2020/2021年冬季中國(guó)氣候冷暖轉(zhuǎn)折成因分析*

韓榮青 石 柳 袁 媛

國(guó)家氣候中心，中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

提 要： 2020/2021年冬季，我國(guó)氣候“前冬冷干、后冬暖濕”特征明顯，冷、暖兩個(gè)階段氣溫振幅極大，多地觀測(cè)氣溫分別打破了建站以來(lái)的最低、最高紀(jì)錄。前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)，全國(guó)大部地區(qū)氣溫偏低、降水偏少，而后冬(2021年1月13日至2月28日)，全國(guó)大部地區(qū)轉(zhuǎn)入明顯偏暖期，且2月上旬開(kāi)始我國(guó)北方地區(qū)降水增多，暖濕特征明顯。分析發(fā)現(xiàn)，烏拉爾山阻塞高壓、西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度、極地冷空氣主體位置以及西北太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度和位置等均發(fā)生了轉(zhuǎn)折性變化，這是導(dǎo)致我國(guó)冬季氣候由冷干轉(zhuǎn)為暖濕的直接原因。進(jìn)一步分析表明：事件配合北極冰偏少和北大西洋中緯度暖流，符合啟動(dòng)前冬“暖北極、冷歐亞”效應(yīng)的條件，導(dǎo)致前冬歐亞中高緯經(jīng)向環(huán)流偏強(qiáng)、烏拉爾山阻塞高壓發(fā)展、及西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，致使我國(guó)出現(xiàn)干冷型氣候；而后冬，北極平流層發(fā)生爆發(fā)性增溫事件，導(dǎo)致北極濤動(dòng)持續(xù)負(fù)位相，極渦主體偏向西半球，但同時(shí)烏拉爾山阻塞高壓崩潰，東亞冬季風(fēng)轉(zhuǎn)弱，我國(guó)大范圍回暖增溫。

引 言

西伯利亞高壓強(qiáng)度、烏拉爾山阻塞高壓(以下簡(jiǎn)稱阻高)、東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度，分別從海平面氣壓、對(duì)流層中層高度場(chǎng)、對(duì)流層中層風(fēng)場(chǎng)切變角度，對(duì)歐亞大陸冬季中高緯冷空氣系統(tǒng)南下勢(shì)力進(jìn)行了描述，對(duì)中國(guó)冬季氣候冷暖有很好的指示意義(朱乾根，1990；Wen et al,2000;朱艷峰，2008；黃榮輝等，2014)。東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)年，對(duì)流層中低層烏拉爾山阻高和西伯利亞近地面高壓偏強(qiáng)，高壓脊前偏北氣流有利于引導(dǎo)中高緯度冷空氣南下，導(dǎo)致我國(guó)中東部大部分地區(qū)氣溫偏低，易發(fā)生強(qiáng)降溫、強(qiáng)降雪、寒潮及冰凍雨雪等天氣氣候?yàn)?zāi)害(郭其蘊(yùn)，1994；Zhang et al,1997；陳文等，2013a；丁一匯等，2008)。而在東亞冬季風(fēng)異常偏弱年，烏拉爾山阻高和西伯利亞高壓均偏弱，冷空氣被低壓系統(tǒng)“囚禁”在中高緯度不能南下，我國(guó)易出現(xiàn)暖冬(丁婷等，2017)。

東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的年際變化也受到中高緯度氣候異常的影響。秋季北極海冰融化的多少對(duì)東亞冬季風(fēng)有重要影響，尤其是秋、冬季喀拉海至巴倫支海海區(qū)海冰(BKS)面積變化與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度存在密切的關(guān)系(武炳義等，1999)。但是，2000年以來(lái)秋季北極海冰持續(xù)偏少，其對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響存在一定的不確定性。進(jìn)一步研究表明，秋、冬季BKS異常偏少，配合前期夏季北極大氣環(huán)流厚度偶極模態(tài)負(fù)位相時(shí)，易導(dǎo)致冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)，而在偶極模態(tài)正位相時(shí)，冬季西伯利亞高壓則偏弱(Wu et al,2016；武炳義，2018)。另一方面，北大西洋暖流(在中低緯度稱為墨西哥灣暖流)是全球已知流速最快、最強(qiáng)的暖洋流，也是最主要的向北極輸送熱量的洋流。近幾年冬季曾觀測(cè)到北極氣溫在一天內(nèi)升溫30℃以上，例如2015年12月30日，北極氣溫在一夜之間從-35℃上升到1℃。許多研究表明，秋、冬季北大西洋暖流偏強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致北極海冰偏少。前冬北大西洋中緯度暖海溫異常會(huì)激發(fā)北大西洋東部低壓、俄羅斯西部高壓(烏拉爾山阻高)的大氣長(zhǎng)波，導(dǎo)致北極出現(xiàn)暖高壓，并與南側(cè)烏拉爾山阻高連成一體，形成異常偏強(qiáng)、位置偏北的高壓，其脊前偏北氣流將極地冷空氣直接輸送到歐亞中緯度，最終導(dǎo)致暖北極冷歐亞效應(yīng)(李崇銀和顧薇，2010；Sato et al,2014;Luo et al,2016a；2016b；Chen et al,2019)，這期間，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)指數(shù)均表現(xiàn)出偏強(qiáng)的特征。這些研究更加強(qiáng)調(diào)了北大西洋暖流對(duì)東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)的重要作用，而北極海冰偏少起到了放大暖北極冷歐亞的效應(yīng)。北大西洋暖流偏強(qiáng)時(shí)，在北大西洋中緯度表現(xiàn)出異常偏暖的海表溫度，其異常暖海溫可以從前期盛夏持續(xù)到隨后的冬季(Chen et al,2019)。

2020/2021年冬季，我國(guó)氣溫總體偏高，但屬于前冬冷、后冬暖的冷暖轉(zhuǎn)折年份，冷、暖階段氣溫振幅極大，多地區(qū)氣溫打破了建站以來(lái)最低和最高紀(jì)錄；全國(guó)降水總體偏少，呈現(xiàn)北方偏多、南方偏少的特點(diǎn)，北方降水主要發(fā)生在后冬轉(zhuǎn)暖時(shí)期，因此2020/2021年冬季氣候特點(diǎn)可以概括為“前冬冷干、后冬暖濕”。我國(guó)氣候?yàn)槭裁闯尸F(xiàn)如此“冷干”與“暖濕”兩個(gè)極端異常？哪些機(jī)制或因素起到主導(dǎo)作用？外強(qiáng)迫(海溫、海冰等)和大氣環(huán)流影響系統(tǒng)如何配置導(dǎo)致我國(guó)“前冬冷干、后冬暖濕”氣候？本文將針對(duì)以上問(wèn)題展開(kāi)分析，并試圖揭示我國(guó)前后冬氣候“冷干”轉(zhuǎn)向“暖濕”的可能原因，為今后的氣候預(yù)測(cè)服務(wù)工作提供參考。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有：

(1)國(guó)家氣象信息中心整編的“中國(guó)地面基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(v3.0)”的逐日氣溫和降水觀測(cè)資料，包含了中國(guó)2 474個(gè)基本、基準(zhǔn)和一般氣象站1951年1月以來(lái)的氣溫、降水的日值數(shù)據(jù)，并在逐日數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算得到逐月和季節(jié)平均的數(shù)據(jù)；(2)大氣環(huán)流資料為NCEP/NCAR提供的逐日、逐月再分析資料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率為2.5°×2.5°；(3)海溫觀測(cè)資料為NOAA提供的全球逐月海溫資料OISST v2(Reynolds et al，2007)，水平分辨率為1°×1°；大氣環(huán)流和海溫資料長(zhǎng)度均為1948年1月至2020年2月；(4)北極海冰資料為美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的北極海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)(Parkinson,2014)；(5)北極濤動(dòng)(AO)逐月和逐日標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)來(lái)自美國(guó)CPC/NCEP(https:∥www.cpc.ncep.noaa.gov/)。

文中部分圖形出自國(guó)家氣候中心開(kāi)發(fā)的“氣象災(zāi)害影響評(píng)估系統(tǒng)”“氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”。氣候常年值為1981—2010年的平均值，冬季指的是當(dāng)年12月至次年2月，例如2020/2021年冬季為2020年12月至2021年2月。

2 2020/2021年冬季我國(guó)氣候異常特征

2020/2021年冬季，全國(guó)平均氣溫為-2.5℃，較常年同期(-3.35℃)偏高0.9℃，為1961年以來(lái)第九高值(圖1a)。從氣溫距平空間分布(圖1b)可以看出，除東北部分地區(qū)、內(nèi)蒙古東北部、新疆北部、西南地區(qū)東南部局部、海南等地氣溫較常年同期偏低0.5～2℃外，全國(guó)其余大部地區(qū)的氣溫接近常年同期或偏高，尤其我國(guó)中東部大部和西南地區(qū)大部氣溫偏高1℃以上。

根據(jù)國(guó)家氣候中心冷空氣監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(王遵婭等，2017)，2020/2021年冬季共有9次冷空氣過(guò)程影響我國(guó)，冷空氣累積日數(shù)為30 d(表1)，次數(shù)接近常年同期(10.7次)。其中，一般性冷空氣過(guò)程1次，強(qiáng)冷空氣過(guò)程3次，全國(guó)型強(qiáng)冷空氣過(guò)程和寒潮合計(jì)5次。2021年1月6—8日的全國(guó)型寒潮過(guò)程，影響范圍大，低溫極端性強(qiáng)，北京、河北、山東、山西等省(直轄市)50余個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站的最低氣溫達(dá)到或突破建站以來(lái)最低紀(jì)錄，其中北京大部分地區(qū)最低氣溫在-24～-18℃，南郊觀象臺(tái)達(dá)-19.6℃，為1951年以來(lái)第三低。

2020/2021年冬季，氣溫起伏大，前冬異常偏冷，后冬異常偏暖。冬季我國(guó)逐月氣溫距平圖表明，12月，除東北北部、西藏、西南地區(qū)西部和南部及東南沿海部分地區(qū)偏暖外，全國(guó)其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低，其中內(nèi)蒙古中西部、新疆北部和貴州等地氣溫偏低2～4℃，局部偏低4～8℃(圖2a)；1月，西藏、西南地區(qū)西部、中東部大部偏暖，而內(nèi)蒙古東部、東北大部、新疆北部、西北地區(qū)中部、西南東部和華南沿海氣溫偏低(圖2b)；2月，除東北北部、內(nèi)蒙古東北部局部氣溫偏低外，全國(guó)其余大部地區(qū)氣溫明顯偏高(圖2c)。2月全國(guó)平均氣溫為1.23℃，較常年同期(-1.7℃)偏高2.93℃，位列1951年以來(lái)歷史同期第一高。期間，全國(guó)超過(guò)25%的市(縣)日最高氣溫突破2月歷史極值，主要出現(xiàn)在華北、黃淮、江淮、江漢和西北地區(qū)東部。

圖1 1960/1961—2020/2021年冬季全國(guó) 平均氣溫歷年變化(a)及2020/2021年 冬季全國(guó)氣溫距平分布(b)Fig.1 Time series of winter mean temperature over China during 1960/1961-2020/2021 (a) and distribution of temperature anomalies in China in winter 2020/2021 (b)

從全國(guó)平均氣溫的逐日演變也可以看出，2020/2021年冬季全國(guó)平均氣溫的階段性變化顯著。2020年12月1日至2021年1月10日，全國(guó)總體偏冷，偏冷時(shí)段累計(jì)41 d，其中2021年1月6—8日達(dá)到冬季氣溫最低階段，最低日平均氣溫距平達(dá)到-4.4℃；但1月12日以后全國(guó)迅速回暖，累計(jì)偏暖時(shí)段為48 d，其中2月下旬達(dá)到偏暖最高階段，最高日均氣溫距平達(dá)到5.6℃(圖2d)。由此可見(jiàn)，偏冷期和偏暖期日平均氣溫變化均具有很大振幅，冷、暖極端性特征都很明顯。

圖3是2020/2021年冬季偏冷時(shí)段(2020年12月1日至2021年1月10日)和偏暖時(shí)段(2021年1月13日至2月28日)平均的氣溫距平空間分布(未包括的2021年1月11—12日是我國(guó)冷暖氣候轉(zhuǎn)折的過(guò)渡期，因此沒(méi)有分在偏冷和偏暖時(shí)段內(nèi))。偏冷時(shí)段，除東北北部、西藏、西南地區(qū)西部氣溫偏高外，全國(guó)其余大部地區(qū)氣溫偏低，其中西北地區(qū)大部、內(nèi)蒙古中部和西部、華北北部和西部、西南地區(qū)東部等地氣溫偏低2～4℃，局部偏低4～8℃(圖3a)；偏暖時(shí)段，除東北北部、內(nèi)蒙古東北部局部、西南部分地區(qū)氣溫接近常年到偏低外，全國(guó)其余大部均偏暖，其中內(nèi)蒙古西部、華北西部、黃淮、江淮、江南中部和東部、華南北部氣溫偏高4～6℃(圖3b)。

表1 2020/2021年冬季冷空氣過(guò)程Table 1 Cold air events in China in winter 2020/2021

2020年冬季，全國(guó)平均降水量為31.2 mm，較常年同期(41.9 mm)偏少25.5%，自2009年以來(lái)最少(圖4a)。從空間分布來(lái)看，內(nèi)蒙古東部、東北大部、華北中南部、黃淮、江漢、西北地區(qū)東部部分地區(qū)、新疆北部和西部局部、西南地區(qū)東部等地降水較常年同期偏多，其中華北南部、黃淮、西北東部局地等地偏多1倍以上；全國(guó)其余大部地區(qū)降水較常年同期偏少2～5成，其中新疆東部、青海南部、西藏東部和西南部、云南大部，以及江南東部和華南東部的部分地區(qū)偏少5成以上(圖4b)。

圖2 2020年12月(a)、2021年1月(b)和2月(c)全國(guó)氣溫距平分布，及(d)2020/2021年 冬季全國(guó)平均氣溫、全國(guó)平均氣溫距平和全國(guó)平均氣溫常年值的逐日變化Fig.2 Distribution of temperature anomalies of China in December 2020 (a), January 2021 (b), February 2021 (c); and daily variation of mean temperature and its anomalies in China during winter 2020/2021, and the climate mean (d)

圖3 2020/2021年冬季偏冷期(a，2020年12月1日至2021年1月10日)和 偏暖期(b，2021年1月13日至2月28日)全國(guó)氣溫距平空間分布Fig.3 Spatial distribution of temperature anomalies seperately during colder (a, 1 December 2020 to 10 January 2021) and warmer (b, 13 January to 28 February 2021) periods in China in winter 2020/2021

冬季降水呈前期偏少后期偏多的特點(diǎn)。與常年同期相比，2020年12月，除西北地區(qū)中東部、西南北部部分地區(qū)降水偏多外，全國(guó)其余大部地區(qū)降水偏少(圖5a)；2021年1月，降水異常偏多的區(qū)域主要在我國(guó)東北地區(qū)，內(nèi)蒙古東部和西南地區(qū)北部部分地區(qū)，其余大部地區(qū)降水明顯偏少，其中內(nèi)蒙古東北部、東北大部偏多1倍以上(圖5b)；2021年2月，降水偏多范圍較前期明顯增大，東北大部、內(nèi)蒙古中東部、華北大部、黃淮、江漢、西北地區(qū)東部、新疆北部和西部、西南地區(qū)東部和南部、江南西部和華南西部等地降水偏多，其中華北中南部、黃淮大部、西北地區(qū)東部部分地區(qū)和西南東南部等地偏多2倍以上，我國(guó)其余地區(qū)降水偏少2～5成，部分地區(qū)偏少5成以上(圖5c)。從全國(guó)平均降水的逐日變化來(lái)看，截止2021年2月7日，2020年12月和2021年1月全國(guó)降水總體處于偏少階段，2021年2月8日以后主要發(fā)生兩次強(qiáng)降水過(guò)程，分別是2月8—12日和25—28日，降水較常年同期偏多(圖5d)。

圖4 同圖1，但為降水量距平百分率Fig.4 Same asFig.1, but for precipitation anomaly percentage

3 2020/2021年冬季北半球大氣環(huán)流異常特征

3.1 北半球大尺度環(huán)流

鑒于2020/2021年冬季我國(guó)氣候呈“前冬冷干、后冬暖濕”的特點(diǎn)，下面將針對(duì)前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)和后冬(2021年1月13日至2月28日)兩個(gè)時(shí)段的環(huán)流異常進(jìn)行分析。

前冬時(shí)段平均的北半球500 hPa高度及其距平場(chǎng)顯示(圖6a)，中高緯度烏拉爾山阻高偏強(qiáng)，其與巴倫支海至喀拉海的高壓連通，西伯利亞至遠(yuǎn)東地區(qū)為低壓槽區(qū)，極地冷氣團(tuán)(高度負(fù)距平區(qū)域)主體偏在東半球，低緯度地區(qū)西太副高面積偏大、西伸脊點(diǎn)偏西，印緬槽偏弱。同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平上(圖6c)，北極巴倫支海至喀拉海一帶的北風(fēng)距平南下直通中國(guó)大陸深處，中國(guó)南海至菲律賓附近的異常氣旋加強(qiáng)了北風(fēng)距平在中國(guó)南方的盛行，這種環(huán)流形勢(shì)有利于偏強(qiáng)的烏拉爾山阻高將極地冷空氣直接輸送到中國(guó)大陸，從而導(dǎo)致大陸東側(cè)為北風(fēng)異常，同時(shí)強(qiáng)大的西太副高主體位于菲律賓以東，其外圍水汽吹向日本以東海域，從而造成了前冬我國(guó)干冷型氣候。

圖5 同圖2，但為降水量距平百分率Fig.5 Same asFig.2, but for precipitation anomaly percentage

圖6 2020年冬季偏冷期(a，c)和偏暖期(b，d)平均500 hPa高度場(chǎng)(等高線，單位：gpm)和 距平場(chǎng)(填色)(a，b；紅色等值線表示5 880 gpm，藍(lán)色線表示氣候平均的5 880 gpm) 及850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(c，d)Fig.6 The 500 hPa geopotential height (contour， unit: gpm) and anomalies (colored) (a, b; red and blue contours denote separately the real time and climatology of 5 880 gpm geopotential height) and 850 hPa wind anomalies (c, d) during the colder (a, c) and warmer (b, d) periods, in winter 2020/2021

在后冬時(shí)段，影響我國(guó)的大氣環(huán)流出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。北半球500 hPa高度及其距平場(chǎng)顯示(圖6b)，烏拉爾山為高度場(chǎng)負(fù)距平，極地冷空氣缺乏高壓脊前偏北氣流的動(dòng)力輸送而不能到達(dá)較低緯度，極地冷氣團(tuán)部分偏在西半球，西太副高較前期明顯面積縮小、西伸脊點(diǎn)東移。同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平場(chǎng)上(圖6d)，歐亞中高緯度至我國(guó)北方東部地區(qū)盛行南風(fēng)異常，中國(guó)南海至菲律賓依然為異常氣旋環(huán)流，大陸東部沿海和近海為東風(fēng)(向岸風(fēng))異常，這種環(huán)流異常形勢(shì)得影響我國(guó)的冷空氣勢(shì)力偏弱，同時(shí)輸送到東北和華北地區(qū)的水汽充沛，從而造成了后冬我國(guó)暖濕型氣候。

值得注意的是，2021年1月5日開(kāi)始北極地區(qū)平流層經(jīng)歷了一次偏移型(Charlton and Polvani, 2007)爆發(fā)性增溫過(guò)程，而研究發(fā)現(xiàn)北半球平流層爆發(fā)性增溫平均每10年發(fā)生約6次(Kidston et al,2015)。2021年1月中旬開(kāi)始，平流層爆發(fā)性增溫信號(hào)下傳至對(duì)流層，并導(dǎo)致AO持續(xù)負(fù)位相。對(duì)流層極渦主體偏向西半球，導(dǎo)致北美大部遭受極寒天氣；而極渦的另一部分偏在西西伯利亞，導(dǎo)致烏拉爾山阻高崩潰(圖6b)，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度由此轉(zhuǎn)弱，我國(guó)轉(zhuǎn)為緯向型環(huán)流和高壓脊控制，大部地區(qū)氣溫迅速回升，且轉(zhuǎn)為異常偏高。這次北半球環(huán)流形勢(shì)和東西半球氣溫的轉(zhuǎn)折與Kidston et al(2015)描述的研究結(jié)果一致，針對(duì)此次平流層爆發(fā)性增溫詳細(xì)的過(guò)程分析和氣候影響將另文分析。

3.2 東亞冬季風(fēng)活動(dòng)特征及影響

2004年冬季以來(lái)，東亞冬季風(fēng)(朱艷峰，2008)和西伯利亞高壓均開(kāi)始轉(zhuǎn)強(qiáng)(Wang and Chen, 2014)。在2020/2021年冬季，西伯利亞高壓標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)為-0.03，接近常年同期。但是，不同東亞冬季風(fēng)指數(shù)表達(dá)的冬季風(fēng)強(qiáng)度不同，朱艷峰(2008)用對(duì)流層中層緯向風(fēng)切變表示的東亞冬季風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)為-0.53(圖7中東亞冬季風(fēng)指數(shù)-Zhu)，較常年同期偏弱；而Wen et al(2000)使用對(duì)流層低層?xùn)|亞?wèn)|部經(jīng)向風(fēng)表示的東亞冬季風(fēng)指數(shù)為1.88(圖7中東亞冬季風(fēng)指數(shù)-Chen)，較常年異常偏強(qiáng)。

圖7 1960/1961—2020/2021年冬季東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度(Zhu指數(shù):折線，Chen指數(shù):白色柱狀) 和西伯利亞高壓強(qiáng)度(黑色柱狀)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)歷年變化Fig.7 Variation of standardized East Asian winter monsoon index (curve: Zhu index; white bar: Chen index) and Siberian high intensity index (black bar graph) during winter 1960/1961-2020/2021

2020/2021年冬季東亞冬季風(fēng)逐候變化很好地說(shuō)明了前后冬我國(guó)氣溫的轉(zhuǎn)折變化(圖8)。東亞冬季風(fēng)指數(shù)(Zhu指數(shù)，圖8a；逐候Chen指數(shù)有類似變化，圖略)和西伯利亞高壓(圖8b)逐候?qū)崨r監(jiān)測(cè)可見(jiàn)，兩者總體均在前冬強(qiáng)于氣候平均，在1月第3候開(kāi)始總體較常年平均偏弱，與冬季氣溫的轉(zhuǎn)折變化一致。

除了東亞冬季風(fēng)異常以外，AO的異常表明極地冷空南下氣活動(dòng)的強(qiáng)度，當(dāng)AO為正位相時(shí)，極地冷空氣主要在北極地區(qū)活動(dòng)，歐亞大陸偏暖為主，當(dāng)AO為負(fù)位相時(shí)，極地冷空氣易分裂南下，對(duì)北半球中低緯度地區(qū)影響較大(陳文和康麗華，2006；陳文等，2013a；2013b)。2020/2021年冬季AO標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)為-1.5，為1960/1961年冬季以來(lái)歷史第七低值，也是近10年的最低值，即AO表現(xiàn)為異常偏強(qiáng)的負(fù)位相(圖9)。AO逐日變化表明，冬季大部分時(shí)段，AO都處于負(fù)位相，僅在2月中旬以后轉(zhuǎn)為正位相(圖10)，AO在冬季累計(jì)負(fù)位相時(shí)間長(zhǎng)達(dá)75 d，歷史少見(jiàn)。

圖8 2020/2021年冬季東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù) (a，Zhu指數(shù))和西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)(b)逐候演變 (方框柱狀：氣候態(tài)，黑色柱狀：實(shí)況)Fig.8 Pentad variation of East Asian winter monsoon intensity index (a, Zhu index) and Siberian high intensity index (b) in winter 2020/2021 (box histogram: climatology， black histogram: observation)

圖9 1960/1961—2020/2021年 冬季AO標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)歷年變化Fig.9 Annual variation of standardized AO index in winter 1960/1961-2020/2021

圖10 2020/2021年冬季AO指數(shù)逐日演變Fig.10 Daily variation of standardized AO index in winter 2020/2021

4 2020/2021年冬季前期東亞冬季風(fēng)異常偏強(qiáng)的可能原因

4.1 中等強(qiáng)度的事件

4.2 秋季北極海冰異常偏少

另一方面，已有研究表明，9月北極海冰偏少有利于冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)，兩者相關(guān)系數(shù)低于-0.45，可通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)(Wu and Wang,2002;Wu et al,2011)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，9月海冰偏少對(duì)冬季西伯利亞高壓的影響還依賴于前期夏季北極地區(qū)的大氣環(huán)流型，即夏季北極偶極子風(fēng)場(chǎng)模態(tài)(Arctic dipole wind pattern,即AD模態(tài))。如果9月北極海冰偏少，同時(shí)夏季北極地區(qū)表現(xiàn)出顯著的AD模態(tài)負(fù)位相(即北極上空低層風(fēng)場(chǎng)為反氣旋異常，海平面氣壓正距平，而巴倫支?！８浇鼮闅庑惓?，海平面氣壓負(fù)距平)，那么冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)的概率更高(Wu et al,2016)。2020年夏季監(jiān)測(cè)顯示，北極地區(qū)大氣環(huán)流表現(xiàn)出典型的AD負(fù)位相(圖13b)，其模態(tài)指數(shù)也達(dá)到歷史最低值。因此，2020年秋季北極海冰異常偏少疊加前期夏季典型AD負(fù)位相是導(dǎo)致2020/2021年冬季前期西伯利亞高壓持續(xù)偏強(qiáng)的重要原因。

圖11 2020/2021年冬季全球海溫距平場(chǎng)Fig.11 Distribution of sea surface temperature (SST) anomalies in winter 2020/2021

圖12 2018年1月至2021年3月指數(shù)和南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)逐月演變Fig.12 Monthly variation of index and standardized Southern Oscillation index (SOI) from January 2018 to March 2021

盡管ENSO事件、北大西洋暖流、北極冰偏少這些外強(qiáng)迫因子的相互作用過(guò)程目前還沒(méi)有完全研究清楚，但它們的協(xié)同作用對(duì)2020/2021年前冬東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)的重要影響是毋庸置疑的。

5 結(jié)論與討論

利用多種觀測(cè)和再分析資料，本文詳細(xì)分析了2020/2021年冬季我國(guó)主要?dú)夂蛱卣?、大尺度大氣環(huán)流異常、東亞冬季風(fēng)活動(dòng)特征及可能的外強(qiáng)迫因子，得到以下結(jié)論：

(1)2020/2021年冬季，全國(guó)平均氣溫為-2.5℃，較常年同期偏高0.9℃，為1961年以來(lái)第九高值。期間，我國(guó)氣候呈“前冬冷干、后冬暖濕”特征，偏冷期和偏暖期氣溫起伏大，冷暖極端性明顯。從全國(guó)平均氣溫和降水的逐日演變來(lái)看，前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)全國(guó)大部偏冷降水偏少，兩個(gè)偏冷中心分別分布在內(nèi)蒙古中西部到西北地區(qū)大部、以貴州為中心的西南地區(qū)東部到華南西部；期間發(fā)生了2次全國(guó)型寒潮天氣和1次全國(guó)性強(qiáng)冷空氣過(guò)程，尤其在1月6—8日期間，我國(guó)北方大部、西南地區(qū)東部和華南西部等地遭受極寒天氣，多地日最低氣溫打破紀(jì)錄。而后冬(2021年1月13日至2月28日)明顯轉(zhuǎn)暖，其中2月下旬達(dá)到偏暖最高階段，內(nèi)蒙古中西部、華北西部、西北北部為暖中心；2月全國(guó)平均氣溫也為1951年以來(lái)冬季最高，多地日最高氣溫突破歷史極值；偏暖期間，華北、東北、西北地區(qū)東部、西南地區(qū)東部和華南西部等地降水明顯偏多，其中華北中南部、黃淮、西北地區(qū)東部和西南地區(qū)東南部等地偏多2倍以上。

圖13 (a)1979—2020年9月北極海冰范圍歷史序列 (引自https:∥nsidc.org/arcticseaicenews/， 虛線表示線性趨勢(shì))， 及(b)2020年夏季北半球海平面氣壓 距平空間分布Fig.13 (a) Average monthly Arctic Sea ice extent in September 1979-2020 (cited from https:∥nsidc.org/arcticseaicenews/, with the dashed line indicating the linear trend), and (b) distribution of sea level pressure anomaly in the Northern Hemisphere in summer (June-July-August) 2020

(2)2020/2021年冬季，東亞冬季風(fēng)前冬偏強(qiáng)、后冬偏弱，冬季風(fēng)季節(jié)內(nèi)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換階段性特征顯著。前冬，AO呈負(fù)位相，極地冷氣團(tuán)偏在東半球，烏拉爾山阻塞高壓異常偏強(qiáng)，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，歐亞中高緯以經(jīng)向環(huán)流為主，南海至菲律賓對(duì)流層低層受異常氣旋控制，環(huán)流形勢(shì)有利于極地冷空氣沿烏拉爾山阻高脊前氣流直接南下影響我國(guó)。同時(shí)，西太副高異常偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)偏西，但副高主體位于菲律賓以東，其西北部外圍的南風(fēng)異常將水汽吹向日本南側(cè)及其以東洋面，而我國(guó)大陸及東側(cè)海面盛行北風(fēng)異常、水汽條件偏差，由此導(dǎo)致前冬我國(guó)大部地區(qū)氣候干冷。而后冬，受平流層1月初的爆發(fā)性增溫影響，AO持續(xù)負(fù)位相，但北極冷氣團(tuán)主體偏到西半球，歐亞中高緯轉(zhuǎn)為緯向環(huán)流，前冬影響我國(guó)的環(huán)流系統(tǒng)異常發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致后冬我國(guó)主要呈暖濕型氣候。

平流層和對(duì)流層大氣是地球氣候系統(tǒng)中的重要組成部分，在北半球冬季，兩者的動(dòng)力耦合十分密切(黃榮輝等，2018；呂達(dá)仁等，2009；Baldwin et al，2009)。在冬季，對(duì)流層大氣動(dòng)力過(guò)程耦合于平流層環(huán)極地西風(fēng)急流流速的波動(dòng)。當(dāng)平流層西風(fēng)急流增速時(shí)，會(huì)引起對(duì)流層急流向極地偏移，極地冷氣團(tuán)向北極收縮；反之，當(dāng)平流層繞極地西風(fēng)急流減弱時(shí)，對(duì)流層急流向赤道偏移，極地冷氣團(tuán)發(fā)生位置偏移或分裂并向南爆發(fā)，進(jìn)而對(duì)地面天氣造成影響，北歐和美國(guó)東部極端低溫發(fā)生的可能性更高(Kidston et al, 2015)。2021年1月初發(fā)生了一次平流層爆發(fā)性增溫事件，1月下旬平流層信號(hào)下傳至對(duì)流層，并對(duì)對(duì)流層AO負(fù)位相的持續(xù)起到了重要作用。2020/2021年冬季AO負(fù)位相累計(jì)天數(shù)長(zhǎng)達(dá)75 d，歷史少見(jiàn)。另一方面，2020/2021年冬季前期AO負(fù)位相期間，對(duì)流層極渦偏在東半球，導(dǎo)致我國(guó)大部氣溫偏低；而后期AO負(fù)位相時(shí)，極渦主體偏在西半球，造成北美極寒。AO負(fù)位相期間極渦偏移的具體物理機(jī)制及平流層爆發(fā)性增溫的詳細(xì)過(guò)程和可能的氣候影響值得進(jìn)一步分析研究。