2021/2022年冬季中國(guó)氣候異常特征及南方降水異常偏多成因分析*

支 蓉 鄭志海

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

提 要：2021/2022年冬季，東亞冬季風(fēng)較常年同期偏強(qiáng)，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，我國(guó)平均氣溫較常年同期偏低，在空間型上整體表現(xiàn)為“北暖南冷”的異常分布，全國(guó)平均降水量較常年同期偏多，尤其是青藏高原、西南、華南等地偏多較為明顯。冬季北極濤動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間維持正位相，有利于烏拉爾山阻塞高壓偏弱；而鄂霍次克海阻塞高壓異?；钴S，500 hPa高度場(chǎng)上正距平中心從鄂霍次克海向西延伸至貝加爾湖—巴爾喀什湖附近；此外，冬季北極濤動(dòng)正位相還通過(guò)南歐亞遙相關(guān)型的間接途徑影響東亞冬季氣候，造成中東急流偏強(qiáng)，高原高度場(chǎng)持續(xù)偏低，與赤道中東太平洋的事件相配合，使得東亞地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)整體呈現(xiàn)近似“北高南低”的距平分布，我國(guó)冬季平均氣溫在空間型上整體表現(xiàn)為“北暖南冷”的異常分布，南方地區(qū)降水異常偏多。在季節(jié)內(nèi)變化方面，我國(guó)冬季氣溫呈現(xiàn)“前冬暖、后冬冷”的特點(diǎn)，主要與東亞冬季風(fēng)“前冬偏弱、后冬偏強(qiáng)”的季節(jié)內(nèi)變化特征密切相關(guān)。

引 言

東亞冬季風(fēng)是東亞氣候系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)中國(guó)和整個(gè)東亞地區(qū)冬季的氣候異常有重要影響。東亞冬季風(fēng)起源于西伯利亞高壓，其強(qiáng)度主要取決于西伯利亞高壓的發(fā)展程度(丁一匯，2013)。東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，西伯利亞高壓和阿留申低壓偏強(qiáng)，東亞大槽加深，繼而引導(dǎo)極地冷空氣南下，使得我國(guó)除東北北部和西南地區(qū)以外的大部分地區(qū)氣溫偏低，易發(fā)生強(qiáng)降溫、強(qiáng)降雪等天氣、氣候?yàn)?zāi)害(郭其蘊(yùn)，1994；高輝，2007；Huang et al，2007；陳文等，2013)。

除了季節(jié)平均特征，東亞冬季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變率及其影響也廣受關(guān)注。例如，李崇銀(1988)、Chan and Li(2004)研究表明，東亞冬季風(fēng)具有較為顯著的30～60 d(或準(zhǔn)40 d)以及10～20 d周期性特征。近年來(lái)，由于中國(guó)冬季季節(jié)內(nèi)氣溫變化的“冷-暖(暖-冷)急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生，給短期氣候預(yù)測(cè)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)(丁一匯等，2008；布和朝魯?shù)龋?018；司東等，2016；聶羽等2016)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外眾多專家和學(xué)者開展了大量研究：如韋瑋等(2014)的研究表明，前冬出現(xiàn)全國(guó)型偏暖(冷)或北冷南暖(北暖南冷)的氣溫異常時(shí)，后冬出現(xiàn)類似或相反氣溫異常的概率分別在50%左右；董文杰等(2003)、黃嘉佑和胡永云(2006)及Cohen et al(2014)的研究較為一致地指出，中國(guó)前、后冬氣溫變化趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性；Li et al(2021)的研究表明，20世紀(jì)90年代末以來(lái)，中國(guó)12月和1月平均氣溫的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生頻率大大增加，這一現(xiàn)象可能主要受到中部型ENSO事件的影響，而西伯利亞高壓是二者相聯(lián)系的重要媒介；Ding et al(2021)的研究指出，9—10月北極海冰偏少將有利于后冬1—3月中國(guó)北方，尤其是東北地區(qū)氣溫偏低；Xu et al(2021)的研究則指出，前冬11—12月北極海冰減少將會(huì)造成后冬1—2月東亞大槽加深，有利于東亞冬季風(fēng)的增強(qiáng)。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有：(1)中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心整編的“中國(guó)地面基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”逐日氣溫和降水觀測(cè)資料,包含了中國(guó)2 474個(gè)基本、基準(zhǔn)和一般氣象站1951年1月以來(lái)氣溫、降水的日值數(shù)據(jù)，并在逐日數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算得到逐月和季節(jié)平均數(shù)據(jù)，其中冬季指當(dāng)年12月至次年2月的三個(gè)月平均，如2021/2022年冬季為2021年12月至2022年2月。(2)國(guó)家氣候中心提供的160個(gè)站月降水觀測(cè)資料。(3)大氣環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐月再分析資料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率為2.5°×2.5°。文中所指氣候態(tài)為1991—2020年平均。

東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)采用的是朱艷峰(2008)的定義，即將25°～35°N、80°～120°E范圍內(nèi)500 hPa緯向風(fēng)的平均值減去50°～60°N、80°～120°E范圍內(nèi)500 hPa緯向風(fēng)的平均值，并對(duì)差值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。西伯利亞高壓指數(shù)定義為40°～60°N、80°～120°E范圍內(nèi)海平面氣壓的面積加權(quán)平均值，結(jié)果同樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。AO指數(shù)和高原高度場(chǎng)指數(shù)均來(lái)源于國(guó)家氣候中心“氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”。

文中部分圖形出自國(guó)家氣候中心開發(fā)的“氣象災(zāi)害影響評(píng)估系統(tǒng)”。

2 2021/2022年冬季我國(guó)氣候異常特征

2.1 2021/2022年冬季我國(guó)氣溫異常特征

2021/2022年冬季，全國(guó)平均氣溫為-3.2℃，較常年同期(-3.0℃)偏低0.2℃(圖1a)。從氣溫距平空間分布來(lái)看，氣溫偏低的區(qū)域主要集中在青藏高原、西南、華南、華中南部、東北北部等地，其中青藏高原大部、華南西部等地偏低2℃以上；全國(guó)其余地區(qū)氣溫接近常年同期至偏高(圖1b)。

圖1 (a)1961/1962—2021/2022年冬季全國(guó)平均氣溫歷年變化及(b)2021/2022年冬季全國(guó)氣溫距平分布

2021/2022年冬季，我國(guó)氣溫整體表現(xiàn)為“前冬暖、后冬冷”的階段性變化特征；除西藏地區(qū)整個(gè)冬季表現(xiàn)為持續(xù)異常偏冷外，全國(guó)其余大部分地區(qū)氣溫季節(jié)內(nèi)波動(dòng)特征明顯。2021年12月和2022年1月，全國(guó)平均氣溫分別為-2.3℃和-4℃，均較常年同期(-3℃和-4.8℃)明顯偏高，偏高的異常程度分別位列1981年以來(lái)同期第九位和第八位；除西藏及東北北部等地氣溫持續(xù)較常年同期偏低外，全國(guó)其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高(圖2a、2b)。2022年2月，氣溫迅速轉(zhuǎn)低，全國(guó)整體以一致偏冷為主要特征(圖2c)；全國(guó)平均氣溫為-3.2℃，較常年同期(-1.2℃)偏低2℃，位列1981年以來(lái)同期第六位，為2009年以來(lái)同期最冷；內(nèi)蒙古中西部、青藏高原大部、西南地區(qū)南部、江南、華南等地氣溫偏低2～4℃，其中內(nèi)蒙古中部、華南西部等地偏低超過(guò)4℃。從冬季全國(guó)平均氣溫距平逐候演變曲線也可以明顯看出2021/2022年冬季我國(guó)氣溫呈“前冬暖、后冬冷”的季節(jié)內(nèi)進(jìn)程特點(diǎn)，2021年12月至2022年1月，氣溫維持接近常年至偏暖的狀態(tài)，僅12月第6候氣溫明顯較常年同期偏低；進(jìn)入2月，全國(guó)平均氣溫呈現(xiàn)較常年同期持續(xù)明顯偏低的特點(diǎn)，其中2月第5候較常年同期偏低達(dá)4.5℃(圖2d)。

圖2 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全國(guó)氣溫距平分布，及(d)2021/2022年冬季逐候全國(guó)平均氣溫距平

2.2 2021/2022年冬季我國(guó)降水異常特征

2021/2022年冬季，全國(guó)平均降水量為52.5 mm，較常年同期(42.1 mm)偏多24.7%，位列1981年以來(lái)第八位(圖3a)。除新疆、西北地區(qū)西部、東北地區(qū)南部、華東北部等地降水較常年同期偏少外，全國(guó)其余大部地區(qū)降水接近常年同期至偏多。其中西北地區(qū)東部、西藏大部、西南地區(qū)大部、華中南部、華南等地降水偏多超過(guò)5成，局部超過(guò)1倍(圖3b)。

圖3 同圖1，但為(a)降水量和(b)其距平百分率

2021年12月，降水偏多的區(qū)域主要位于105°E以西，我國(guó)東部地區(qū)整體以降水偏少為主；月平均降水量為8.7 mm，較常年同期(11.9 mm)偏少 26.9%(圖4a)。2022年1月，降水偏多的區(qū)域較前期明顯東擴(kuò)，我國(guó)東部長(zhǎng)江中下游及其以北地區(qū)降水明顯偏多；月平均降水量為18.2 mm，較常年同期(14.3 mm)偏多27.3%，位列1981年以來(lái)歷史第八位(圖4b)。2022年2月，105°E以西地區(qū)降水持續(xù)明顯偏多，東部地區(qū)降水偏多的區(qū)域明顯較1月有所南壓，主要位于江南南部至華南；此外，受2月13日前后一次強(qiáng)降雪過(guò)程影響，華北北部至內(nèi)蒙古中部等地降水也表現(xiàn)為偏多的特征；2月全國(guó)平均降水量為25.5 mm，較常年同期(16.3 mm)偏多56.4%，位列1981年以來(lái)歷史第四位(圖4c)。

圖4 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全國(guó)降水量距平百分率分布

3 2021/2022年冬季北半球大尺度環(huán)流及東亞冬季風(fēng)活動(dòng)特征

3.1 北半球大尺度環(huán)流背景

2021/2022年冬季，AO維持正位相的時(shí)間超過(guò)2/3(圖5c)，有利于烏拉爾山阻塞高壓的偏弱(李崇銀和顧薇，2010)，500 hPa高度場(chǎng)上烏拉爾山附近呈現(xiàn)負(fù)距平特征(圖5a)；而鄂霍次克海阻塞高壓則異常活躍，且高度場(chǎng)正距平中心向西延伸至貝加爾湖—巴爾喀什湖附近(圖5a)，不利于東路冷空氣南下，因此冬季影響我國(guó)的冷空氣路徑整體以偏西為主。青藏高原附近為高度場(chǎng)負(fù)距平中心(圖5a)，從高原高度場(chǎng)指數(shù)逐候演變來(lái)看，整個(gè)冬季大約有2/3 的時(shí)間高原高度場(chǎng)維持在較常年同期偏低的狀態(tài)(圖5d)。東亞地區(qū)高度場(chǎng)整體呈現(xiàn)“北高南低”的距平分布(圖5a)，環(huán)流經(jīng)向度較大，有利于來(lái)自中高緯度地區(qū)的冷空氣南下影響我國(guó)。低層風(fēng)場(chǎng)上(圖5b)，印度北部及孟加拉灣附近為明顯的氣旋式環(huán)流異常，冬季南支槽活動(dòng)較為活躍，西南向水汽輸送持續(xù)偏強(qiáng)；西北太平洋高度場(chǎng)整體呈現(xiàn)負(fù)距平為主的特征(圖5a)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)總體偏弱。持續(xù)的西南向水汽輸送和不斷南下的冷空氣相結(jié)合是我國(guó)南方地區(qū)降水異常偏多的直接原因。

圖5 2021/2022年冬季(a)平均500 hPa高度場(chǎng)(等值線，紅色等值線為氣候平均的5 880 gpm，下同)和距平場(chǎng)(填色),(b)700 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(風(fēng)矢)，(c)AO指數(shù)和(d)高原高度場(chǎng)指數(shù)逐候演變

2021/2022年冬季大氣環(huán)流具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征：2021年12月至2022年1月(圖6a)，歐亞中高緯地區(qū)以緯向型環(huán)流為主，烏拉爾山附近為高度場(chǎng)負(fù)距平，貝加爾湖—巴爾喀什湖及我國(guó)中東部大部分地區(qū)為高度場(chǎng)正距平，東亞大槽整體略偏弱，呈現(xiàn)較典型的冬季風(fēng)偏弱的特征，不利于冷空氣南下，我國(guó)大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高。而2022年2月(圖6b)，環(huán)流形勢(shì)較前期發(fā)生明顯變化，烏拉爾山附近高度場(chǎng)轉(zhuǎn)為正距平，青藏高原高度場(chǎng)負(fù)距平進(jìn)一步加強(qiáng)，貝加爾湖—巴爾喀什湖以南的東亞大部地區(qū)為高度場(chǎng)負(fù)距平所控制，東亞地區(qū)整體呈現(xiàn)“北高南低”的高度場(chǎng)異常分布，環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，冷空氣活躍且較為持續(xù)，我國(guó)大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。

圖6 (a)2021年12月至2022年1月及(b)2022年2月平均500 hPa高度場(chǎng)(等值線,單位：gpm)和距平場(chǎng)(填色)

3.2 東亞冬季風(fēng)活動(dòng)特征

東亞冬季風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)和西伯利亞高壓標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)均顯示2021/2022年冬季平均東亞冬季風(fēng)較常年同期偏強(qiáng)(圖7a,7b)，這與我國(guó)冬季氣溫整體偏低的特征很好對(duì)應(yīng)。為了進(jìn)一步分析冬季氣候的階段性變化特征，圖7c和7d分別給出了東亞冬季風(fēng)和西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)的逐候演變，二者一致反映出東亞冬季風(fēng)季節(jié)內(nèi)“前弱后強(qiáng)”的階段性特征。1月第5候之前，東亞冬季風(fēng)整體持續(xù)偏弱，受其影響，全國(guó)平均氣溫在此期間也維持以偏暖為主的特征(圖2d)；1月第5候之后，東亞冬季風(fēng)轉(zhuǎn)入持續(xù)偏強(qiáng)的狀態(tài)，與之相對(duì)應(yīng)，全國(guó)平均氣溫也從前期持續(xù)偏暖轉(zhuǎn)為后期持續(xù)偏冷的狀態(tài)(圖2d)?？傮w而言，東亞冬季風(fēng)階段性特征與全國(guó)平均氣溫的季節(jié)內(nèi)進(jìn)程特征的反相關(guān)系異常清晰，充分顯示出2021/2022年冬季東亞冬季風(fēng)對(duì)我國(guó)冬季氣溫的直接和顯著影響，這與前人的研究結(jié)果也是一致的(丁婷等，2017；章大全和宋文玲，2018；支蓉和高輝，2019；趙俊虎等，2020；韓榮青等，2021)。

圖7 (a,b)1961/1962—2021/2022冬季標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)歷年變化和(c,d)2021/2022年冬季強(qiáng)度指數(shù)逐候演變(a,c)東亞冬季風(fēng)，(b,d)西伯利亞高壓

4 2021/2022年冬季我國(guó)南方降水異常成因分析

2021/2022年冬季高原高度場(chǎng)持續(xù)偏低，南支槽活躍，使得我國(guó)南方地區(qū)水汽輸送條件較好，降水偏多。圖8a進(jìn)一步給出了冬季高原高度場(chǎng)與降水的相關(guān)分布，可以看出高原高度場(chǎng)與我國(guó)西南和華南地區(qū)的降水呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究表明，AO長(zhǎng)時(shí)間維持正位相，有利于出現(xiàn)南歐亞遙相關(guān)型的正位相(徐寒列等，2012；Li et al，2019)，表現(xiàn)為在歐洲西南部和阿拉伯海以及亞洲東北部為高度場(chǎng)正距平，而在中東和青藏高原地區(qū)為高度場(chǎng)負(fù)距平。該遙相關(guān)波列以副熱帶西風(fēng)急流為波導(dǎo)傳播，在AO正位相維持的情況下，200 hPa緯向風(fēng)距平場(chǎng)上有一支由北大西洋指向阿拉伯海北部的波列(圖8c)，中東急流偏強(qiáng)。圖8b進(jìn)一步給出了中東急流與降水的相關(guān)分布，可以看出，中東急流指數(shù)與我國(guó)南方地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明中東急流偏強(qiáng)有利于我國(guó)南方地區(qū)降水偏多。有研究指出，中東急流偏強(qiáng)有利于冷空氣從偏西路徑影響青藏高原及我國(guó)南方地區(qū)，青藏高原至孟加拉灣附近高度場(chǎng)偏低，低層風(fēng)場(chǎng)上呈現(xiàn)異常氣旋式環(huán)流(圖5b)，南支槽活躍，西南向水汽輸送偏強(qiáng)，與不斷南下的冷空氣相結(jié)合，最終造成冬季我國(guó)南方地區(qū)降水異常偏多(Yang et al，2004；張自銀等，2008；Wen et al，2009；倪東鴻等，2010a;2010b；Mao et al，2011；Yang，2011)。2008年1月我國(guó)南方發(fā)生持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程也與該遙相關(guān)波列密切相關(guān)(Wen et al，2009；徐寒列等，2012)。

圖8 1961/1962—2021/2022年冬季(a)高原高度場(chǎng)指數(shù),(b)中東急流指數(shù)與降水的相關(guān)分布(填色區(qū)為通過(guò)0.05和0.01顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域)，(c)2021/2022年冬季200 hPa緯向風(fēng)距平場(chǎng)

5 結(jié)論與討論

(1)2021/2022年冬季，全國(guó)平均氣溫較常年同期偏低；從氣溫距平的空間分布來(lái)看，整體呈現(xiàn) “北暖南冷”的異常分布；從季節(jié)內(nèi)進(jìn)程來(lái)看，整體表現(xiàn)出“前冬暖、后冬冷”的階段性變化特征。冬季我國(guó)南方地區(qū)降水量較常年同期明顯偏多。

(2)2021/2022年冬季，AO長(zhǎng)時(shí)間維持正位相，烏拉爾山阻塞高壓偏弱，鄂霍次克海阻塞高壓偏強(qiáng)，青藏高原附近高度場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間維持負(fù)距平，導(dǎo)致東亞地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度較大，影響我國(guó)的冷空氣路徑以偏西為主，我國(guó)冬季氣溫偏低的區(qū)域主要集中在青藏高原、西南、華南、華中南部等地，整體呈現(xiàn)“北暖南冷”特征。環(huán)流具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征，2021年12月至2022年1月，東亞中高緯地區(qū)以緯向型環(huán)流為主，西伯利亞高壓偏弱，東亞冬季風(fēng)偏弱，我國(guó)大部地區(qū)氣溫偏高；而2022年2月，環(huán)流形勢(shì)較前期有明顯變化，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，東亞地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，冷空氣活躍且較為持續(xù)，我國(guó)大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。

近年來(lái)，中國(guó)冬季季節(jié)內(nèi)氣溫變化的“冷-暖(暖-冷)急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生，已有工作研究了中部型ENSO以及北極海冰等下墊面異常的影響，但這些影響機(jī)制并不能很好地解釋2021/2022年中國(guó)冬季氣溫的階段性特征，下墊面異常信號(hào)對(duì)東亞冬季風(fēng)及我國(guó)冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率的影響還需要在今后的研究中進(jìn)一步深入探討。

另一方面，本文的研究表明，2021/2022年冬季AO持續(xù)正位相，并通過(guò)副熱帶西風(fēng)急流造成青藏高原高度場(chǎng)偏低，是我國(guó)南方地區(qū)降水偏多的重要原因，然而，AO影響我國(guó)冬季氣候的途徑不止一條，比如直接影響北半球高緯度環(huán)流、通過(guò)中東急流影響中緯度環(huán)流、影響準(zhǔn)定常行星波等(Li et al，2019)，在冬季AO出現(xiàn)異常的情況下，如何預(yù)判優(yōu)勢(shì)的影響途徑，目前的研究還相對(duì)較少，值得進(jìn)一步探討。