2021年10月大氣環(huán)流和天氣分析*

黃奕武 董 林 劉 達(dá) 陳博宇

國(guó)家氣象中心，北京 100081

提 要： 2021年10月北半球大氣環(huán)流特征主要表現(xiàn)為：極渦主要呈單極型分布，位置偏離北極點(diǎn)靠近西伯利亞；中高緯地區(qū)環(huán)流呈5波型分布，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)在亞洲東北部至東北太平洋一帶為負(fù)距平，在北美至北極地區(qū)為正距平；副熱帶高壓呈狹長(zhǎng)帶狀分布，幾乎環(huán)繞北半球；西北太平洋副熱帶高壓較近幾年同期范圍偏小。10月全國(guó)平均降水量為52.1 mm，較常年同期偏多45.4%，為1961年以來(lái)歷史同期第四多，且分布不均勻；全國(guó)平均氣溫為10.7℃，較常年同期偏高0.4℃。月內(nèi)有3次主要降水過(guò)程，2次中等強(qiáng)度冷空氣過(guò)程，有4個(gè)臺(tái)風(fēng)和1個(gè)熱帶低壓生成。其中，3—6日主要降水過(guò)程由東北冷渦、低空急流和低層切變線共同引起，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)雨量大且極端性強(qiáng)；另外2次主要降水過(guò)程分別由2117號(hào)臺(tái)風(fēng)獅子山和2118號(hào)臺(tái)風(fēng)圓規(guī)造成，使得我國(guó)東南至華南沿海地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

1 天氣概況

1.1 降 水

2021年10月，全國(guó)平均降水量為52.1 mm，較常年同期偏多45.4%，為1961年以來(lái)歷史同期第四多。從空間分布看(圖1)，降水量分布不均勻，華南沿海、湖南南部、云南南部及山西大部、陜西大部、四川東部、重慶大部降水量在100 mm以上，其中廣東沿海、廣西沿海、海南島東部、云南南部、四川東部、山西中部及陜西局部降水量超過(guò)200 mm。有79個(gè)站出現(xiàn)極端連續(xù)降水事件，主要分布于山西中部、陜西中部、河北中部、海南等地，其中山西小店(210.2 mm)、山西孝義(241.2 mm)、陜西富縣(220.5 mm)、海南臨高(480.1 mm)等16個(gè)站的連續(xù)降水量達(dá)到歷史極值。與常年同期相比(圖2)，遼寧東部、河北中部、山西大部、陜西中部、四川東部、青海西部、西藏西部及華南沿海等地偏多2倍以上，其中山西中部、青海西部、西藏西部和廣東東部沿海的局部地區(qū)甚至偏多5倍以上；東北地區(qū)中部、內(nèi)蒙古大部、新疆南部、西藏東南部、黃淮南部、湖北西南部等地偏少5成以上。甘肅和山西降水量均為1961年以來(lái)歷史同期最多，海南、河北和遼寧均為歷史同期次多(國(guó)家氣候中心，2021)。青海西部和西藏西部的局部地區(qū)較常年平均值偏多，分析與這些地區(qū)常年降水平均值較小有關(guān)。

圖1 2021年10月全國(guó)降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation over China in October 2021 (unit: mm)

圖2 2021年10月全國(guó)降水量距平百分比分布(單位：%)Fig.2 Spatial distribution of precipitation anomaly percentage over China in October 2021 (unit: %)

1.2 氣 溫

10月，全國(guó)平均氣溫為10.7℃，較常年同期(10.3℃)偏高0.4℃。從空間分布來(lái)看(圖3)，西藏大部、云南西北部、青海南部、四川西部等地氣溫偏高2～4℃；華北東部及新疆大部、廣西南部等地氣溫偏低1～2℃。青海氣溫為1961年以來(lái)歷史同期最高，西藏為次高。云南盈江國(guó)家觀測(cè)站出現(xiàn)極端高溫事件，最高氣溫達(dá)36.1℃(國(guó)家氣候中心，2021)。

2 環(huán)流特征與演變

2.1 環(huán)流特征

10月，北半球500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)主要呈單極渦型分布，極渦主體明顯偏離北極點(diǎn)，位于西伯利亞以北的拉普捷夫海至白令海峽一帶，中心位勢(shì)高度低于520 dagpm，與近幾年極渦強(qiáng)度相當(dāng)(聶高臻和高拴柱，2018；曹越男和高拴柱，2019；王慧等，2020；聶高臻和高拴柱，2021)。北半球中高緯西風(fēng)帶呈5波型分布，長(zhǎng)波槽分別位于北大西洋東部、歐洲南部、中亞、東北亞和東北太平洋，其中北大西洋東部大槽后部的北美地區(qū)有明顯高壓脊活動(dòng)(圖4a)。受極渦和長(zhǎng)波槽分布形態(tài)影響，亞洲東北部至東北太平洋一帶位勢(shì)高度場(chǎng)呈負(fù)距平分布，上述兩地各有一個(gè)達(dá)-10 dagpm的負(fù)距平中心；而北美至北極地區(qū)則出現(xiàn)大范圍的正距平區(qū)，正距平中心位于北美地區(qū)東部，達(dá)24 dagpm(圖4b)。

圖3 2021年10月全國(guó)平均氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Spatial distribution of monthly mean temperature anomaly over China in October 2021 (unit: ℃)

10月的副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)呈狹長(zhǎng)的帶狀，幾乎環(huán)繞北半球，僅在印度半島和小笠原群島附近有斷裂。從近幾年的同期副高形態(tài)來(lái)看(聶高臻和高拴柱，2018；曹越男和高拴柱，2019；王慧等，2020；聶高臻和高拴柱，2021)，這種超長(zhǎng)帶狀的副高分布形態(tài)比較罕見。其中，西北太平洋地區(qū)的副高西脊點(diǎn)位于22°N、97°E附近，相較于近幾年同期的副高形態(tài)，其范圍較小；中北太平洋的副高中心出現(xiàn)在592 dagpm以上的位勢(shì)高度，強(qiáng)度與去年同期相當(dāng)(聶高臻和高拴柱，2021)。由于副高范圍偏小，月內(nèi)臺(tái)風(fēng)活躍，先后有4個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，其中臺(tái)風(fēng)獅子山和圓規(guī)先后登陸我國(guó)海南省。

圖4 2021年10月北半球500 hPa平均高度場(chǎng)(a)和距平場(chǎng)(b)(單位：dagpm)Fig.4 Monthly average geopotential height (a) and its anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere in October 2021 (unit: dagpm)

2.2 環(huán)流演變與我國(guó)天氣

圖5給出了10月上、中、下旬歐亞地區(qū)500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)的演變。10月上旬(圖5a)，歐洲地區(qū)的環(huán)流呈阻塞高壓形態(tài)，高壓前的大槽位于西西伯利亞，從高緯地區(qū)不斷地輸送冷空氣，由新疆進(jìn)入，自西向東影響我國(guó)。東亞中高緯西風(fēng)帶比較平直，而我國(guó)淮河以南為副高所控制，暖濕氣流沿副高西北側(cè)向北輸送，與冷空氣交匯在我國(guó)中西部地區(qū)和東北地區(qū)，造成旬內(nèi)的一次區(qū)域性暴雨過(guò)程。旬內(nèi)的另一次降水過(guò)程是由副高西南側(cè)的偏東氣流和臺(tái)風(fēng)獅子山共同影響所致。

10月中旬(圖5b)，歐洲地區(qū)的阻塞高壓崩潰消散，整個(gè)歐亞地區(qū)高緯環(huán)流形勢(shì)呈“兩槽一脊”型；而中亞地區(qū)位置有另一弱槽發(fā)展，使中緯地區(qū)呈“三槽兩脊”的環(huán)流形勢(shì)。在這種環(huán)流形勢(shì)下，只有高緯地區(qū)的脊前西北氣流能形成較明顯的冷平流，冷空氣從東路南下，影響我國(guó)東北地區(qū)和華北的偏東部地區(qū)。另一方面，副高覆蓋我國(guó)長(zhǎng)江以南大部，西脊點(diǎn)西延至93°E，與青藏高原形成天然屏障，阻礙暖濕氣流進(jìn)入我國(guó)。兩方面的共同影響，不利于大范圍降水的發(fā)生。旬內(nèi)唯一一次明顯降水過(guò)程是由沿副高南沿西行并登陸海南的臺(tái)風(fēng)圓規(guī)造成。

圖5 2021年10月上旬(a)、中旬(b)、下旬(c)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)Fig.5 The 500 hPa geopotential height in the first (a), second (b) and third (c) dekads in October 2021 (unit: dagpm)

10月下旬(圖5c)，歐亞地區(qū)中高緯環(huán)流的經(jīng)向分量相對(duì)于上、中旬明顯減小。歐洲地區(qū)以弱脊形勢(shì)為主，西西伯利亞至中亞一帶呈不連貫的弱槽形勢(shì)。東亞大槽略有東移并且強(qiáng)度減弱，但中緯度鋒區(qū)有整體南壓的趨勢(shì)，槽底由中旬的30°N附近向南推進(jìn)至25°N附近，我國(guó)大部分地區(qū)位于槽后脊前，西非至印度洋一帶的副高與我國(guó)南側(cè)的副高合并，形成狹長(zhǎng)的帶狀副高。這種環(huán)流形勢(shì)不利于冷暖空氣交匯，使得旬內(nèi)我國(guó)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)性降水過(guò)程，只有小股弱冷空氣活動(dòng)。

3 主要降水過(guò)程

3.1 概 況

2021年10月，受高空冷渦、低層切變線和臺(tái)風(fēng)的共同影響，發(fā)生了3次主要降水過(guò)程。其中3—6日的區(qū)域降水過(guò)程主要由冷暖空氣在長(zhǎng)江以北地區(qū)交匯引起；8—10日和12—14日降水過(guò)程則由臺(tái)風(fēng)和低空偏東急流引起，主要發(fā)生在華南及東南沿海。降水過(guò)程的主要影響系統(tǒng)、具體影響區(qū)域和降水強(qiáng)度見表1。

表1 2021年10月主要降水過(guò)程Table 1 Main precipitation events in October 2021

3.2 10月3—6日降水過(guò)程分析

3—6日，四川盆地、西北地區(qū)東部至東北南部、華北、黃淮北部一帶出現(xiàn)一次區(qū)域暴雨過(guò)程。此次過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)雨量大，極端性強(qiáng)。期間，四川盆地北部、甘肅東部、陜西中部和西南部、山西中部、河北中部、天津中部、河南北部、山東北部、遼寧中東部、吉林東南部等地累計(jì)降水量為100～250 mm，四川廣元和巴中、陜西漢中、遼寧丹東和本溪局地累計(jì)降水量達(dá)300～400 mm，四川巴中南江縣局地達(dá)487 mm。有155個(gè)國(guó)家觀測(cè)站日降水量突破當(dāng)?shù)?0月極值。

3日08時(shí)，東北地區(qū)有冷渦活動(dòng)，渦后有大范圍冷平流從西伯利亞穿過(guò)蒙古國(guó)直達(dá)我國(guó)內(nèi)蒙古至新疆一帶；黃河以南有一個(gè)風(fēng)速超過(guò)20 m·s-1的低空急流從貴州、湖南一帶推進(jìn)至東北南部，帶來(lái)大量水汽；冷暖氣團(tuán)在我國(guó)中西部地區(qū)和東北地區(qū)交匯，形成一條呈東北—西南走向的低層切變線，3日夜間，在四川盆地東部至陜西東南部的切變線上有低渦發(fā)展加強(qiáng)，給上述地區(qū)帶來(lái)強(qiáng)降水(圖6)。東北冷渦在西風(fēng)帶作用下向東快速移出東北，東北南部及黃淮北部的強(qiáng)降水結(jié)束，但冷渦后部的冷平流區(qū)和冷渦南側(cè)的暖濕低空急流所形成的切變線仍維持了較長(zhǎng)時(shí)間并有小幅度的南北擺動(dòng)，4日后主雨區(qū)轉(zhuǎn)移至華北南部、西北地區(qū)東部及四川盆地一帶。隨著冷、暖平流減弱，5日低層切變線逐漸消散，強(qiáng)降水過(guò)程結(jié)束。

圖6 2021年10月3日08時(shí)的850 hPa風(fēng)場(chǎng)、溫度(等值線，單位：℃)和比濕(陰影)Fig.6 The 850 hPa wind, temperature (contour, unit: ℃) and specific humidity (shaded) at 08:00 BT 3 October 2021

4 冷空氣過(guò)程

10月全國(guó)主要有2次中等強(qiáng)度的冷空氣過(guò)程。6—11日，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、江蘇出現(xiàn)10～13℃的降溫，華北平原地區(qū)、華中、黃淮、江淮、江南等地降溫5～10℃；12—17日，東北地區(qū)北部出現(xiàn)10～14℃的降溫，內(nèi)蒙古東部、東北地區(qū)南部、華北平原地區(qū)、山東北部、浙江等地降溫8～12℃，西北、黃淮、江淮、江南等地降溫5～8℃。

6—11日的冷空氣過(guò)程影響范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)。6日 08時(shí)，新疆西北側(cè)500 hPa有一個(gè)橫槽發(fā)展并有切斷低渦，低渦中心位勢(shì)高度值低于544 dagpm，在溫度場(chǎng)上伴隨著一個(gè)中心溫度低于-32℃的冷堆(圖7a)。之后該低渦低槽逐漸向東移動(dòng)，引導(dǎo)冷空氣從新疆北部東移并滲透南下，自西向東、自北向南影響我國(guó)大部分地區(qū)。至10日08時(shí)，低渦低槽東移至我國(guó)東北地區(qū)，東北亞有冷空氣補(bǔ)充，導(dǎo)致低渦低槽加強(qiáng)，冷空氣滲透南下(圖7b)，降溫區(qū)自北向南擴(kuò)散，引發(fā)我國(guó)大范圍地區(qū)的降溫。此時(shí)新疆西側(cè)有低渦低槽新生發(fā)展，但強(qiáng)度較弱，后期在東移過(guò)程中與從西伯利亞南下的冷空氣合并，給我國(guó)帶來(lái)第二次冷空氣過(guò)程。

5 熱帶氣旋活動(dòng)

5.1 概 況

10月，南海及西北太平洋共有4個(gè)臺(tái)風(fēng)生成(表2，圖8)，生成個(gè)數(shù)與常年同期(3.8個(gè))基本持平。其中，臺(tái)風(fēng)獅子山和圓規(guī)先后在同一個(gè)地點(diǎn)(海南省瓊海市)登陸，登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)較常年同期(0.6個(gè))偏多1.4個(gè)。另外，9月23日生成的第16號(hào)臺(tái)風(fēng)蒲公英在遠(yuǎn)海活動(dòng)至10月2日，最終在日本以東洋面變性為溫帶氣旋。 臺(tái)風(fēng)南川、瑪瑙和蒲公英對(duì)我國(guó)無(wú)影響。24—27日，南海南部有一熱帶低壓生成后向偏西方向移動(dòng)，27日在越南慶和省沿海登陸，之后很快在越南境內(nèi)減弱消散。

5.2 2117號(hào)臺(tái)風(fēng)獅子山

6日，南海中西部海域有熱帶擾動(dòng)發(fā)展為熱帶低壓。熱帶低壓向西北轉(zhuǎn)偏北方向緩慢移動(dòng)，強(qiáng)度緩慢加強(qiáng)。8日該低壓加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴級(jí)，被編號(hào)為2117號(hào)臺(tái)風(fēng)并被命名為獅子山，之后向海南東部沿岸靠近，于8日22:50前后在海南省瓊海市登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)8級(jí)(20 m·s-1)，中心最低氣壓為990 hPa。登陸后，“獅子山”穿過(guò)海南島北部后進(jìn)入瓊州海峽，然后轉(zhuǎn)向偏西方向移動(dòng)進(jìn)入北部灣，強(qiáng)度維持，10日下午在越南北部沿海再次登陸，登陸后迅速減弱消散。

圖7 2021年10月6日08時(shí)(a)和10日08時(shí)(b)的500 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)和溫度場(chǎng)(陰影)Fig.7 The 850 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm) and temperature (shaded) at 08:00 BT 6 (a) and 08:00 BT 10 (b) October 2021

表2 2021年10月西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)生成簡(jiǎn)表Table 2 Tropical cyclones generated over Northwest Pacific and South China Sea in October 2021

圖8 南海和西北太平洋2021年10月生成臺(tái)風(fēng)路徑Fig.8 Tracks of typhoons generated over South China Sea and Northwest Pacific in October 2021

“獅子山”雖然強(qiáng)度不強(qiáng)，但移動(dòng)速度慢。從近海生成至穿過(guò)海南島到登陸越南，其生命史接近60 h，平均移速僅為5～10 km·h-1。由于該臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度慢且其云系與副高南側(cè)的偏東低空急流輻合帶云系相連，云系在華南地區(qū)上空維持時(shí)間較長(zhǎng)。在“獅子山”和低空急流的共同影響下，8日08時(shí)至11日08時(shí)，廣東中西部、廣西南部、海南島中北部等地累計(jì)降水量達(dá)200～400 mm，海南臨高、昌江和白沙、廣東中山和珠海、廣西防城港等局地達(dá)450～557 mm。

5.3 2118號(hào)臺(tái)風(fēng)圓規(guī)

2118號(hào)臺(tái)風(fēng)圓規(guī)于8日在菲律賓以東洋面生成，先在原地回旋打轉(zhuǎn)，然后向偏北方向移動(dòng)，10日逐漸轉(zhuǎn)為偏西方向移動(dòng)，穿過(guò)巴士海峽后于12日早晨進(jìn)入南海，之后一路西行，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，13日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，13日15:40前后在海南省瓊海市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)(33 m·s-1)，中心最低氣壓為975 hPa，之后穿過(guò)海南島進(jìn)入北部灣，14日晚上在北部灣西部減弱消散。

臺(tái)風(fēng)圓規(guī)體積較大，從巴士海峽進(jìn)入南海后，與滲透南下的冷空氣結(jié)合，導(dǎo)致其外圍云系南北跨度接近3 000 km(圖9)，較為罕見。但是，其云系松散、水汽輸送不集中，且南下的冷空氣在低層形成冷墊，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)北側(cè)的對(duì)流強(qiáng)度減弱。這些因素導(dǎo)致“圓規(guī)”的降水在我國(guó)大陸的影響范圍也主要局限于沿海地區(qū)。另一方面，“圓規(guī)”在南海北部的移動(dòng)速度較快，移速一直保持在20～30 km·h-1，云系對(duì)沿海各地區(qū)的影響持續(xù)時(shí)間均不長(zhǎng)，因而其在華南沿海的過(guò)程降水量極值反而不如強(qiáng)度弱得多但移動(dòng)緩慢的“獅子山”。在“圓規(guī)”影響下，11日08時(shí)至14日20時(shí)，廣東沿海、廣西南部、海南中南部及臺(tái)灣等地累計(jì)降水量為100～250 mm，海南瓊中局地達(dá)328 mm；浙江東部、福建東北部和中部等地累計(jì)降水量為100～300 mm，浙江溫州和臺(tái)州、福建寧德局地達(dá)400～490 mm；臺(tái)灣東部達(dá)300～800 mm。

圖9 2021年10月12日14時(shí)FY-4A紅外云圖Fig.9 The infrared image of FY-4A at 14:00 BT 12 October 2021

6 其他極端天氣

6.1 干 旱

受副高控制，我國(guó)南方地區(qū)8月以來(lái)以高溫少雨天氣為主，8月中旬之后再次出現(xiàn)的華南氣象干旱，至10月上旬發(fā)展至華南大部、江南中南部及云南北部等地。8日，桂粵閩滇贛湘六省(自治區(qū))氣象干旱面積達(dá)45.6萬(wàn)km2，其中重旱面積達(dá)5.7萬(wàn)km2，特旱面積達(dá)0.2萬(wàn)km2。之后受降水影響氣象干旱逐漸緩解。10月31日，僅江西南部局部地區(qū)存在中旱(國(guó)家氣候中心，2021)。

6.2 高 溫

10月上旬，南方地區(qū)出現(xiàn)一次高溫過(guò)程，平均高溫日數(shù)為0.96 d，為1961年以來(lái)歷史同期最多。浙江、江蘇、湖南、貴州、云南、廣東、重慶、江西、上海、四川、廣西和安徽等12個(gè)省(直轄市、自治區(qū))平均高溫創(chuàng)歷史新紀(jì)錄。江南和華南大部等地高溫影響面積達(dá)116萬(wàn)km2(國(guó)家氣候中心，2021)。

致謝：感謝國(guó)家氣象中心張永恒提供的降水量、降水距平、溫度距平資料以及相關(guān)過(guò)程參考材料。