2021年夏季我國(guó)氣候異常特征及成因分析*

趙俊虎 陳麗娟,2 章大全

1 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 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

提 要： 2021年夏季我國(guó)天氣氣候異常特征突出，極端天氣氣候事件多，東部主要多雨區(qū)在我國(guó)北方，降水的季節(jié)內(nèi)變化顯著，華南前汛期開(kāi)始偏晚、江淮流域梅雨和華北雨季開(kāi)始偏早。東亞大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化對(duì)降水異常的空間分布影響較大。6月，東北冷渦活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致東北及鄰近區(qū)域降水異常偏多，黑龍江、嫩江流域發(fā)生嚴(yán)重汛情；東北冷渦的異?；钴S可能受到前期北大西洋三極子海溫持續(xù)正位相的影響。7月，長(zhǎng)江下游至內(nèi)蒙古東部的經(jīng)向型多雨帶及河南特大暴雨，主要受到臺(tái)風(fēng)煙花長(zhǎng)時(shí)間維持和北上、偏強(qiáng)的大陸高壓和偏東偏北的西太平洋副熱帶高壓的綜合影響；副熱帶大氣環(huán)流表現(xiàn)出對(duì)前期事件衰減的滯后響應(yīng)可能是重要原因。8月，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)、偏南，水汽輸送異常輻合區(qū)位于我國(guó)長(zhǎng)江流域，導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的“倒黃梅”天氣；8月熱帶大氣低頻振蕩處于印度洋達(dá)22 d，平均強(qiáng)度偏強(qiáng)，可能是導(dǎo)致副熱帶大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)折的重要原因。

引 言

中國(guó)地處亞澳季風(fēng)區(qū)，在亞澳季風(fēng)系統(tǒng)多個(gè)成員的共同影響下，氣候年際變率較大，汛期氣候異常往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害，給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重?fù)p失(張慶云等，2003a；2003b；黃榮輝等，2006；丁一匯，2013)，如1998年、1999年、2016年和2020年長(zhǎng)江流域的特大洪澇災(zāi)害(陶詩(shī)言等，1998；李維京，1999；范梅珠和江吉喜，2001；袁媛等，2017；趙俊虎等，2018；2021)，2003年和2007年淮河流域的嚴(yán)重洪澇災(zāi)害(康志明，2004；王維國(guó)等，2008；高輝和王永光，2008)，2006年、2009—2010年西南地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱(李永華等，2009；黃榮輝等，2012)，等等。在全球變暖的背景下，氣候異常和極端天氣氣候事件發(fā)生的可能性增加(IPCC，2021)。

近幾十年來(lái)的科學(xué)研究和業(yè)務(wù)實(shí)踐表明，影響我國(guó)夏季氣候異常的因子非常復(fù)雜，既有太平洋、印度洋、大西洋海溫異常和歐亞、青藏高原積雪異常等外強(qiáng)迫因子，還有西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)、臺(tái)風(fēng)和歐亞中高緯槽脊分布等大氣環(huán)流因子。不同年份的主導(dǎo)影響因子也不完全不同，且因子間的影響往往是相互的、非線性的。另外，夏季氣候異常是多種時(shí)間尺度疊加的結(jié)果，既有天氣、季節(jié)內(nèi)和季節(jié)尺度的影響，還有年際、年代際和氣候變化尺度的貢獻(xiàn)，給短期氣候預(yù)測(cè)帶來(lái)了困難和挑戰(zhàn)。診斷分析夏季氣候異常尤其是降水異常的成因，深入認(rèn)識(shí)旱澇致災(zāi)機(jī)理，對(duì)提高預(yù)測(cè)水平有重要的作用。為此，國(guó)家氣候中心近年來(lái)加強(qiáng)了當(dāng)年汛期氣候異常成因分析和預(yù)測(cè)總結(jié)(陳麗娟等，2013a；2013b；2016；2019；孫林海等，2015；封國(guó)林等，2015；袁媛等，2017；鄭志海和王永光，2018；顧薇和陳麗娟，2019；Chen et al，2019；丁婷和高輝，2020；劉蕓蕓等，2021)。

2021年夏季，全球高影響天氣氣候事件頻發(fā)，北美地區(qū)6月下旬到7月上旬出現(xiàn)極端高溫?zé)崂颂鞖猓?月上中旬德國(guó)等地發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。我國(guó)的天氣氣候也出現(xiàn)了明顯區(qū)域性、階段性和極端性特征，其中6月黑龍江流域發(fā)生嚴(yán)重汛情；7月17—23日，河南發(fā)生特大暴雨洪澇災(zāi)害；7月25—30日，臺(tái)風(fēng)煙花兩次在浙江登陸，北上影響華東、華北和東北等地9個(gè)省(直轄市)，且移動(dòng)速度慢，為1949年以來(lái)在我國(guó)陸上滯留時(shí)間最長(zhǎng)的臺(tái)風(fēng)，累計(jì)雨量大；8月長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水集中期，形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的“倒黃梅”天氣。為進(jìn)一步探討2021年我國(guó)汛期氣候異常的獨(dú)特性和可能原因，本文首先回顧了2021年汛期氣候異常特征，包括降水、洪澇災(zāi)害、臺(tái)風(fēng)、東部雨季季節(jié)進(jìn)程和氣溫等，并重點(diǎn)從汛期大尺度環(huán)流的季節(jié)、季節(jié)內(nèi)尺度演變特征，以及海溫等外強(qiáng)迫的可能影響等方面進(jìn)行成因分析，以期加深對(duì)2021年夏季氣候異常成因的認(rèn)識(shí)，為今后的汛期氣候預(yù)測(cè)提供更多的參考。

1 資料與方法

本文使用的資料包括：中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心整編發(fā)布的“中國(guó)地面基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”，包含中國(guó)2 474個(gè)基本、基準(zhǔn)氣象站、一般氣象站1951年1月以來(lái)的逐日氣溫和降水量觀測(cè)資料(任芝花等，2012)；美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)發(fā)布的大氣環(huán)流再分析資料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率為2.5°×2.5°；美國(guó)NOAA提供的全球逐月海溫資料(Reynolds et al，2007)，水平分辨率為2°×2°；大氣環(huán)流和海溫資料長(zhǎng)度均為1948年1月至2021年8月。

本文選用的東亞夏季風(fēng)指數(shù)包括：張慶云等(2003a)利用東亞熱帶季風(fēng)槽區(qū)(10°～20°N、100°～150°E)與東亞副熱帶地區(qū)(25°～35°N、100°～150°E)平均850 hPa緯向風(fēng)的距平差定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)；Wang and Fan(1999)利用區(qū)域(5～15°N、90°～130°E)與區(qū)域(22.5°～32.5°N、110°～140°E)850 hPa緯向風(fēng)之差定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)；祝從文等(2000)將東西向海平面氣壓差與低緯度高、低層緯向風(fēng)切變相結(jié)合定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)。副高各指數(shù)采用劉蕓蕓等(2012)定義的方法計(jì)算。文中部分圖形和海溫指數(shù)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)”和“氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”、及國(guó)家氣象中心的“中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)”平臺(tái)。文中冬季指上一年12月至當(dāng)年2月，春季為當(dāng)年3—5月，夏季為當(dāng)年6—8月。氣候常年值為1981—2010年的平均值。在分析海溫對(duì)夏季環(huán)流的可能影響時(shí)，使用線性回歸的方法，回歸時(shí)段選取1981—2020年。

2 2021年夏季我國(guó)氣候異常特征

2.1 降水異常和旱澇災(zāi)害

2021年夏季，全國(guó)平均降水量為334.1 mm，較常年同期(325.2 mm)偏多2.7%(圖1a)。但旱澇分布有明顯的空間差異，主要多雨區(qū)在我國(guó)北方，我國(guó)東部降水異常呈現(xiàn)長(zhǎng)江中下游及其以北大部地區(qū)偏多、以南偏少的“北澇南旱”型分布(圖1b)。其中內(nèi)蒙古中東部、東北西部、華北東部、黃淮、江淮、江漢、江南東部、西南地區(qū)東北部、新疆西南部等地降水偏多2成至1倍。2021年夏季雨型的分布與預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)上常用的四類雨型明顯不同(孫林海等，2005)，同時(shí)具有北方型、淮河型和長(zhǎng)江型這三種雨型特點(diǎn)。

圖1 1961—2021年夏季(6—8月)全國(guó)平均降水量歷年序列(a，黃色柱為2021年),2021年夏季全國(guó)降水量距平百分率分布(b),全國(guó)降水日數(shù)距平(c),全國(guó)極端日降水量事件站點(diǎn)分布(d)Fig.1 (a) Time series of the summer (June-July-August) precipitation averaged in China during 1961-2021 (yellow bar： 2021); distribution of (b) precipitation anomaly percentage, (c) rain day anomaly and (d) extreme daily precipitation stations in China in summer 2021

就分省而言，河南偏多62.2%，浙江偏多45.8%，均為1961年以來(lái)同期最多；北京偏多65.2%，為1961年以來(lái)第三位；天津偏多56%，為1961年以來(lái)第六位。寧夏降水偏少88.9%，1961年以來(lái)同期最少；甘肅、內(nèi)蒙古西部、陜西中北部、廣西和廣東降水偏少3成左右，氣象干旱長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)展。

從夏季降水日數(shù)距平(圖1c)來(lái)看，長(zhǎng)江中下游、黃淮北部、華北東部、東北西部和內(nèi)蒙古東部等地降水日偏多4～8 d，部分地區(qū)偏多8 d以上；西北大部、內(nèi)蒙古西部、西南南部、江南西南部和華南西部降水日較常年同期偏少2 d以上，陜北局部、云南西部、廣西東部和北部等地偏少8 d以上。

夏季降水極端性顯著，全國(guó)有240個(gè)站出現(xiàn)極端日降水量事件，主要分布在西南地區(qū)東部、長(zhǎng)江中下游、黃淮、華北、內(nèi)蒙古東部和東北西部地區(qū)，其中河南鄭州(552.5 mm)、四川渠縣(334.0 mm)、江蘇泗陽(yáng)(322.3 mm)、湖北宜城(312.9 mm)等60個(gè)站突破歷史極值(圖1d)。有332個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站連續(xù)降水日數(shù)達(dá)到極端事件標(biāo)準(zhǔn)，其中四川鹽源(41 d)、內(nèi)蒙古富河(40 d)等56個(gè)站突破歷史極值；有284個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站連續(xù)降水量達(dá)到極端事件標(biāo)準(zhǔn)，其中河南鄭州(852.0 mm)、福建長(zhǎng)樂(lè)(558.3 mm)、浙江紹興(507.4 mm)等58個(gè)站突破歷史極值。尤其是7月17—22日，河南發(fā)生特大暴雨和洪澇災(zāi)害。河南中北部局地連續(xù)4天出現(xiàn)大暴雨，鄭州和新鄉(xiāng)連續(xù)2天出現(xiàn)特大暴雨，強(qiáng)降水中心位于鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)和安陽(yáng)，最強(qiáng)時(shí)段為19—21日。河南省中北部大部分地區(qū)累計(jì)降水量超過(guò)500 mm，其中鄭州白寨觀測(cè)站為993.1 mm，鶴壁科創(chuàng)中心觀測(cè)站為1 122.6 mm。河南全省近一半氣象觀測(cè)站點(diǎn)單日降水量超過(guò)100 mm，近1/6國(guó)家級(jí)氣象站日降水量突破建站以來(lái)歷史極值。本次強(qiáng)降水過(guò)程呈現(xiàn)出范圍廣、累計(jì)降水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、短時(shí)降水極強(qiáng)、極端性突出等特點(diǎn)。極端強(qiáng)降水及次生災(zāi)害導(dǎo)致鄭州等城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，中小河流出現(xiàn)超警洪水。

夏季降水存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征。2021年6月，我國(guó)東部降水總體呈現(xiàn)“北多南少”分布，但多雨區(qū)較為分散，主要在內(nèi)蒙古東部、東北大部、華北西部和東部局部、黃淮東部，而黃淮西部、江淮、江漢、江南西部和華南大部等地降水偏少(圖2a)。7月，東部降水仍呈“北多南少”分布，但多雨帶較為連續(xù)，內(nèi)蒙古中東部向南經(jīng)華北東部至長(zhǎng)江中下游降水呈現(xiàn)經(jīng)向型異常偏多特征，其中內(nèi)蒙古中東部局部、華北東部、黃淮西部、江淮東部、江南東北部等地偏多5成以上，河南北部偏多2倍以上，西北地區(qū)東部至華北西部、東北東部、江南南部和華南等地偏少2成以上(圖2b)。8月，我國(guó)東部降水異常分布發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，降水偏多區(qū)域主要在我國(guó)中部地區(qū)和東北西部地區(qū)，黃淮大部、江漢、江南北部、西南地區(qū)東部、東北西部局部、新疆東北部等地降水較常年偏多5成以上，西北地區(qū)中東部大部、內(nèi)蒙古中西部、西藏西部、華北西部、華南西部等地降水偏少2成以上(圖2c)?？梢?jiàn)7月的降水異常型基本決定了夏季的降水異常。6月和8月對(duì)夏季的降水異常貢獻(xiàn)主要是東北西部和長(zhǎng)江中下游地區(qū)。

2.2 我國(guó)東部汛期雨季進(jìn)程

2021年，亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間總體偏晚，其中南海夏季風(fēng)于5月第6候爆發(fā)，爆發(fā)時(shí)間較常年(5月第5候)略偏晚。東亞夏季風(fēng)階段性偏強(qiáng)。我國(guó)東部雨季進(jìn)程呈現(xiàn)階段性和轉(zhuǎn)折性變化特征，總體表現(xiàn)出前期偏晚、后期偏早，強(qiáng)度為前弱后強(qiáng)。表1給出了雨季的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。華南前汛期于4月26日開(kāi)始，較常年(4月6日)偏晚20 d，為1981年以來(lái)第7偏晚年；7月2日結(jié)束，較常年(7月6日)偏早4 d；雨量為494.6 mm，較常年偏少31.1%。江南地區(qū)于6月9日入梅，較常年偏晚1 d；于7月11日出梅，較常年偏晚3 d；梅雨量為309.1 mm，較常年偏少15.4%。長(zhǎng)江中下游地區(qū)于6月10日入梅，較常年偏早4 d；于7月11日出梅，較常年偏早2 d；梅雨量為259.4 mm，較常年偏少7.7%。江淮地區(qū)于6月13日入梅，較常年偏早8 d；于7月11日出梅，較常年偏早4 d；梅雨量為227.3 mm，較常年偏少14.0%。華北雨季于7月12日開(kāi)始，較常年偏早6 d；于9月9日結(jié)束，較常年偏晚22 d，雨季長(zhǎng)達(dá)59 d，為1961年以來(lái)第二長(zhǎng)(僅次于1973年的60 d)。2021年華北雨季期間，平均降水量為276.4 mm，較常年偏多103.7%，為1961年以來(lái)第三多。

圖2 2021年6月(a)，7月(b)和8月(c)全國(guó)降水量距平百分率分布Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage in (a) June, (b) July, and (c) August in 2021

表1 2021年中國(guó)東部雨季進(jìn)程Table 1 The process of rainy season in eastern China in 2021

圖3為2021年汛期(4—8月)我國(guó)東部110°～120°E平均降水緯度-時(shí)間剖面，可見(jiàn)華南前汛期降水開(kāi)始偏晚、強(qiáng)度弱，主要降水過(guò)程在6月；梅雨期降水開(kāi)始總體偏早，梅雨期降水前期(6月9—26日)持續(xù)性差、有明顯的間歇期、強(qiáng)度偏弱，后期(6月27日至7月4日)偏強(qiáng)。北方雨季開(kāi)始時(shí)間偏早、強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，期間發(fā)生河南特大暴雨和臺(tái)風(fēng)煙花北上帶來(lái)的強(qiáng)降水過(guò)程。8月中下旬，長(zhǎng)江中下游地區(qū)發(fā)生持續(xù)的“倒黃梅”天氣，強(qiáng)度異常偏強(qiáng)。

伴隨著降水異常的季節(jié)內(nèi)變化，我國(guó)西南地區(qū)東部、華南地區(qū)、西北地區(qū)東部等地氣象干旱階段性發(fā)展。初夏西南地區(qū)東部氣象干旱明顯，盛夏西北地區(qū)和華南地區(qū)的氣象干旱最重。而華北、黃淮、江漢等地遭受嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害。全國(guó)呈現(xiàn)旱澇并重的特征。

2.3 臺(tái)風(fēng)活動(dòng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)煙花的影響

2021年夏季，西北太平洋及南海共有9個(gè)編號(hào)臺(tái)風(fēng)(常年同期為11.2個(gè))，有3個(gè)臺(tái)風(fēng)(2106號(hào)臺(tái)風(fēng)煙花、2107號(hào)臺(tái)風(fēng)查帕卡、2109號(hào)臺(tái)風(fēng)盧碧)登陸我國(guó)(常年同期為4.6個(gè))，均較常年偏少。其中第6號(hào)臺(tái)風(fēng)煙花對(duì)我國(guó)的影響最大，造成多地出現(xiàn)極端降水?！盁熁ā庇?月18日編號(hào)，分別于7月25日和26日在浙江舟山和平湖登陸，成為1949年以來(lái)首個(gè)在浙江省內(nèi)兩次登陸的臺(tái)風(fēng)，登陸后北上，先后給浙江、上海、江蘇、安徽、山東、河南、河北、天津、遼寧等省(直轄市)帶來(lái)強(qiáng)風(fēng)雨影響，最后在渤海灣減弱為熱帶低壓，7月30日停編(圖4a)。該臺(tái)風(fēng)具有移動(dòng)速度慢、對(duì)我國(guó)的影響范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)(長(zhǎng)達(dá)15 d 左右，其中陸上滯留時(shí)間為1949年以來(lái)最長(zhǎng))、累計(jì)降水量大的特點(diǎn)。影響期間，江浙滬、黃淮、華北南部等地降水量超過(guò)100 mm，浙江東部、江蘇西部和河南等地超過(guò)250 mm(圖4b)。“煙花”未登陸之前，和副高配合形成超強(qiáng)水汽輸送通道，對(duì)7月17—22日河南特大暴雨洪澇災(zāi)害起到了關(guān)鍵作用，河南大部和河北西南部降水量達(dá)100 mm以上，河南北部部分地區(qū)降水量高達(dá)400 mm以上(圖4c)。25日登陸之后北上，給華東、黃淮東部、華北東部和東北西部等地帶來(lái)強(qiáng)降水，大部分地區(qū)降水量達(dá)100 mm以上，浙江東部和江蘇南部達(dá)250 mm 以上，浙江余姚累積降水量達(dá)1 022 mm，突破歷史極值(圖4d)。上述地區(qū)較常年同期偏多5成以上，浙江北部、江蘇南部、河南中部和北部、河北西南部偏多2倍以上(圖略)。

圖3 2021年4—8月我國(guó)東部110°～120°E平均降水5天滑動(dòng)的緯度-時(shí)間剖面Fig.3 Time-latitude cross-section of the 5 d running-mean precipitation averaged over 110°-120°E from 1 April to 31 August 2021

2.4 氣 溫

2021年夏季，全國(guó)平均氣溫為21.7℃(圖5a)，較常年同期(20.9℃)偏高0.8℃，為1961年以來(lái)第6位。除河北東北部和遼寧西部部分地區(qū)氣溫偏低0.5～1℃外，全國(guó)其余大部分地區(qū)氣溫接近常年同期或偏高，其中黑龍江東部、西藏大部、青海南部、甘肅大部、寧夏大部、云南北部、廣西東北部、湖南南部等地偏高1～2℃(圖5b)。全國(guó)平均高溫日數(shù)有9.1 d，較常年同期(6.9 d)偏多2.2 d。黃淮中西部、江南中南部、華南、西北地區(qū)東部和西南部等地高溫日數(shù)偏多3～5 d，黃淮西部、江南西南部、華南大部偏多達(dá)5～10 d，華南中部和南部及湖南南部、江西南部等地超過(guò)10 d(圖5c)。夏季我國(guó)中東部出現(xiàn)7次階段性區(qū)域高溫天氣過(guò)程：其中，7月3—18日江南、華南、新疆等地出現(xiàn)持續(xù)高溫，7月20日至8月9日，新疆東部持續(xù)高溫，南方高溫區(qū)西移至廣西、湖南、江西、廣東西北部、四川東部及重慶等地。全國(guó)共有303個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站發(fā)生極端高溫事件，其中有50個(gè)站日最高氣溫突破歷史極值。

根據(jù)上述特征，2021年夏季天氣氣候極為異常，尤其是降水的階段性特征顯著且極端性強(qiáng)。6月，主要多雨區(qū)在東北和華北北部地區(qū)；7月，主要多雨帶在黃淮、華北大部、內(nèi)蒙古中東部和東北西部；8月，主要多雨帶在長(zhǎng)江流域。孫林海等(2005)、Yang et al(2017)結(jié)合業(yè)務(wù)需求，對(duì)中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)夏季降水進(jìn)行了客觀分型，在空間上能夠?qū)⒅鹉甑南募窘邓惓？臻g分布分別歸為北方型、淮河型、長(zhǎng)江型和華南型四類雨型。然而2021年夏季北方、淮河和長(zhǎng)江中下游降水均顯著偏多，是前三種雨型的混合型。夏季環(huán)流季節(jié)內(nèi)異常的持續(xù)使得降水的極端性很突出：6月，東北冷渦活躍，造成東北和相鄰的俄羅斯等地降水異常偏多，黑龍江、嫩江出現(xiàn)嚴(yán)重汛情；7月，副高北跳和臺(tái)風(fēng)煙花活動(dòng)造成河南發(fā)生特大暴雨洪澇災(zāi)害；8月，副高南落，長(zhǎng)江中下游地區(qū)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的“倒黃梅”天氣。針對(duì)2021年夏季降水階段性和極端性變化特征，下面從大氣環(huán)流特征和海溫的可能影響角度做初步成因分析。

圖4 2021年臺(tái)風(fēng)煙花活動(dòng)路徑和影響期間累計(jì)降水量(a)路徑，(b)生命期(7月18—30日)，(c)登陸前(18—25日)，(d)登陸后(25—30日)Fig.4 The track of Typhoon In-Fa and cumulative precipitation in eastern China during different periods in 2021(a) track, (b) 18 to 30 July, (c) 18 to 25 July, (d) 25 to 30 July

圖5 1961—2021年夏季全國(guó)平均氣溫及距平歷年序列(a),2021年夏季氣溫距平(b)和高溫日數(shù)距平(c)Fig.5 (a) Time series of averaged summer temperature and anomaly in China during 1961-2021, (b) distribution of temperature anomaly and (c) hot wave day anomaly in summer 2021

3 夏季降水異常成因分析

2021年夏季，歐亞中高緯度為“兩脊一槽”型環(huán)流，副高強(qiáng)度異常偏強(qiáng)(1961年以來(lái)歷史第三，僅次于2010年和2020年)、西伸脊點(diǎn)略偏西(121.9°E，較常年偏西6.7°)、脊線略偏南(25.2°N，較常年同期偏南0.3°)。850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)顯示，西北太平洋35°N以南為明顯的氣旋性距平環(huán)流，日本島及其以東地區(qū)為反氣旋性距平環(huán)流，我國(guó)長(zhǎng)江流域以北地區(qū)為南風(fēng)距平(圖略)。張慶云等(2003a)定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)2021年為0.34，反映了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度總體偏強(qiáng)。從夏季逐月降水及環(huán)流異常變化來(lái)看，6月、7月、8月降水異常與環(huán)流系統(tǒng)均呈現(xiàn)顯著的差異，因此下面分別針對(duì)逐月降水異常特征進(jìn)行成因分析。

3.1 6月降水異常成因

2021年6月，歐亞中高緯環(huán)流呈“兩脊兩槽”型(圖6a)，烏拉爾山高壓脊和東北亞高壓脊明顯偏強(qiáng)，巴爾喀什湖至我國(guó)東北上空和勘察加半島以東為低壓槽區(qū)，東北上空為低壓中心之一，冷渦異?；钴S。副高較常年明顯偏強(qiáng)、略偏西，脊線位置較常年平均偏南1.7°。月內(nèi)副高大部分日數(shù)強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)(圖7a)，脊線位置卻波動(dòng)較大，上半月偏北，下半月偏南(圖7b)。日本以南的西北太平洋對(duì)流層低層為異常氣旋性環(huán)流，日本上空為異常反氣旋性環(huán)流(圖6b)，來(lái)自西北太平洋北部的東南水汽輸送偏強(qiáng)，與東北冷渦配合，造成我國(guó)北方地區(qū)為水汽通量異常輻合區(qū)(圖6c)，降水偏多(圖2a)。從東亞夏季風(fēng)的監(jiān)測(cè)可見(jiàn)，Wang and Fan(1999)定義的指數(shù)顯示6月6—13日偏強(qiáng)，月內(nèi)其他時(shí)段強(qiáng)度接近常年至略偏弱(圖7c)；根據(jù)祝從文等(2000)定義的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)，月內(nèi)總體大于氣候值(圖7d)。表明東亞夏季風(fēng)為偏強(qiáng)的特征。此外，巴爾喀什湖低壓槽階段性偏強(qiáng)，導(dǎo)致新疆西南部和西藏西部發(fā)生極端強(qiáng)降水，降水異常偏多2倍以上(圖2a)。

圖6 2021年6月大氣環(huán)流距平場(chǎng)(a)500 hPa高度場(chǎng)(等值線)和距平場(chǎng)(填色)(紅色等值線表示氣候平均5 880和5 860 gpm)，(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(單位：m·s-1，AC和C分別表示反氣旋和氣旋)，(c)對(duì)流層整層積分水汽通量(矢量，單位：kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色，單位：10-5 kg·m-2·s-1)距平場(chǎng)Fig.6 Atmospheric circulation anomalies in June 2021(a) 500 hPa geopotential height (contour) and anomalies (colored) (red contour: the climatological 5 880 and 5 860 gpm contours), (b) 850 hPa wind anomalies (unit: m·s-1, AC: anticyclonic anomaly, C: cyclonic anomaly), (c) anomalous moisture flux integrated from 1 000 hPa to 300 hPa (vectors, unit: kg·m-1·s-1) and divergence (colored, unit: 10-5 kg·m-2·s-1)

根據(jù)國(guó)家氣候中心對(duì)東北冷渦活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，2021年5月和6月，東北冷渦活動(dòng)日數(shù)分別為20 d和15 d。東北冷渦活動(dòng)頻繁，一方面導(dǎo)致內(nèi)蒙古東部、東北大部地區(qū)降水異常偏多，黑龍江和嫩江等河流出現(xiàn)洪水和嚴(yán)重汛期；另一方面引導(dǎo)大量冷空氣南下，與5月偏南的副高配合，導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游大部分地區(qū)降水偏多，與6月中下旬偏南的副高配合，造成江南東部降水偏多。眾多研究表明，東北冷渦是東亞中高緯地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，盡管其時(shí)間尺度為天氣尺度，但是頻繁的東北冷渦活動(dòng)具有顯著的“氣候效應(yīng)”，這種“氣候效應(yīng)”不僅會(huì)影響東北地區(qū)的氣候，而且影響梅雨期降水特征(He et al，2007；Hu et al，2010；Shen et al，2011；Zhao et al，2018)。而東北冷渦活動(dòng)的異?？赡芘c北大西洋三極子(NAT)位相有密切的聯(lián)系，研究顯示當(dāng)春季NAT處于正位相(北大西洋海溫從低緯至高緯呈“- + -”的距平分布)時(shí)，通過(guò)激發(fā)歐亞中高緯度遙相關(guān)波列，造成春末夏初(5—6月)我國(guó)東北地區(qū)及其周圍為低壓中心，導(dǎo)致東北冷渦活躍(Fang et al，2018；2020)。2021年春季NAT處于典型的正位相(圖8a)，且這種正位相一直維持到6月(圖8b)。圖8c 給出了1981—2021年4—6月平均的NAT指數(shù)序列，其中2021年為0.81，列1995年以來(lái)的第8位。從4—6月平均的NAT指數(shù)回歸的6月500 hPa 高度場(chǎng)可見(jiàn)，歐亞中高緯從北大西洋北部向東至我國(guó)東北地區(qū)呈現(xiàn)“- + - + -”的遙相關(guān)波列，東北地區(qū)至日本島為顯著的負(fù)高度距平(圖8d)，有利于東北冷渦活躍。

3.2 7月降水異常成因

2021年7月，歐亞環(huán)流形勢(shì)有明顯的調(diào)整。歐亞中高緯呈“兩脊一槽”型，兩個(gè)高壓脊分別位于歐洲和貝加爾湖至鄂霍次克海地區(qū)，烏拉爾山北部為低壓槽，貝加爾湖至我國(guó)北方的大陸高壓偏強(qiáng)，中高緯度環(huán)流經(jīng)向度較6月減小。副高接近常年略偏強(qiáng)，西伸脊點(diǎn)較常年平均偏東10.5°，脊線位置較常年平均偏北1.2°(圖9a)。副高上半月偏強(qiáng)、脊線接近常年，下半月強(qiáng)度減弱、脊線異常偏北(圖7a和7b)。臺(tái)灣島以東的對(duì)流層低層為異常氣旋環(huán)流，日本列島以北為異常反氣旋環(huán)流(圖9b)，該氣旋和反氣旋中心相比6月均西移。東亞夏季風(fēng)監(jiān)測(cè)表明，7月下半月夏季風(fēng)強(qiáng)度異常偏強(qiáng)(圖7c和7d)。

圖7 2021年夏季關(guān)鍵環(huán)流指數(shù)的逐日變化(a)副高強(qiáng)度指數(shù)，(b)副高西段(110°～130°E)脊線指數(shù)，(c)Wang and Fan(1999)和(d)祝從文等(2000)定義的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)(灰線：氣候平均，點(diǎn)線：2021年)Fig.7 Daily variation of indexes in summer 2021 (a) intensity index and (b) ridge line position index of western part of WPSH (110°-130°E), (c, d) the EASM index defined by (c) Wang and Fan (1999) and (d) Zhu et al (2000) (grey line: climate average, dotted line: 2021)

圖8 2021年(a)春季和(b)6月海溫距平分布，(c)1981—2021年4—6月平均的北大西洋三極子指數(shù),(d)1981—2020年4—6月平均的北大西洋三極子指數(shù)回歸的6月500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：gpm)(圖8d中淺灰和深灰陰影分別表示通過(guò)0.10和0.05顯著性水平檢驗(yàn))Fig.8 Distribution of sea surface temperature anomalies in (a) spring and (b) June of 2021, (c) April-May-June averaged North Atlantic triple (NAT) index during 1981-2021 and (d) regressions of the 500 hPa geopotential height anomalies (unit: gpm) in June against the April-May-June averaged NAT index during 1981-2020 (Light and dark shadows indicate passing the 0.10 and 0.05 significant level tests in Fig.8d, respectively)

副高和東亞夏季風(fēng)月內(nèi)的變化與臺(tái)風(fēng)煙花密切相關(guān)，“煙花”于7月18日編號(hào)，30日停編，生命期長(zhǎng)達(dá)13 d，長(zhǎng)時(shí)間盤(pán)踞在西北太平洋副熱帶地區(qū)，導(dǎo)致副高偏東、偏北，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)。同時(shí)，“煙花”發(fā)揮了巨型“水泵”的作用，將西北太平洋的暖濕水汽源源不斷地輸送向我國(guó)，受偏強(qiáng)的大陸高壓、偏東偏北的副高及太行山、伏牛山等地形的共同作用，水汽在我國(guó)長(zhǎng)江以北至內(nèi)蒙古東部地區(qū)輻合(圖9c)，導(dǎo)致東北、華北、黃淮等地區(qū)降水異常偏多(圖2b)。因此，7月長(zhǎng)江中下游至內(nèi)蒙古東部的經(jīng)向型多雨帶，主要是臺(tái)風(fēng)煙花長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)、大陸高壓偏強(qiáng)和副高偏東偏北的綜合作用造成。

圖9 同圖6，但為2021年7月Fig.9 Same as Fig.6, but for July 2021

3.3 8月降水異常成因

2021年8月，歐亞環(huán)流形勢(shì)較7月出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)折。500 hPa高度場(chǎng)上，歐亞中高緯位勢(shì)高度呈“北高南低”異常分布，即北極濤動(dòng)(AO)為負(fù)位相，烏拉爾山和鄂霍次克海上空為強(qiáng)高壓脊，我國(guó)北方地區(qū)上空為負(fù)距平，我國(guó)華北至東北地區(qū)為低壓槽，東北冷渦活躍，即西風(fēng)帶環(huán)流的經(jīng)向度明顯增大。東亞地區(qū)從南至北呈“+ - +”EAP負(fù)位相分布(圖11a)。副高強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，為1961年以來(lái)第2位(僅次于2010年)；副高西伸脊點(diǎn)達(dá)109.1°E，可西伸至我國(guó)江南地區(qū)，較常年平均偏西23.8個(gè)經(jīng)度，為1961年以來(lái)第6位；脊線位于28.2°N，較常年平均偏南0.6°。對(duì)流層低層，臺(tái)灣島以東為異常反氣旋性環(huán)流(圖11b)，副高引導(dǎo)的南海和西北太平洋水汽輸送明顯偏強(qiáng)，造成我國(guó)長(zhǎng)江流域?yàn)樗慨惓］椇蠀^(qū)(圖11c)，導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)持續(xù)的“倒黃梅”天氣，降水異常偏多(圖2c)。此外，我國(guó)內(nèi)蒙古東部和東北為異常氣旋性環(huán)流，鄂霍次克海為異常反氣旋環(huán)流控制，東北為偏南風(fēng)異常，受東北冷渦和EAP負(fù)位相的共同影響，內(nèi)蒙古東部和東北大部降水偏多(圖2c)。

8月東亞季風(fēng)環(huán)流形勢(shì)為何發(fā)生突然轉(zhuǎn)折？監(jiān)測(cè)顯示，2021年8 月，西北太平洋熱帶氣旋不活躍，共有4個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，且強(qiáng)度偏弱，其中只有1個(gè)登陸我國(guó)，這是導(dǎo)致華南地區(qū)降水異常偏少的主要原因。同時(shí)熱帶低頻振蕩(MJO)主要在印度洋區(qū)域活動(dòng)(第2位相，圖12a)，且持續(xù)在第2位相達(dá)22 d，超過(guò)氣候平均值(5.7 d)16 d，為1979年以來(lái)歷史第2位，僅次于2008年(26 d)。2021年8月MJO處于第2位相的平均強(qiáng)度也較氣候平均偏強(qiáng)，為1979年以來(lái)歷史第7強(qiáng)(圖12b)。MJO在印度洋區(qū)域(2～3位相)活躍有利于西太副高的加強(qiáng)西伸(李崇銀等，2013)。因此，MJO活動(dòng)異?？赡苁菍?dǎo)致西太副高在8月異常偏強(qiáng)且臺(tái)風(fēng)不活躍的重要原因。

圖10 2018年1月至2021年8月指數(shù)和SOI指數(shù)(a)以及1981—2020年冬季(b)和春季指數(shù)(乘以-1)回歸的7月500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(單位：gpm)(圖10b和10c中淺灰、深灰陰影分別表示通過(guò)0.10和0.05顯著性水平檢驗(yàn))Fig.10 (a) Monthly index and standardized southern oscillation index (SOI) from January 2018 to August 2021, regressions of the 500 hPa geopotential height anomalies (unit: gpm) in July against the (b) winter and (c) spring index (multiplied by -1.0) during the period of 1981-2020(Light and dark shadows indicate passing the 0.10 and 0.05 significant level tests, respectively in Figs.10b and 10c)

4 結(jié)論與討論

2021年夏季，我國(guó)東部地區(qū)降水以北方偏多為主，多雨帶呈經(jīng)向型分布，長(zhǎng)江中下游、黃淮、華北和東北大部降水均較常年同期明顯偏多。此外，降水表現(xiàn)出了顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征，華南前汛期開(kāi)始偏晚、江淮流域梅雨和華北雨季開(kāi)始偏早。逐月降水異常成因明顯不同，初步結(jié)論如下：

(1)6月，東部降水總體呈現(xiàn)“北多南少”分布，東北和華北北部降水偏多主要受到東北冷渦活動(dòng)頻繁的影響，而東北冷渦的異?；钴S可能與春季以來(lái)NAT維持正位相有關(guān)(圖13)。

(3)8月，我國(guó)東部降水異常分布發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，降水偏多區(qū)域主要在長(zhǎng)江流域，副高異常偏強(qiáng)、偏南，西北太平洋對(duì)流層低層由6—7月的氣旋性環(huán)流反轉(zhuǎn)為異常反氣旋性環(huán)流，水汽輸送異常輻合區(qū)位于長(zhǎng)江流域，形成長(zhǎng)時(shí)間的“倒黃梅”天氣，導(dǎo)致降水異常偏多。8月MJO長(zhǎng)時(shí)間活躍于印度洋區(qū)域，且強(qiáng)度偏強(qiáng)，可能導(dǎo)致副熱帶大氣環(huán)流發(fā)生轉(zhuǎn)折，副高異常偏強(qiáng)西伸。

圖11 同圖6，但為2021年8月Fig.11 Same as Fig.6, but for August 2021

圖12 2021年7—9月MJO指數(shù)位相圖(a)(引自加拿大氣象局http:∥www.bom.gov.au/climate/mjo/，綠色為8月指數(shù))，(b)1979—2021年8月MJO處于第2位相的日數(shù)和平均強(qiáng)度距平Fig.12 (a) Phase diagram of MJO index during July-September 2021 (cited from Bureau of Meteorology, http:∥www.bom.gov.au/climate/mjo/, with green for the August index), and (b) time series of activity days and intensity anomalies of MJO in Phase 2 in August during 1979-2021

圖13 2021年6—7月中國(guó)北方降水偏多形成的驅(qū)動(dòng)因子及物理過(guò)程示意圖Fig.13 Schematic diagram describing what drives the super strong precipitation over the North China in June-July 2021