2021年12月大氣環(huán)流和天氣分析

尤 媛 馬學款 李思騰 關 良

1 國家氣象中心，北京 100081 2 北京城市氣象研究院，北京 100089

提 要： 2021年12月大氣環(huán)流的主要特征是：北半球極渦呈偶極型分布，東亞大槽偏西偏強，西太平洋副熱帶高壓接近常年同期。12月，全國平均降水量為8.7 mm，比常年同期(10.5 mm)偏少17.1%；全國平均氣溫為-2.3℃，比常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃。月內(nèi)出現(xiàn)了3次冷空氣過程和1次大范圍持續(xù)性霧-霾天氣過程，此外超強臺風雷伊正面襲擊南沙群島。

1 天氣概況

1.1 降 水

12月，全國平均降水量為8.7 mm，較常年同期(10.5 mm)偏少17.1%(圖1)。從空間分布看，降水量空間分布不均，除新疆北部和東北地區(qū)北部等地外，我國北方地區(qū)降水量不足10 mm，江南大部、華南大部、西南地區(qū)東部和南部降水量在10～50 mm，福建東南部、廣東東北部和海南東部降水量在50 mm以上；與常年同期相比(圖2)，西北地區(qū)東部、西南地區(qū)南部、華南東北部及西藏大部、黑龍江西北部、河北南部等地降水量較常年同期偏多5成至2倍，西藏大部、內(nèi)蒙古西部、四川北部、云南東南部等地偏多2倍以上；西北地區(qū)中部和西部、華北大部、黃淮、東北地區(qū)南部和西部、江淮、江南、華南西部和西南地區(qū)北部等地降水量偏少2～8成，新疆大部、內(nèi)蒙古西部、青海北部、甘肅西北部、山西北部、河北北部、山東南部、河南東部、安徽北部、江蘇大部、上海、江西北部等地降水量偏少8成以上(國家氣候中心, 2021)。

圖1 2021年12月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation in China in December 2021(unit: mm)

圖2 2021年12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 December 2021(unit:%)

1.2 氣 溫

2021年12月，全國平均氣溫為-2.3℃，較常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃ (圖3)?？臻g分布上，西北地區(qū)大部、東北地區(qū)東部等地氣溫較常年同期偏低，其中西藏大部、新疆中部、黑龍江北部等地偏低1～4℃；華北大部、黃淮、江淮、江南、西南地區(qū)西部和南部、西北地區(qū)東部、新疆北部、內(nèi)蒙古大部、西藏中東部等地偏高1℃以上，其中新疆北部、內(nèi)蒙古東部、河北西部和南部、山東北部和河南北部等地氣溫偏高2～4℃(國家氣候中心, 2021)。

2 環(huán)流特征和演變

圖4為2021年12月北半球500 hPa平均位勢高度場和距平分布，與常年同期相比，12月環(huán)流形勢有以下特點：

圖3 2021年12月全國氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in December 2021(unit: ℃)

2.1 極渦呈偶極型分布，東亞大槽偏強

如圖4a所示，12月北半球極渦呈偶極型分布，主極渦位于加拿大巴芬島附近，另一個極渦中心位于新西伯利亞群島附近。從距平場來看(圖4b)，新西伯利亞群島附近的極渦中心處于負距平區(qū)，強度較常年同期偏強，極渦中心超過-6 dagpm。西伯利亞地區(qū)附近環(huán)流形勢比較平直，中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度小，不利于西北路徑冷空氣南下；東亞大槽強度較常年同期偏強，我國東北地區(qū)受負距平控制，導致東北地區(qū)溫度偏低，我國其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高。

圖4 2021年12月北半球500 hPa平均位勢 高度(a)和距平(b)(單位：dagpm)Fig.4 Geopotential height at 500 hPa (a) and its anomaly (b) in the Northern Hemisphere in December 2021 (unit: dagpm)

2.2 北半球環(huán)流呈三波型，西太平洋副熱帶高壓接近常年同期

12月北半球呈三波型，三個高空槽分別位于北美西部、歐洲南部及東亞東部。西北太平洋副熱帶高壓西脊點位于100°E附近，較常年同期(105°E)偏西，強度接近常年同期。南支槽位于弱的負位勢高度距平內(nèi)，強度較常年略偏強，該形勢有利于孟加拉灣水汽向我國南方地區(qū)輸送，導致月內(nèi)西南大部地區(qū)降水偏多。

2.3 環(huán)流演變與我國天氣

2021年12月上、中、下旬三個時段歐亞地區(qū)500 hPa大氣環(huán)流發(fā)展演變趨勢的平均高度場如圖5所示，具體如下：

上旬(圖5a)，歐亞中高緯環(huán)流總體為西高東低的分布形勢，整體環(huán)流經(jīng)向度不大。在這種環(huán)流背景下，影響我國的冷空氣勢力偏弱，全國大部地區(qū)較常年同期偏高1～2℃。12月9—11日，受靜穩(wěn)形勢影響，華北、黃淮、江淮等地出現(xiàn)了持續(xù)性霧-霾天氣。另外，中東部地區(qū)受西北氣流控制，不利于水汽輸送，導致旬內(nèi)中東部大部地區(qū)降水稀少。

中旬(圖5b)，歐亞中高緯環(huán)流為兩槽一脊型，冷空氣較為活躍，旬前期和中期先后有兩次冷空氣影響我國。其中11—13日受新疆南疆盆地高空槽東移影響，我國中東部大部地區(qū)出現(xiàn)了8～12℃降溫，給甘肅中東部、青海東部及內(nèi)蒙古東部、黑龍江等地帶來較強降雪。 15—18日，貝加爾湖附近的高空槽東移引導冷空氣南下影響我國中東部大部地區(qū)，再次出現(xiàn)大風降溫和雨雪天氣，西北地區(qū)東部、華北、黃淮東部及東北地區(qū)大部出現(xiàn)6～10℃的降溫，局地降溫12～14℃。在兩次冷空氣間歇期的14—15日，華北、黃淮等地出現(xiàn)了霧-霾天氣。

下旬(圖5c)，歐亞中高緯環(huán)流形勢較前期調(diào)整明顯，亞洲東部中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大，地面冷空氣頻繁由西伯利亞東部向東南侵入我國北方地區(qū)，勢力偏強，導致下旬出現(xiàn)了一次全國型寒潮過程。23—26日我國北方地區(qū)降溫明顯，大部地區(qū)氣溫達到2021年入冬以來最低，中東部大部地區(qū)出現(xiàn)雨雪天氣。旬內(nèi)，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。

圖5 2021年12月歐亞500 hPa上(a)、 中(b)、下(c)旬平均位勢高度 (單位: dagpm)Fig.5 Eurasia geopotential heights (unit: dagpm) at 500 hPa averaged in the 1st (a), 2nd (b) and last (c) dekads of December 2021

3 冷空氣活動

3.1 概 況

依據(jù)中央氣象臺冷空氣劃分標準，12月有三次冷空氣過程影響我國(表1)，與歷史同期相比(徐冉等，2020；2019；遲茜元等，2020)，冷空氣活動頻次較2020年(2次)略偏多，與2018年(3次)和2019年(3次)相當，其中11—13日、15—18日為全國中等冷空氣過程，23—26日為全國型寒潮過程。

表1 2021年12月主要冷空氣過程Table 1 Main cold air processes in December 2021

3.2 2021年12月23—26日寒潮天氣過程

23—26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。本次寒潮過程為橫槽轉(zhuǎn)豎型，中東部地區(qū)出現(xiàn)明顯大風降溫，降溫劇烈，大部地區(qū)最低氣溫達到入冬以來最低值，南方地區(qū)氣溫持續(xù)明顯偏低。受此次寒潮過程影響，西北地區(qū)東部、東北地區(qū)東南部、華北、黃淮、江淮、江漢、江南北部和西部及貴州東部等地出現(xiàn)4～10℃降溫，黃淮東部、江淮東部降溫幅度達12～16℃,氣溫降幅超過8℃的國土面積為360×104km2，約占全國面積的38%；氣溫降幅超過14℃的面積為37.6×104km2。西北地區(qū)、華北、黃淮、江淮、江南等地出現(xiàn)降雪或雨夾雪天氣，其中貴州東部、湖南中北部積雪深度達5～10 cm，貴州銅仁、湖南懷化和益陽等局地達10～20 cm。北方和沿海各省出現(xiàn)大風天氣，其中內(nèi)蒙古東南部、遼寧東南部、山東沿海、浙江沿海、福建沿海出現(xiàn)7～9級陣風，浙江中部沿海出現(xiàn)11級陣風。低溫雨雪天氣對上述地區(qū)的居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和能源供應等造成一定不利影響。

從23—26日的500 hPa平均位勢高度場和海平面氣壓場來看(圖略)，大西洋和烏拉爾山附近高壓脊向極地強烈發(fā)展，致使極渦分裂，呈多極型分布，其中一個位于西西伯利亞附近，有利于冷空氣在此堆積，伴隨橫槽旋轉(zhuǎn)，冷空氣分兩股南下，寒潮爆發(fā)。23日08時(圖6)，北方地區(qū)受強冷渦影響，冷空氣主體位于貝加爾湖附近，華北地區(qū)受高空冷槽和弱切變線影響，槽前有弱偏南水汽輸送，冷暖氣流在此交匯，給華北地區(qū)帶來了雨雪天氣。24日08時，500 hPa橫槽下擺，移動至我國華北東部一帶，槽后偏北氣流不斷引導冷空氣南下，地面冷高壓向南移動，主體移到蒙古國一帶，中心強度為1 060 hPa，給我國中東部地區(qū)帶來大風降溫天氣，山西東部、河北南部、山東等地出現(xiàn)小雪或雨夾雪。25日08時，冷高壓主體位置移至我國內(nèi)蒙古東部，隨著冷渦后部的橫槽下擺，冷空氣前鋒到達我國華南北部，持續(xù)影響我國南方地區(qū)。此外，南支槽強度偏強，南方地區(qū)處于槽前輻合區(qū)，為強降雪提供了有利的水汽和動力條件，西北地區(qū)東部、湖北西部、湖南中北部、貴州北部、安徽東南部、山東半島、浙江中部、江西東北部等地部分地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣(圖7)。 27日起，隨著冷空氣逐漸東移入海，寒潮天氣過程趨于結(jié)束。

圖6 2021年12月23日08時500 hPa位勢 高度場(等值線，單位：dagpm)、 850 hPa風場(風羽，單位：m·s-1) 和海平面氣壓(陰影)Fig.6 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa and sea level pressure (shaded) at 08:00 BT 23 December 2021

4 超強臺風雷伊過程分析

4.1 概 況

12月，2021年第22號臺風雷伊具有“強度大，移速快，影響大”的特點，是有歷史記錄以來影響南沙諸島的最強臺風。受“雷伊”和冷空氣共同影響，17—20日，南沙群島、西沙群島、中沙群島出現(xiàn)8～10級陣風，局地11～13級。海南島沿海、廣東沿海、福建南部沿海出現(xiàn)7～9級陣風。三沙市共有5個島礁出現(xiàn)50 mm以上降水，其中超過100 mm的有3個，美濟礁降水量最大為177.8 mm。海南島東半部地區(qū)普降大到暴雨，局地出現(xiàn)大暴雨，其中文昌等9個市縣雨量超過50 mm,局地超過100 mm。臺風降雨對于緩解華南地區(qū)的氣象干旱、增加空氣濕度和降低森林火險氣象等級、增加庫塘蓄水大有裨益(國家氣候中心，2021)。

圖7 同圖6，但為2021年12月25日08時Fig.7 Same as Fig.6, but at 08:00 BT 25 December 2021

4.2 2021年12月17—20日臺風過程

第22號臺風雷伊于12月13日14時在菲律賓棉蘭老島以東洋面生成，以20 km·h-1左右的速度向西偏北方向移動，強度逐漸加強，16日08時在菲律賓棉蘭老島東部近海加強為超強臺風級(圖8)，16—17日以超強臺風級或強臺風級先后登陸菲律賓的錫亞高島、迪亞加特島、帕納翁島、萊特島、薄荷島、宿務島、內(nèi)格羅斯島和巴拉望島等8個島嶼， 17日夜間至20日，南海大部海域出現(xiàn)明顯的大風天氣，我國南沙群島、中沙群島、海南島東部沿海出現(xiàn)8～10級陣風，部分島礁陣風達12級以上，渚碧礁最大陣風達13級，17日20時以強臺風級強度移入南海東南部(圖9)，18日14時再度加強為超強臺風級，穿過南沙群島北部。19日上午轉(zhuǎn)向偏北方向移動，由西沙群島西側(cè)海域向海南島東部海面靠近，強度逐漸減弱。

5 霧-霾過程

5.1 概 況

2021年12月共有1次霧-霾天氣過程，出現(xiàn)在9—11日，較往年同期偏少。

5.2 12月9—11日霧-霾天氣過程

9—11日，受靜穩(wěn)形勢影響，華北中南部、黃淮西部、汾渭平原、江漢、江南北部等地氣象條件不利于污染物擴散，出現(xiàn)了輕至中度霾，局地重度霾，其中10—11日，河南、山東西部、湖北、湖南等地出現(xiàn)重度污染，10日河南鄭州PM2.5峰值濃度達到189 μg·m-3。11日夜間起，受冷空氣東移南下影響，上述地區(qū)霾天氣自北向南逐漸減弱消散。此外，10—11日早晨至上午時段，華北、黃淮、江淮、江漢等地出現(xiàn)了明顯的大霧天氣，其中最重時段為10日早晨至上午時段，河北中南部、山東西部、河南中東部、江蘇北部、安徽北部等地的部分地區(qū)出現(xiàn)能見度不足200 m的強濃霧，局地出現(xiàn)能見度不足50 m的特強濃霧。

圖8 2021年12月16日08時500 hPa位勢高度場 (等高線，單位：dagpm)、850 hPa風場 (風羽，單位：m·s-1)Fig.8 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa at 08:00 BT 16 December 2021

圖9 同圖8，但為2021年12月17日20時Fig.9 Same as Fig.8, but at 20:00 BT 17 December 2021

從此次持續(xù)霧-霾過程的大尺度環(huán)流背景看(圖10)，9—11日，我國中東部地區(qū)高空500 hPa處在西風帶緯向環(huán)流控制中，無明顯槽脊活動，地面高壓主體位于貝加爾湖以西，冷空氣勢力較弱，華北、黃淮等地位于均壓場中，等壓線稀疏，氣壓梯度小，水平風速弱，同時，850 hPa有暖脊發(fā)展，華北中南部、黃淮中西部等地上空處于“暖干蓋”控制，有利于水汽和污染物在近地層積聚，隨著這種靜穩(wěn)形勢的建立，污染物和水汽的水平擴散條件轉(zhuǎn)差，華北中南部、黃淮等地的霾逐漸發(fā)展，有利于霧-霾天氣的形成和維持。夜間至上午時段，華北、黃淮、江淮、江漢地區(qū)相對濕度增高至95%以上，有利于大霧天氣的形成。高濕環(huán)境有利于液相反應，生成二次污染物，進一步加重污染。9日，華北中南部、黃淮、江漢、江南西部等地受不利擴散條件影響，污染物開始積累，出現(xiàn)了輕至中度霾，局地重度霾。10日，受冷空氣前沿小高壓影響，白天受東北路徑冷空氣和降水影響，華北中部大氣擴散條件逐漸好轉(zhuǎn)，霾天氣有所減弱，華北南部、黃淮中西部、江淮中西部、江漢等地大氣擴散條件較差，有輕至中度霾，部分地區(qū)有重度霾，11日，受弱偏北路徑冷空氣以及降水影響，黃淮、江淮、江漢等地的大氣擴散條件有所轉(zhuǎn)好，霾天氣有所減弱，12日02時受冷空氣東移南下持續(xù)影響，地面風場逐漸加大，華北中南部、黃淮中西部、江淮中西部、江漢等地大氣擴散和清除條件逐漸好轉(zhuǎn)，霾天氣自北向南減弱或消散。

圖10 2021年12月9—11日平均500 hPa 平均位勢高度場(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 9 to 11 December 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。