2021年11月大氣環(huán)流和天氣分析*

謝 超 饒曉琴 尤 媛

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 2021年11月大氣環(huán)流的主要特征為：北半球極渦顯著偏強(qiáng)，歐亞中高緯環(huán)流呈緯向多波動型，冷空氣活躍，東亞大槽和西太平洋副熱帶高壓均偏西偏強(qiáng)。11月，全國平均降水量為23.8 mm，比常年同期(18.8 mm)偏多26.7%；全國平均氣溫為2.9℃，與常年同期持平。月內(nèi)氣溫冷暖起伏較大，出現(xiàn)了2次全國型寒潮過程和3次大范圍持續(xù)性霧-霾天氣過程。其中4—9日的寒潮天氣過程具有影響范圍廣、降溫幅度大、大風(fēng)持續(xù)時間長、北方暴雪極端性強(qiáng)等特點。

1 天氣概況

1.1 降 水

2021年11月，全國平均降水量為23.8 mm，較常年同期(18.8 mm)偏多26.7%(圖1)。從空間分布看，除西北地區(qū)大部和西南地區(qū)中西部的降水量不足10 mm外，全國其他大部地區(qū)降水量在10 mm以上，江南大部、華南北部、西南東部部分地區(qū)、東北部分地區(qū)及山東北部的降水量在50 mm以上，其中江南南部至華南北部降水量為100～200 mm，湖南南部和廣西北部達(dá)200 mm以上；與常年同期相比(圖2)，北方大部及江南南部、華南北部等地降水量偏多5成至2倍，其中東北地區(qū)大部、華北東部和北部、黃淮東北部等地偏多2倍以上，黑龍江、吉林的降水量為1961年以來同期最多，天津、遼寧為歷史第二多；新疆西部、青海中西部、西藏中東部、西北地區(qū)東南部、四川東北部、云南北部、黃淮西部、江淮、江漢、江南北部、華南南部以及臺灣北部等地降水量偏少2～8成，部分地區(qū)偏少8成以上(國家氣候中心, 2021)。

圖1 2021年11月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation in China in November 2021 (unit: mm)

圖2 2021年11月全國降水量距平百分率分布(單位:%)Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage in China in November 2021 (unit:%)

1.2 氣 溫

11月，全國平均氣溫為2.9℃，與常年同期持平。氣溫距平的空間分布(圖3)呈現(xiàn)“西低東高”，西北大部、西南地區(qū)東部等地氣溫較常年同期明顯偏低，其中新疆大部、青海西北部、甘肅西部、四川東部、重慶西部等地偏低2～4℃；內(nèi)蒙古東部、東北地區(qū)大部、華北東部、黃淮、江淮大部、江漢東部以及西藏中東部、云南南部等地偏高1～4℃，內(nèi)蒙古東北部和黑龍江西北部偏高4℃以上(國家氣候中心, 2021)。

圖3 2021年11月全國氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in November 2021 (unit: ℃)

2 環(huán)流特征和演變

11月北半球環(huán)流形勢較10月出現(xiàn)明顯調(diào)整，極渦顯著加強(qiáng)，表明月內(nèi)影響我國的冷空氣勢力較強(qiáng)。圖4為11月北半球500 hPa平均位勢高度場和距平場分布，與常年平均相比有以下特點：

圖4 2021年11月北半球500 hPa(a)平均高度場和(b)距平場(單位：dagpm)Fig.4 (a) Geopotential height at 500 hPa and(b) its anomaly in the Northern Hemisphere in November 2021 (unit: dagpm)

2.1 極渦強(qiáng)度強(qiáng)且偏在東半球

11月北半球極渦呈偏心型分布，主體位置偏在東半球，極渦中心位于俄羅斯北地群島附近地區(qū)，中心位勢高度低于504 dagpm，并伴有明顯的負(fù)距平，中心值達(dá)-12 dagpm以下，表明極渦強(qiáng)度較常年同期顯著偏強(qiáng)，有利于強(qiáng)冷空氣在西伯利亞堆積。

2.2 東亞大槽偏強(qiáng)位置偏西

歐亞中高緯環(huán)流為緯向多波動型，北支鋒區(qū)勢力偏強(qiáng)，歐洲北部至亞洲西北部被龐大的低值系統(tǒng)控制，從中不斷分裂出冷空氣沿巴爾喀什湖附近的高空槽東移影響我國，導(dǎo)致月內(nèi)我國西部大部地區(qū)氣溫較常年同期顯著偏低。東亞大槽從鄂霍次克海向西南方向延伸至我國江淮地區(qū)，位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)(張?zhí)旌降龋?019；南洋等，2021)，有利于冷暖空氣在我國東部地區(qū)交匯，造成月內(nèi)我國降水較常年同期偏多，尤其是東北、華北地區(qū)顯著偏多。

2.3 西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)位置偏西

11月，南支槽較為平直且為正距平控制，表示南支槽強(qiáng)度明顯偏弱，不利于水汽向我國西南地區(qū)輸送，導(dǎo)致月內(nèi)西南大部地區(qū)降水偏少，部分地區(qū)氣象干旱發(fā)展。西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)面積明顯偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，西伸脊點到達(dá)95°E附近，較常年同期128°E顯著偏西，北界到達(dá)22°N，副高控制下的華南南部月內(nèi)降水明顯偏少；而處在副高邊緣的華南北部和江南南部地區(qū)，暖濕氣流較為活躍，月內(nèi)降水明顯偏多。

2.4 環(huán)流演變與我國天氣

11月各旬歐亞地區(qū)500 hPa大氣環(huán)流發(fā)展演變趨勢的平均位勢高度場如圖5所示，具體如下：

上旬(圖5a)，歐亞中高緯環(huán)流總體呈緯向多波動型。旬內(nèi)環(huán)流由緯向型向經(jīng)向型調(diào)整，氣溫“前暖后冷”，起伏較大。上旬前期，我國大部地區(qū)受高壓脊控制，氣溫回升；2—6日，華北、黃淮等地出現(xiàn)持續(xù)性霧-霾天氣，天津、河北、山東等地低能見度持續(xù)時間較長，嚴(yán)重時段最低能見度不足50 m。4日，里海高壓脊強(qiáng)烈向東北方向發(fā)展，貝加爾湖西側(cè)至巴爾喀什湖一線形成東西向的橫槽，槽后偏北大風(fēng)將極地冷空氣源源不斷向南輸送。隨后橫槽緩慢東移中，由于溫度槽落后于高度槽，有利于槽發(fā)展向南加深，6日20時(北京時，下同)開始，橫槽轉(zhuǎn)豎，環(huán)流經(jīng)向度加大，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣向東南爆發(fā)，隨后自西北向東南影響我國大部地區(qū)，由前期偏暖逆轉(zhuǎn)為偏冷，普遍出現(xiàn)8～16℃的降溫，為全國型寒潮過程；期間多地還伴有大風(fēng)天氣，瞬時風(fēng)力較強(qiáng)。冷空氣南下過程中與槽前暖濕氣流交匯，給我國中東部地區(qū)帶來大范圍雨雪天氣，東北、華北、黃淮有多站日降水量突破11月歷史極值；華北北部、內(nèi)蒙古東部、吉林西部等地普降暴雪，局地出現(xiàn)大暴雪和特大暴雪；內(nèi)蒙古、吉林、遼寧積雪深度超過40 cm，東北部分地區(qū)還出現(xiàn)了凍雨。與常年同期相比，旬內(nèi)我國大部地區(qū)氣溫偏低、降水偏多。

中旬(圖5b)，歐亞中高緯環(huán)流為兩槽兩脊型。西部的高空槽位相較上旬西撤至咸海附近，東亞大槽則東進(jìn)至鄂霍次克海地區(qū)，影響我國的冷空氣勢力明顯減弱，我國大部地區(qū)為弱高壓脊控制，有利于氣溫逐漸回升。旬內(nèi)，全國大部地區(qū)氣溫相較常年同期偏高1～3℃，其中內(nèi)蒙古東部、黑龍江北部的部分地區(qū)偏高4～6℃。高空脊前盛行西北偏西氣流，不利于水汽輸送，導(dǎo)致旬內(nèi)全國大部降水偏少。另外，受靜穩(wěn)天氣形勢影響，16—19日，華北、黃淮、汾渭平原等地出現(xiàn)了持續(xù)性霧-霾天氣。

圖5 2021年11月歐亞500 hPa(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬位勢高度場(單位: dagpm)Fig.5 Eurasia geopotential heights at 500 hPa averaged over the (a) 1st, (b) 2nd and (c) last dekads of November 2021 (unit: dagpm)

下旬(圖5c)，歐亞中高緯環(huán)流調(diào)整為兩槽一脊的形勢，環(huán)流經(jīng)向度加大，冷空氣較為活躍，旬前期和后期先后有兩次冷空氣影響我國，其中19—23日的冷空氣過程給我國大部地區(qū)造成8～12℃的降溫，屬全國型寒潮過程，其降溫強(qiáng)度和雨雪范圍不及11月上旬寒潮過程，降雪主要集中在東北地區(qū)東部，其中吉林東部和黑龍江東部出現(xiàn)大到暴雪，局地大暴雪。28—30日，我國中東部地區(qū)受強(qiáng)冷空氣影響，再次出現(xiàn)大風(fēng)降溫和雨雪天氣。旬內(nèi)東亞大槽明顯偏強(qiáng)，位置偏西，有利于冷暖空氣在我國東部地區(qū)交匯，導(dǎo)致東北地區(qū)和山東等地降水明顯偏多；氣溫冷暖起伏，總體接近常年同期或略偏低。在兩次冷空氣間歇期的25—29日，華北、黃淮、汾渭平原等地出現(xiàn)了霧-霾天氣。

3 冷空氣活動

3.1 概 況

依據(jù)中央氣象臺冷空氣劃分標(biāo)準(zhǔn)，11月有3次冷空氣過程影響我國(表1)，與近三年歷史同期相比(周軍等，2019；張?zhí)旌降龋?019；南洋等，2021)，冷空氣活動頻次較往年(4次)略偏少，但強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，其中4—9日、19—23日為全國型寒潮過程，28—30日為全國型強(qiáng)冷空氣過程。

表1 2021年11月主要冷空氣過程Table 1 Main cold air processes in November 2021

3.2 11月4—9日寒潮天氣過程

4—9日我國自西北向東南經(jīng)歷了一次寒潮天氣過程，造成的影響詳見表1。本次寒潮過程降溫劇烈，我國8℃以上降溫區(qū)域面積達(dá)770.9萬km2，16℃以上降溫區(qū)域面積達(dá)101.1萬km2，全國有116個國家站日降溫幅度達(dá)到或超過歷史極值。依據(jù)氣象行業(yè)《冷空氣過程監(jiān)測》標(biāo)準(zhǔn)，此次寒潮的綜合強(qiáng)度指數(shù)位居1961年以來第四高(國家氣候中心，2021)。寒潮影響期間伴有大風(fēng)天氣，瞬時風(fēng)力強(qiáng)，內(nèi)蒙古呼和浩特最大風(fēng)速達(dá)25.2 m·s-1(10級)，河南平頂山瞬時極大風(fēng)速達(dá)39.2 m·s-1(13級)。冷暖空氣劇烈交匯，還給我國中東部地區(qū)帶來大范圍雨雪天氣，東北、華北地區(qū)有多站日降水量突破11月歷史極值；華北北部、內(nèi)蒙古東部、吉林西部等地普降暴雪或大暴雪，局地出現(xiàn)特大暴雪；東北部分地區(qū)還出現(xiàn)了凍雨。

從500 hPa位勢高度場和海平面氣壓場的演變趨勢來看，此次冷空氣過程為橫槽轉(zhuǎn)豎型，冷空氣的源地為新地島以東洋面，冷空氣經(jīng)喀拉海、泰梅爾半島、俄羅斯地區(qū)進(jìn)入我國，路徑為西北路徑，從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到達(dá)我國河套地區(qū)附近東移和南下，進(jìn)而影響我國大部分地區(qū)。

4日08時，我國中東部地區(qū)受弱高壓脊控制，氣溫處在回升之中。貝加爾湖西側(cè)至巴爾喀什湖有一東西向橫槽，地面冷高壓主體維持在咸海北部地區(qū)，高壓中心強(qiáng)度達(dá)1 047.5 hPa，系統(tǒng)斜壓性強(qiáng)，地面冷鋒前沿開始進(jìn)入新疆北部。

5日08時500 hPa位勢高度場(圖6)可以看出，橫槽緩慢移動至我國新疆沿天山一帶，槽后偏北氣流不斷引導(dǎo)極地冷空氣南下。地面冷高壓強(qiáng)烈向東發(fā)展，主體移到巴爾喀什湖，中心強(qiáng)度加強(qiáng)為1 052.5 hPa，地面冷空氣前鋒到達(dá)新疆南部、甘肅西部和內(nèi)蒙古北部，上述地區(qū)普遍出現(xiàn)大風(fēng)降溫和降雪天氣，新疆東部和南疆盆地出現(xiàn)揚(yáng)沙或浮塵，部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴。

圖6 2021年11月5日08時500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和海平面氣壓(陰影)Fig.6 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded) at 08:00 BT 5 November 2021

6日08時，500 hPa橫槽緩慢移動至甘肅西部，移速慢有利于引導(dǎo)冷空氣補(bǔ)充南下，另外由于溫度槽落后于高度槽，橫槽東移過程逐漸向南加深。地面冷高壓主體東移至蒙古國西部，中心強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，達(dá)1 062.5 hPa，地面冷鋒前沿到達(dá)東北地區(qū)西部、華北北部和西北地區(qū)東部，給上述地區(qū)帶來大風(fēng)、降溫和降雪天氣，內(nèi)蒙古出現(xiàn)中到大雪。6日20時，500 hPa溫度場上-36℃中心南壓至我國內(nèi)蒙古西部，500 hPa槽后強(qiáng)烈冷平流作用使得橫槽向南加深并逐漸轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣向南爆發(fā)，與南支槽前暖濕空氣在我國中東部地區(qū)交匯，帶來大范圍雨雪天氣。由于橫槽轉(zhuǎn)豎，地面冷空氣快速南下，冷鋒西段到達(dá)了貴州、重慶等地。

7日08時(圖7)，500 hPa高空槽東移加深，隨著環(huán)流經(jīng)向度的加大，高空切斷出低渦，位于內(nèi)蒙古河套地區(qū)北側(cè)。地面冷高壓控制著我國西北地區(qū)，高壓中心位于青海北部，中心值達(dá)1 055 hPa，龐大的冷高壓系統(tǒng)前鋒已推進(jìn)到江南北部，造成了全國性的大風(fēng)降溫天氣和雨雪天氣。7日20時，高空500、700和850 hPa深厚的低渦系統(tǒng)前側(cè)強(qiáng)烈輻合上升運(yùn)動有利于地面減壓，在黃海激發(fā)出地面氣旋，沿高空引導(dǎo)氣流向東北方向移動，給東北地區(qū)帶來暴雪天氣。

圖7 同圖6，但為2021年11月7日08時Fig.7 Same as Fig.6, but for 08:00 BT 7 November 2021

8日08時，地面冷空氣前沿到達(dá)華南沿海，南方降雨逐漸減弱。東北地區(qū)受黃海氣旋北上影響，降雪天氣發(fā)展。9日，仍有東北冷渦補(bǔ)充冷空氣影響，10日，隨著高空槽東移入海，冷高壓強(qiáng)度逐漸減弱，寒潮天氣過程趨于結(jié)束。

4 主要降水過程

4.1 概 況

11月主要有2次降水過程。5—9日寒潮過程影響期間，我國東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍雨雪天氣，降水量普遍在10 mm以上，其中東北地區(qū)中南部、華北東部、黃淮東部、江淮東部、江南大部、華南北部有25～50 mm，遼寧北部、山東中北部、福建大部、江西南部等地超過50 mm，遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、河北、河南、山東、天津等地有151個國家站日降水量突破11月歷史極值。降雪主要出現(xiàn)在華北、東北、黃淮等地，其中華北北部、內(nèi)蒙古東部、吉林西部等地普降暴雪或大暴雪，局地出現(xiàn)特大暴雪；內(nèi)蒙古東部、吉林西部、遼寧西部積雪深度超過40 cm；東北地區(qū)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，黑龍江、吉林、遼寧等地還出現(xiàn)了凍雨天氣。21—23日，東北地區(qū)東部再次出現(xiàn)降雪天氣，其中吉林東部和黑龍江東部出現(xiàn)大到暴雪，局地大暴雪。與上旬發(fā)生的寒潮過程相比，本次雨雪天氣影響范圍相對較小。

4.2 11月5—9日東北暴雪天氣過程

本次過程是由高空槽引導(dǎo)北方冷氣團(tuán)東移，和地面氣旋前部的暖濕氣團(tuán)交匯產(chǎn)生的鋒面降水導(dǎo)致。6日08時，500 hPa高空槽位于甘肅西部，地面冷鋒位于東北地區(qū)西部、華北北部至西北地區(qū)東部一線，冷鋒后的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古、東北地區(qū)西部等地出現(xiàn)純雪，其中內(nèi)蒙古中部的部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雪，局地暴雪，華北北部出現(xiàn)弱的雨夾雪或小雨；隨著氣溫繼續(xù)下降，午后華北北部出現(xiàn)降雪。6日20時，隨著橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣向南爆發(fā)，華北中部轉(zhuǎn)為純雪。7日08時(圖8)，500 hPa高空槽東移至河套地區(qū)，地面冷鋒西段移速較快，推進(jìn)至湖南、貴州，冷鋒東段移速較慢，位于山東東部，有利于冷空氣補(bǔ)充加強(qiáng)。從動力條件來看，500 hPa高空槽前以及700 hPa、850 hPa低渦附近的強(qiáng)烈輻合上升運(yùn)動均有利于降雪天氣的產(chǎn)生，華北、黃淮、內(nèi)蒙古東部、遼寧西部等地出現(xiàn)中到大雪，部分地區(qū)出現(xiàn)暴雪或大暴雪，局地出現(xiàn)特大暴雪。7日20時，山東至遼寧700 hPa有低空急流建立，達(dá)20 m·s-1以上，源源不斷地將黃、渤海的水汽向東北地區(qū)輸送，高空冷渦附近強(qiáng)烈輻合上升有利于地面減壓，在黃海激發(fā)出地面氣旋，然后沿槽前西南氣流向東北方向移動。從水汽條件看，8日08時(圖9)，700 hPa和850 hPa低渦東側(cè)偏南氣流和東南氣流分別從黃海和日本海持續(xù)輸送暖濕氣流，加強(qiáng)了降水，造成內(nèi)蒙古東北部、黑龍江、吉林、遼寧等地部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雪天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)暴雪或大暴雪，局地出現(xiàn)特大暴雪。9日08時，地面氣旋中心東移進(jìn)入日本海，黑龍江東部位于地面氣旋北側(cè)，東南風(fēng)持續(xù)輸送水汽，造成該區(qū)域降雪持續(xù)。10日08時，隨著高空槽東移入海，東亞大槽建立，我國大部地區(qū)受槽后西北氣流控制，降雪過程逐漸結(jié)束。

圖8 2021年11月7日08時500 hPa位勢高度場(實線，單位：dagpm)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)向標(biāo))和比濕(陰影)Fig.8 Geopotential height at 500 hPa (solid line, unit: dagpm), wind field and specific humidity (shaded) at 850 hPa (barbs) at 08:00 BT 7 November 2021

圖9 同圖8，但為2021年11月8日08時Fig.9 Same as Fig.8, but at 08:00 BT 8 November 2021

5 霧-霾過程

5.1 概 況

11月，盡管冷空氣強(qiáng)度偏強(qiáng)，但冷空氣過程較歷史同期略少，冷空氣的間歇時間較長，導(dǎo)致我國出現(xiàn)了3次階段性霧-霾天氣過程。分別出現(xiàn)在上旬前期(2—6日)、中旬后期(16—19日)和下旬后期(26—29日)。其中2—6日霧-霾過程具有持續(xù)時間長、污染程度重和能見度較低的特點。

5.2 11月2—6日霧-霾天氣過程

2—6日，受靜穩(wěn)天氣影響，華北中南部、黃淮、江漢、江淮等地氣象條件不利于污染物擴(kuò)散，出現(xiàn)了輕至中度霾，其中4—6日，河北中南部、河南北部、山東西部、天津、北京中南部等地出現(xiàn)重度霾。6日夜間起，受冷空氣和降水共同影響，上述地區(qū)霾天氣自北向南逐漸減弱消散。此外，3—6日的早晨時段，華北中南部、黃淮以及四川盆地南部等地的部分地區(qū)出現(xiàn)大霧天氣，其中影響最重時段為3日早晨至上午，天津、河北中南部、山東西部、河南東部等地出現(xiàn)大范圍能見度不足50 m的特強(qiáng)濃霧，多條高速公路大面積封閉。

從這次持續(xù)霧-霾過程的大尺度環(huán)流背景看(圖10)，2—6日，我國中東部地區(qū)高空500 hPa受緯向環(huán)流控制，冷空氣勢力較弱；平均海平面氣壓場上華北、黃淮等地位于冷高壓前部的均壓場中，等壓線稀疏，氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱，污染物和水汽的水平擴(kuò)散條件較差。同時，華北中南部850 hPa配合有溫度脊發(fā)展，有利于在近地層形成逆溫結(jié)構(gòu)，抑制了污染物和水汽的垂直擴(kuò)散，北京2—6日混合層高度普遍不足800 m，污染物和水汽在低層積聚，有利于霧-霾天氣的發(fā)生和維持，因此出現(xiàn)連續(xù)4天的空氣污染。夜間至上午時段華北、黃淮地區(qū)水汽達(dá)到飽和，相對濕度高，基本在95%以上，有利于大霧天氣的形成。并且高濕環(huán)境有利于液相反應(yīng)，生成二次污染物，進(jìn)一步加重污染。從過程演變看，2—3日，華北中南部、黃淮、江漢等地受不利擴(kuò)散條件影響，污染物開始積累，出現(xiàn)輕至中度霾，其中河南中部、湖北北部等地出現(xiàn)重度霾。4—5日，受持續(xù)偏南風(fēng)影響，污染物向北傳輸，黃淮西部、汾渭平原、華北中南部、東北地區(qū)南部等地先后出現(xiàn)輕至中度霾，河南北部、河北南部、北京等地出現(xiàn)重度霾。6日白天，受冷空氣和降水共同影響，東北地區(qū)南部、汾渭平原大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，霾開始消散，華北中部霾減弱，華北南部和黃淮西部霾天氣維持。6日夜間，隨著橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣向南爆發(fā)，地面風(fēng)力加大到5級，華北、黃淮大氣擴(kuò)散條件全面改善，PM2.5濃度迅速下降，能見度快速好轉(zhuǎn)，霧-霾天氣過程結(jié)束。

圖10 2021年11月2—6日平均500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和海平面氣壓(陰影)Fig.10 Average geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded) from 2 to 6 November 2021

致謝：感謝國家氣象中心宋文彬提供的降水量、降水距平和溫度距平資料。