.3 The 500 hPa geopotential height (contours) and anomalies (colored) in 2020 (a) autumn, (b) September, (c) October, (d) November (Red contours stand for the climatological 5 880 gpm contours)

圖4 秋季副高特征指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列Fig.4 Standard time series of WPSH indices in autumn of 1961-2020

10月(圖3c)，歐亞中高緯度環(huán)流有一定調(diào)整，中緯度為“兩脊一槽”型，烏拉爾山上中旬阻塞高壓活躍，貝加爾湖至我國東北上空為槽區(qū)，東北亞高度場偏強(qiáng)，東亞槽偏弱。副高強(qiáng)度偏強(qiáng)，仍然分為東西兩段，西段偏西，脊線位置(24°N)與9月基本持平，但是較10月氣候值偏北1～2個緯距，東段脊線位置偏東偏北(聶高臻和高栓柱，2021)。850 hPa距平風(fēng)場顯示在南海和中南半島地區(qū)為氣旋性距平環(huán)流。西段副高引導(dǎo)的來自南海的水汽主要輸送到西南地區(qū)東部、西北地區(qū)南部和長江流域，北方水汽條件差(圖6c)。與9月相比，10月水汽通量矢量和輻合的異常量值明顯減弱。

11月(圖3d)，歐亞中高緯位勢高度為正距平，巴爾喀什湖地區(qū)為負(fù)距平，東亞槽偏東，中高緯度的冷空氣南下強(qiáng)度減弱。副高偏強(qiáng)，西伸明顯，脊線位置(21.9°N)較常年(19.7°N)明顯偏北，為1981年來最偏北的一年。850 hPa距平風(fēng)場顯示南海地區(qū)為弱的氣旋性環(huán)流距平，其北部為偏東風(fēng)距平(圖5d)，偏強(qiáng)偏北的副高將西北太平洋和南海豐沛的水汽引導(dǎo)到長江以北的地區(qū)(圖6d)，配合4次冷空氣活動過程，造成了11月降水“北多南少”的空間分布。

圖5 2020年秋季850 hPa距平風(fēng)場分布(箭矢，單位：m·s-1) (a)秋季，(b)9月，(c)10月，(d)11月Fig.5 The 850 hPa wind anomaly fields (arrows, unit: m·s-1) in 2020 (a) autumn, (b) September, (c) October, (d) November

圖6 2020年整層積分水汽輸送通量距平(箭矢，單位：kg·s-1·m-1)及 水汽輸送通量散度距平場(填色,單位：10-5 kg·s-1·m-2) (a)秋季，(b)9月，(c)10月，(d)11月Fig.6 Anomalies of moisture flux (arrows, unit: kg·s-1·m-1) and divergence (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2) integrated from 1 000 hPa to 300 hPa in 2020 (a) autumn, (b) September, (c) October, (d) November

3.2 海溫異常及演變的可能影響

圖事件春季結(jié)束、夏秋季進(jìn)入 狀態(tài)的相似年 海溫指數(shù)逐月序列(單位：℃)Fig.7 Monthly index series (unit: ℃) of the similar SSTA evolution years of El event ending in spring and La state starting in summer and autumn

圖8 相似年秋季500 hPa位勢高度(等高線)及距平場(填色)合成 (a)秋季，(b)9月，(c)10月，(d)11月 (黑點為通過0.05顯著性水平檢驗區(qū)域，單位：gpm)Fig.8 Composite distribution of 500 hPa geopotential height (contours) and anomalies (colored) for similar years based on SSTA evolution (a) autumn, (b) September, (c) October, (d) November (Black dots denote the grid having passed the significance test at the 0.05 level, unit: gpm)

對比2020年和海溫相似年的秋季和各月的500 hPa位勢高度場實況(圖3和圖8)，可見2020年10月環(huán)流與相似年特征最接近，9月差異最大，11月次之。尤其是2020年9月東亞自北向南為“+-+”的EAP正位相波列，我國河套、華北大部至江淮地區(qū)為槽區(qū)，與相似年合成有很大差異。對2020年和相似年副高脊線統(tǒng)計顯示(表2)，秋季副高偏北的年份居多，占5/8。其中9月副高脊線趨勢性不明顯，2000年以前偏南為主，之后偏北為主；10月副高一致偏北；11月副高偏南居多(5/8)。而2020年副高9月偏南、10月偏北、11月偏北，說明副高特征對海洋狀態(tài)的響應(yīng)在10月最顯著，而在9月和11月可能還受到其他因子的影響。

進(jìn)一步分析海溫演變相似年850 hPa距平風(fēng)場合成，秋季(圖9a)在南海上空為氣旋性異常環(huán)流，其東側(cè)的偏南氣流與副高西側(cè)的偏南氣流匯合，向我國南方地區(qū)輸送豐沛的水汽，有利于我國長江以南降水偏多而華北南部和黃淮地區(qū)降水偏少(圖10a)。9月(圖9b)，菲律賓地區(qū)為反氣旋性異常環(huán)流，赤道地區(qū)偏東風(fēng)異常延伸至中南半島，副高引導(dǎo)的南海和西太平洋水汽輸送到我國南方，有利于南方降水偏多(圖10b)。10月(圖9c)，赤道西太平洋仍維持異常偏東風(fēng)，但是僅延伸到菲律賓東部，此時在南海海域有明顯氣旋性異常環(huán)流，來自南海北部偏南氣流和來自西北太平洋的東南氣流匯合加強(qiáng)后向我國長江以北輸送，并向西影響到我國西南地區(qū)和西北南部區(qū)域，我國北方地區(qū)和西部地區(qū)降水容易偏多(圖10c)。進(jìn)入11月(圖9d)，在南海至孟加拉灣仍存在氣旋性異常環(huán)流，菲律賓以東為反氣旋性環(huán)流異常，熱帶東風(fēng)南撤明顯，副高減弱東退并南落，北方中高緯度系統(tǒng)開始活躍，來自海洋的水汽很難向我國輸送，對應(yīng)著我國大部區(qū)域降水減少(圖10d)。

表2 相似年秋季及9月、10月、11月副高脊線 南北位置距平值(單位：℃)Table 2 Anomalies of SHWNP ridge point index for similar years in autumn, September, October and November (unit: ℃)

圖9 同圖5，但為相似年秋季850 hPa距平風(fēng)場合成(單位：m·s-1)Fig.9 Same as Fig.5, but for composite of 850 hPa anomaly wind fields for similar years

2020年秋季和10月的距平風(fēng)場(圖5)與海溫相似年合成(圖9a)一致，差異最大的是9月，其次是11月。2020年9月(圖5b)，菲律賓反氣旋性環(huán)流異常偏強(qiáng)西伸至南海和中南半島，而相似年合成的反氣旋性環(huán)流西端在菲律賓地區(qū)。2020年11月(圖5d)，菲律賓反氣旋性環(huán)流與相似年合成相比已比較松散，但是南海北部的偏東風(fēng)特征是一致的。監(jiān)測顯示2020年熱帶印度洋海溫一致偏暖模態(tài)持續(xù)，有利于菲律賓反氣旋特征從夏季到初秋的維持和加強(qiáng)。

3.3 西太平洋熱帶對流活動的可能影響

第3.2節(jié)分析顯示2020年9月和海溫相似年的9月差異較大，除了海溫異常的影響外，還有熱帶對流的季節(jié)內(nèi)變化活動的可能影響。對外長波輻射距平分布顯示，9月(圖11a)，對流活躍區(qū)主要在海洋>性大陸地區(qū)，南海區(qū)域的對流活動非常弱；10月(圖11b)南海地區(qū)的對流活動增強(qiáng)、強(qiáng)對流區(qū)范圍擴(kuò)大到中南半島以及菲律賓以東地區(qū)；11月(圖11c)，南海大部以及菲律賓北部地區(qū)對流仍然較強(qiáng)。9月南海和西太平洋熱帶對流偏弱，強(qiáng)對流位置異常偏南，導(dǎo)致副高偏南(黃榮輝和李維京，1988；Huang and Lu，1989)。秋季是臺風(fēng)頻發(fā)的季節(jié)，并對我國東部地區(qū)氣候造成影響(Yao et al，2020)，但9月，偏弱的熱帶對流不利于臺風(fēng)的形成，生成臺風(fēng)4個，較常年偏少(王海平和許映龍，2020)，且臺風(fēng)生成位置偏北偏東，對副高的影響弱。而10月和11月，隨著南海、菲律賓地區(qū)地區(qū)對流的大范圍增強(qiáng)，也有利于副高向北推進(jìn)。

圖10 相似年秋季降水距平正距平頻次合成分布 (a)秋季，(b)9月，(c)10，(d)11月Fig.10 Frequency composite of precipitation positive anomalies in China for similar years (a) autumn, (b) September, (c) October, (d) November

圖11 2020年(a)9月，(b)10月，(c)11月長波輻射(OLR)距平Fig.11 Outgoing longwave radiation (OLR) anomalies in 2020 (a) September, (b) October, (c) November

4 結(jié)論與討論

本文是對2020年秋季氣候異常的初步分析，季內(nèi)氣候變率大是主要特征，主要結(jié)論有：

(1)2020年秋季，全國平均氣溫為10.5℃，比常年同期偏高0.6℃，青藏高原和東北地區(qū)顯著偏高；全國平均降水量為135.1 mm，較常年同期偏多12.7%，降水空間分布非常不均勻，長江及以南區(qū)域、西南東部地區(qū)以及東北大部和內(nèi)蒙古東北部降水顯著偏多，而華北南部至江淮北部、西藏大部明顯偏少。華西秋雨區(qū)南區(qū)雨季持續(xù)時間長、秋季雨量偏多，北區(qū)雨季持續(xù)時間短、秋季雨量偏少；我國東部地區(qū)南北方降水出現(xiàn)明顯的季節(jié)內(nèi)變化，9月“南多北少”，10月“南北多，中間少”，11月“北多南少”。

(2)大氣環(huán)流異常特征是造成2020年秋季我國氣候異常的直接原因。秋季副高偏強(qiáng)偏大，西伸明顯，但南北位置出現(xiàn)季節(jié)內(nèi)變化。9月副高脊線明顯偏南，10—11月脊線偏北。秋季歐亞中高緯度以“兩脊一槽”為主要特征，同樣具有明顯的季內(nèi)變化特征。9月偏強(qiáng)、偏南的副高引導(dǎo)南海豐沛的水汽北上，與南下的冷空氣交匯在南方地區(qū)，造成長江以南地區(qū)降水異常偏多；10—11月，隨著副高脊線偏北，水汽輸送北移，造成我國北方降水偏多。

(4)2020年9月降水呈“南多北少”的異常分布，低緯度地區(qū)的主要環(huán)流特征與海溫演變相似年類似，所不同的是副高更加偏強(qiáng)西伸，菲律賓反氣旋異常偏強(qiáng)，東亞為“+-+”EAP型，造成我國南方降水顯著偏多。此外，9月南海區(qū)域熱帶對流活動偏弱，易導(dǎo)致副高偏南，有利于多雨區(qū)出現(xiàn)在南方。