2021年秋季我國北方地區(qū)降水異常偏多的特征及成因分析*

李 多 顧 薇

國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

提 要： 2021年秋季，我國氣候總體呈現(xiàn)氣溫偏高、降水偏多的特點(diǎn)。季內(nèi)降水總體表現(xiàn)出“北多南少”的空間分布特征，華西秋雨異常偏強(qiáng)。對北方地區(qū)降水階段性異常偏強(qiáng)的成因分析表明，9月至10月上旬，歐亞中高緯度環(huán)流呈“西低東高”型分布，貝加爾湖—巴爾喀什湖為顯著低槽區(qū)，西太平洋副熱帶高壓持續(xù)偏強(qiáng)、偏大、西伸明顯，秋季前期異常偏北，有利于華西秋雨偏強(qiáng)。同期，850 hPa距平風(fēng)場上日本海以西存在的異常反氣旋式環(huán)流有利于引導(dǎo)偏東路徑的冷濕氣流輸送至黃河與長江之間的地區(qū)，與來自孟加拉灣和南海的暖濕氣流交匯，形成水汽通量異常輻合區(qū)，造成北方地區(qū)降水異常偏多。此外，MJO位于第3～5位相的日數(shù)異常偏多也是北方降水的有利因素之一。進(jìn)一步診斷表明熱帶中東太平洋海溫秋季再次進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，雙峰型拉尼娜的海溫條件有利于西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)西伸偏北。因此，海溫外強(qiáng)迫信號的影響加上低緯和中高緯度環(huán)流異常的共同作用造成9月至10月上旬東亞環(huán)流型異常特征，并進(jìn)一步導(dǎo)致我國北方地區(qū)降水異常偏多。

引 言

中國地處歐亞大陸東南部，氣候特征表現(xiàn)為顯著的季風(fēng)特色。秋季處于夏季風(fēng)系統(tǒng)逐漸南撤減弱，而冬季風(fēng)環(huán)流開始發(fā)展加強(qiáng)的過渡時期。在這一時段，亞洲大陸上空環(huán)流發(fā)生了季節(jié)性轉(zhuǎn)變：東亞夏季風(fēng)南撤、季風(fēng)槽南移、西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)東撤南退，中高緯冷空氣開始活躍。這一時期我國主要降水區(qū)出現(xiàn)在西北地區(qū)東南部、西南地區(qū)東北部和華中地區(qū)西部，被稱為華西秋雨(高由禧，1958；高由禧和郭其蘊(yùn)，1958；中國氣象局，2019)。秋季是農(nóng)作物成熟收獲以及冬季農(nóng)作物播種、移栽的重要季節(jié)，這一時期的氣候不僅會直接影響到當(dāng)年農(nóng)作物的產(chǎn)量，也將影響次年農(nóng)作物的生長生產(chǎn)，因此華西秋雨等秋季天氣氣候現(xiàn)象的異常對保障國家糧食生產(chǎn)安全和民生民計(jì)有重大意義。做好對秋季氣候異常的監(jiān)測預(yù)測和診斷分析不僅有助于正確認(rèn)識和把握華西秋雨等氣候事件的變化規(guī)律，提高短期氣候預(yù)測準(zhǔn)確率，同時也對減輕自然災(zāi)害影響具有重要的理論指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值(白虎志和董文杰，2004；郁淑華，2004；賈小龍等，2008；薛春芳等，2012；侯威等，2015；王春學(xué)等，2015；柳龍生和高拴柱，2018)。

我國秋季降水和氣溫都表現(xiàn)出明顯的年際變率(王春學(xué)等，2015；Zhi et al, 2020； 楊明珠和陳麗娟，2021)。已有研究顯示，秋季氣候的異常往往是多因子綜合作用的結(jié)果，不僅受到熱帶海溫、西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)和青藏高原熱源等下墊面因子的影響(李躍清，1994；陳少勇等，2011；顧薇等，2012；韓晉平等，2013；劉佳等，2015；Gu et al，2015；鄭然等，2018)，同時也受到中高緯度大氣環(huán)流等大氣內(nèi)部動力過程的影響(周游等，2016；Wang and Zhou，2019)。2021年秋季，我國降水表現(xiàn)出“北多南少”的分布特征，華北和西北地區(qū)降水均為1961年以來歷史同期最多，華西秋雨顯著偏多；全國大部地區(qū)氣溫接近常年或偏高，南方地區(qū)高溫天氣明顯。本文將在總結(jié)和歸納2021年秋季主要?dú)夂虍惓Ｌ卣鞯幕A(chǔ)上，重點(diǎn)分析和探討造成氣候異常的大氣環(huán)流因子及可能的外強(qiáng)迫因子，為今后的氣候預(yù)測和服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

2 2021年秋季我國主要?dú)夂蛱卣?/h2>

2021年秋季(9—11月)，全國平均降水量為159.7 mm，較常年同期(119.8 mm)偏多33.3%。降水量距平百分率的空間分布總體呈現(xiàn)“北多南少”的分布特征：華北、東北、內(nèi)蒙古中東部、黃淮、江漢西部、華南中西部、西南地區(qū)東北部、西北地區(qū)大部、新疆東部和西藏西南部降水偏多2～5成，其中華北東部和南部、東北西南部、內(nèi)蒙古中東部局部、黃淮大部、西南地區(qū)東北部部分地區(qū)、西北地區(qū)東部和西藏西南部偏多1倍以上，華北南部、東北南部、黃淮北部和西北地區(qū)東部局部偏多2倍以上(圖1a)。華北地區(qū)平均降水較常年同期偏多160.4%，西北地區(qū)偏多67.8%，均為1961年以來歷史同期最多，東北為1961年以來次多。江淮大部、江漢東部、江南南部、華南東北部、西南地區(qū)南部及北部、新疆西部和西藏東部降水較常年同期偏少2成以上。

圖1 2021年秋季(a)、9月1日至10月10日(b)、10月11日至11月30日(c)降水距平百分率分布Fig.1 Distribution of precipitation anomaly percentage over China in Autumn (a), from 1 September to 10 October (b), from 11 October to 30 November (c) in 2021

2021年秋季降水表現(xiàn)出明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征。秋季前期(9月1日至10月10日)主雨帶位于長江以北地區(qū)，華北大部、東北中部和南部、黃淮、江漢、西南地區(qū)東北部、西北地區(qū)東南部等地降水偏多1倍以上，上述地區(qū)在此期間共出現(xiàn)7次區(qū)域性暴雨過程(9月4日、9月6日、9月16—20日、9月24—26日、9月28日、10月3—7日、10月8—10日)，四川、重慶、貴州、陜西、云南等多地遭受暴雨洪澇災(zāi)害，部分河流發(fā)生超警及超歷史洪水；同時期江淮、江南、華南東部、云南等地區(qū)降水明顯偏少、氣溫偏高，出現(xiàn)了較明顯的氣象干旱和高溫天氣過程(圖1b)。秋季后期(10月11日至11月30日)，北方地區(qū)降水明顯減弱、多雨區(qū)向北收縮至華北北部和東北地區(qū)，而江南南部、華南西部和云南南部降水也較常年同期偏多，因此南方多地的旱情和高溫明顯緩和(圖1c)。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對華西秋雨監(jiān)測的定義(中國氣象局，2019)，2021年華西秋雨于8月23日開始，11月8日結(jié)束，累計(jì)降水量為379.9 mm；與常年相比，開始偏早8 d，結(jié)束偏晚7 d，降水量偏多87.3%。其中華西秋雨北區(qū)(包括陜西南部大部、寧夏南部和甘肅南部)的降水異常尤為突出：秋雨開始日期為8月30日，較常年偏早9 d；結(jié)束日期為10月16日，較常年偏晚3 d；累計(jì)降水量達(dá)388.6 mm，較常年偏多近2倍，為1961年以來最多(圖2)。

圖2 1961—2021年華西秋雨北區(qū)秋降水量距平序列Fig.2 Time series of anomalies of autumn rainfall in the northern part of West China during 1961-2021

2021年秋季，全國平均氣溫為10.6℃，較常年同期(9.9℃)偏高0.7℃(圖3a)。從氣溫距平的空間看，除新疆大部、甘肅西部和四川東北部氣溫較常年同期偏低0.5～1℃(新疆西北部和東南部局部可偏低1～2℃)外，全國其余地區(qū)氣溫以接近常年同期到偏高為主，其中東北北部和東部、內(nèi)蒙古中東部、黃淮南部、江淮、江漢東部、江南大部、西南地區(qū)北部和西藏大部氣溫偏高1～2℃(圖3b)。南方地區(qū)共出現(xiàn)4次階段性區(qū)域高溫過程，平均高溫日數(shù)為6.9 d，較常年偏多5.7 d，為1961年以來歷史同期最多。湖南、福建、江西、廣西、廣東高溫日數(shù)均為歷史同期最多。

圖3 1961—2021年秋季全國平均氣溫歷年變化(a)及2021年秋季平均氣溫距平分布(b)Fig.3 The autumn mean temperature in China during 1961-2021 (a) and distribution of temperature anomalies in autumn 2021 (b)

3 2021年9月至10月上旬我國北方降水異常偏多成因分析

由上述可見，2021年秋季我國氣候異常最明顯的特征是降水呈“北多南少”，包括華西地區(qū)在內(nèi)的北方地區(qū)降水異常偏強(qiáng)，并且這種異常特征在秋季前期(9月至10月上旬)非常明顯，而秋季后期北方地區(qū)強(qiáng)降水和南方高溫都明顯減弱，秋季氣候異常表現(xiàn)出明顯的季節(jié)內(nèi)變化。下文將首先針對大氣環(huán)流進(jìn)行分析，揭示導(dǎo)致上述氣候異常及季內(nèi)變率的環(huán)流成因，再分析海溫這一外強(qiáng)迫因子的可能影響。

3.1 大氣環(huán)流異常特征

2021年9月1日至10月10日：歐亞大陸上空位勢高度距平自北向南呈現(xiàn)“高低高”型分布，自西向東呈“西低東高”型分布，從巴爾喀什湖至貝加爾湖存在寬廣低槽區(qū)，而東亞上空為高壓脊控制，有利于冷空氣的向南擴(kuò)散(圖4a)；同時，副高在這一時期總體呈現(xiàn)面積偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，西伸脊點(diǎn)偏西，特別是脊線異常偏北的特點(diǎn)(為1961年以來同期最偏北的年份)，這樣的特征有利于引導(dǎo)低緯水汽向北輸送(圖5)。這與前人工作中指出的有利華西秋雨偏強(qiáng)的環(huán)流模式，即貝加爾湖—巴爾喀什湖地區(qū)低壓槽偏強(qiáng)造成冷空氣的分裂東移，同時配合偏強(qiáng)西伸的副高外圍暖濕氣流有利于秋雨偏強(qiáng)(鮑媛媛等，2003；王遵婭和丁一匯，2008；袁旭和劉宣飛，2013；Zhi et al,2020)相匹配，因此環(huán)流因素是導(dǎo)致2021年秋季華西地區(qū)降水偏強(qiáng)的直接因素。同一時段，850 hPa矢量風(fēng)距平場顯示(圖4b)，日本海以西存在的異常反氣旋環(huán)流底部偏南/東南氣流可引導(dǎo)來自東北亞及日本海上的冷濕氣流向我國東北、華北、黃淮等地輸送，副高外圍的東南引導(dǎo)氣流與來自孟加拉灣和南海北上的西南氣流交匯于西南南部至華西秋雨地區(qū)并繼續(xù)向北輸送，并最終與上述東北亞—日本海冷濕氣流在長江以北地區(qū)會合，使得該地區(qū)成為水汽通量異常輻合區(qū)(圖4c)，造成華北、東北、黃淮、江漢、西南東北部、西北東南部等地降水顯著偏多；同時副高控制了江淮—江南地區(qū)，使得異常反氣旋控制了長江以南大部分地區(qū)，盛行的下沉氣流使得水汽輻散(圖4c)，降水偏少、氣溫偏高。

圖4 2021年9月1日至10月10日平均大氣環(huán)流距平場 (a)500 hPa位勢高度距平場(黑點(diǎn)為通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)區(qū)域)，(b)850 hPa距平風(fēng)場，(c)對流層整層積分水汽通量距平(箭矢，單位：kg·s-1·m-1)及水汽輸送通量散度距平場(填色，單位：10-5 kg·s-1·m-2)Fig.4 Averaged atmospheric circulation anomalies from 1 September to 10 October 2021(a) 500 hPa geopotential anomalies (black dotted area has passed the significance test at 0.10 level),(b) 850 hPa wind anomalies， (c) anomalies of moisture flux integrated from 1 000 hPa to 300 hPa (vector, unit: kg·s-1·m-1) and its divergence (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2)

圖5 2021年秋季副高特征指數(shù)序列(a)副高面積，(b)副高強(qiáng)度，(c)脊線位置Fig.5 Time series of WPSH indices in autumn 2021(a) area, (b) intensity, (c) ridge line

3.2 MJO對秋季前期北方地區(qū)降水偏多的可能影響

MJO(Madden-Julian oscillation)是熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率(intraseasonal variability,ISV)的主要模態(tài)(Madden and Julian,1971；1972)，其主要表現(xiàn)為對流活動從熱帶西印度洋的向東傳播，并具有緩慢東傳和北傳的特征(Chen and Wang,2018)。目前，關(guān)于MJO對我國降水的研究多集中在西南、華南、長江中下游等南方地區(qū)，研究時段多為夏冬兩季(Zhang et al,2009；李崇銀等，2013；Yao et al,2015；袁媛等，2017；吳捷等，2018)。而秋季MJO活動對我國降水影響的研究相對較少。

從監(jiān)測實(shí)況來看(圖6a)：2021年9月至10月上旬，MJO主要位于第3～5位相(對流中心位于東印度洋-海洋性大陸)，并且在9月10—20日，以及9月26日至10月10日出現(xiàn)明顯活躍階段。這兩個時段與前文提到的幾次北方地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水過程的時間基本吻合。本文計(jì)算了1981—2021年逐年秋季MJO位于第3～5位相的日數(shù)，發(fā)現(xiàn)2021年的日數(shù)(40 d)較常年同期(19.2 d)偏多1倍以上，居歷史排名第三多(僅次于2020年的42 d和2009年的41 d)(圖6b)；進(jìn)一步地，將這41年秋季MJO位于第3～5位相的日數(shù)超過常年平均值1倍標(biāo)準(zhǔn)的年份作為異常偏多年，并將其9月至10月上旬的降水和低層風(fēng)場(850 hPa)進(jìn)行合成分析，結(jié)果表明：秋季，當(dāng)MJO位于第3～5位相的日數(shù)較多時，我國長江以北地區(qū)降水總體偏多，特別是黃淮、華北、東北等地降水偏多顯著(圖6c)；而同期低層風(fēng)場顯示低緯有兩支水汽輸送通道，分別是經(jīng)孟加拉灣北上的西南氣流，以及由南?！魈窖螽惓庑斔偷臇|南氣流，二者交匯后持續(xù)向長江以北地區(qū)輸送，為上述地區(qū)的降水帶來有利條件。這也說明2021年秋季MJO位于第3～5位相的日數(shù)異常偏多可能是有利于北方降水偏多的因素之一。但MJO影響北方地區(qū)秋季降水的具體影響機(jī)制還有待將來深入探討。

圖6 2021年9月1日至10月15日MJO位相監(jiān)測(a)，1981—2021年秋季MJO位于第3～5位相的日數(shù)距平序列(b)，秋季MJO位于第3～5位相的日數(shù)異常偏多年的9月至10月上旬降水距平百分率(c)，及偏多年合成的9月1日至10月10日850 hPa距平風(fēng)場合成(d)Fig.6 MJO phase space from 1 Septemer to 15 October 2021 (a), time series of days number anomaly of MJO in 3rd to 5th phases in autumns of 1981-2021 (b), precipitation anomaly percentage from September to early October in those years with more days of MJO in the 3rd to 5th phases in autumn (c), 850 hPa wind anomaly fields (d)

3.3 海溫異常及演變的可能影響

圖7 2019—2021年指數(shù)和SOI指數(shù)(a),2021年秋季海表溫度距平(b) SOI index during 2019-2021 (a), the average SST anomaly in autumn 2021 (b)

作為在熱帶氣候系統(tǒng)中季節(jié)到年際變化的主導(dǎo)模態(tài)，厄爾尼諾-南方濤動(簡稱ENSO)對全球天氣有著重大影響(Glantz，2001)。對我國秋季氣候而言，熱帶太平洋的海溫狀況是重要外強(qiáng)迫因子之一(諶蕓和施能，2003；劉宣飛和袁慧珍，2006；顧薇等，2012；柳艷菊等，2013；何珊珊等，2015；竺夏英和宋文玲，2017；支蓉等，2018；趙俊虎和王永光，2019；孫林海和王永光，2020；楊明珠和陳麗娟，2021)。總體而言，在拉尼娜年的秋季，副高位置偏北、巴爾喀什湖附近容易低槽活躍，我國降水易出現(xiàn)“北多南少”的異常分布特征。

2021年秋季赤道中東太平洋海溫的一個顯著特點(diǎn)是處于雙峰型拉尼娜次年，即連續(xù)兩年都發(fā)生了拉尼娜事件的第二年。選取1981年以來同樣為雙峰型拉尼娜次年的秋季(1984、1999、2000、2011和2017年)降水及環(huán)流進(jìn)行合成，結(jié)果表明：在雙峰型拉尼娜次年秋季，亞洲中高緯地區(qū)環(huán)流呈現(xiàn)“西低東高”型分布，巴爾喀什湖至貝加爾湖以西為異常低槽區(qū)，副高異常偏強(qiáng)、偏西、偏北(圖8a)；低層風(fēng)場上，中心位于渤海上空的異常反氣旋環(huán)流西側(cè)的異常偏東/東南氣流將海洋上的水汽向華北、黃淮、江淮、西北地區(qū)東部等地區(qū)輸送，并與低緯北上的暖濕氣流交匯于長江以北(圖8b)；最終導(dǎo)致這些地區(qū)降水的異常偏多(圖8c)。這些環(huán)流特征在2021年的環(huán)流場(圖4)中都有較明顯的體現(xiàn)，進(jìn)一步說明雙峰型拉尼娜事件次年赤道中東太平洋冷海溫對于2021年秋季氣候異常起到了比較明顯的作用。

圖8 海溫相似年秋季合成分析(a)500 hPa位勢高度距平場(黑點(diǎn)為通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)區(qū)域)，(b)850 hPa距平風(fēng)場分布，(c)降水量距平百分率Fig.8 Composite analysis of SST distribution in autumn over similar years of “double-dip” La (a) 500 hPa geopotential height (Black dotted area has passed the significance test at 0.10 level), (b) 850 hPa wind anomaly fields, (c) precipitation anomaly percentage

4 結(jié)論與討論

本文結(jié)合臺站觀測資料、再分析資料和海溫資料，詳細(xì)揭示了2021年秋季我國氣候異常的主要特征，在此基礎(chǔ)上分析了造成該異常的環(huán)流特征和外強(qiáng)迫信號，結(jié)論如下：

(1)2021年秋季，我國降水呈現(xiàn)“北多南少”的分布特征，華北和西北地區(qū)降水均為1961年以來歷史同期最多，東北為1961年以來第二多。華西秋雨開始偏早、結(jié)束偏晚、秋雨量顯著偏多，其中華西秋雨北區(qū)雨量是1961年以來最多，南區(qū)降水量也較常年偏多近1倍。同時，南方地區(qū)總體表現(xiàn)出“溫高雨少”的特征，高溫日數(shù)為1961年以來同期最多，華南等地區(qū)階段性氣象干旱明顯。

(2)大氣環(huán)流和水汽輸送異常是造成2021年我國秋季前期(9月至10月上旬)北方地區(qū)降水異常偏多的直接原因。在對流層中上層(500 hPa)，歐亞中高緯總體呈現(xiàn)“兩脊一槽”的環(huán)流特征，中緯度在貝加爾湖至巴爾喀什湖地區(qū)存在顯著的低槽區(qū)，低緯度地區(qū)副高偏強(qiáng)偏西、脊線位置在秋季前期異常偏北，有利于西北太平洋上的水汽向北方地區(qū)輸送；低層風(fēng)場上(850 hPa)，日本海以西存在的異常反氣旋環(huán)流引導(dǎo)來自東北亞及日本海上的冷濕氣流向我國黃淮以北地區(qū)輸送，并與來自孟加拉灣和南海北上的西南氣流在長江以北地區(qū)會合，使得北方成為水汽通量異常輻合區(qū)，從而造成我國北方地區(qū)降水異常偏多。另外，MJO在秋季前期位于第3～5位相也有利于北方地區(qū)降水的偏多。

(3)2021年春季上一次拉尼娜事件結(jié)束之后，秋季赤道中東太平洋冷水再次加強(qiáng)發(fā)展并進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，使得2021年秋季處于雙峰型拉尼娜次年。已有研究和本文的合成分析均顯示，雙峰型拉尼娜事件次年的赤道中東太平洋冷水效應(yīng)有利于副高位置偏北、巴爾喀什湖附近低槽活躍，從而有利于更多的水汽在我國北方地區(qū)輻合，導(dǎo)致我國降水出現(xiàn)“北多南少”的分布特征。2021年秋季東亞大氣環(huán)流和我國降水也表現(xiàn)出類似的特征，說明雙峰型拉尼娜事件對于我國氣候異常產(chǎn)生了較為明顯的影響。

值得注意的是，2021年秋季東亞地區(qū)大氣環(huán)流和我國氣候異常都表現(xiàn)出非常明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征。副高在秋季前期(9月1日至10月10日)持續(xù)偏北，后期(10月11日至11月30日)則主要表現(xiàn)出偏南的特征；相應(yīng)的，北方地區(qū)的強(qiáng)降水過程和南方地區(qū)的高溫天氣過程主要也都出現(xiàn)在秋季前期。對于這種季節(jié)內(nèi)變化特征，持續(xù)性較好的海溫異常顯然是無法解釋的，這也說明2021年秋季氣候異常一定還受到其他因子的影響，是多因子綜合作用的結(jié)果。比如，前文已經(jīng)提到秋季的這種季節(jié)內(nèi)變化特征可能與MJO所處的位相有著較為緊密的聯(lián)系。但有關(guān)MJO及其他的潛在因子對2021年秋季氣候異常的影響仍有待于進(jìn)一步的深入研究。