2022/2023年冬季北半球大氣環(huán)流特征及對我國天氣氣候的影響*

李 想 王永光

國家氣候中心,北京 100081

提 要：2022/2023年冬季全國平均氣溫較常年同期偏高0.2℃,我國大部地區(qū)氣溫偏高;全國平均降水量較常年同期偏少24.6%,空間上呈現北多南少的分布形勢。東亞冬季風標準化指數為0.25,較常年同期略偏強;西伯利亞高壓標準化強度指數為0.47,較常年同期略偏強;冬季北極濤動指數為-0.6,“前負后正”的階段性特征顯著;西太平洋副熱帶高壓強度指數為-45.6 gpm,較常年同期偏弱;冬季歐亞大陸中高緯地區(qū)500 hPa為西高東低的環(huán)流形勢,我國除華北、東北高度場偏低外,其余地區(qū)高度場偏高。冬季大氣環(huán)流具有顯著的季節(jié)內變化特征,12月為異常經向型環(huán)流,2月轉為緯向型環(huán)流;對應冬季風也表現為前強后弱的變化趨勢。北大西洋海溫三極子(NAT)與烏拉爾山500 hPa高度場相關結果顯示,8月、9月NAT與12月烏拉爾山地區(qū)高度場呈顯著負相關,前期NAT異常負位相(正位相)有利于前冬東亞經向環(huán)流加強(減弱)。

引 言

我國位于東亞季風區(qū),東亞冬季風的異常對我國冬季的天氣氣候有著直接的影響(朱乾根,1990;黃榮輝等,2014)。作為北半球冬季最活躍的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一,東亞冬季風與全球范圍的大氣環(huán)流變化緊密聯系,季風的強度、季節(jié)和年際變化均與大氣環(huán)流的異常密切相關,冬季風偏強時,對流層中低層烏拉爾山阻塞高壓和西伯利亞近地面高壓偏強,高壓前部偏北氣流引導中高緯冷空氣南下,不僅導致我國中東部大部地區(qū)氣溫偏低(丁一匯等,2004;Li et al,2021),同時極易發(fā)生寒潮,引發(fā)劇烈的低溫冷凍災害,給國民經濟尤其是農林、畜牧、交通運輸、電力等行業(yè)及人民生命財產安全造成嚴重的危害(鄭國光,2019)。反之當東亞冬季風偏弱時,烏拉爾山阻塞高壓和西伯利亞高壓均偏弱,冷空氣被阻擋在中高緯地區(qū),我國則容易出現暖冬(Chang and Lun,1982;高輝,2007;聶羽等,2016)。

另外,由于北大西洋暖流是最主要的向北極輸送熱量的洋流,秋季北大西洋暖流偏強會導致北極海冰異常偏少,因此北大西洋海溫與冬季風的關系也受到了越來越多的關注。利用北大西洋海溫資料和大氣再分析資料,聶羽等(2016)分析了秋季北大西洋海溫三極子和北大西洋濤動(North Atlantic oscillation,NAO)之間的關系,發(fā)現從次季節(jié)的角度兩者有很好的相關關系。還有研究發(fā)現秋、冬季大西洋海溫異常能夠激發(fā)出定常波列,引起烏拉爾山地區(qū)阻塞高壓的生成和發(fā)展,導致西伯利亞高壓加強,使得東亞冬季風異常(李崇銀和顧薇,2010;Luo et al,2016;Chen et al,2019)。這些研究強調了北大西洋暖流對東亞冬季風偏強的重要作用。

近年來國家氣候中心每年都及時開展冬季氣候異常特征的分析及成因診斷工作(丁婷等,2017;章大全和宋文玲,2018;支蓉和高輝,2019;支蓉和鄭志海,2022;趙俊虎等,2020;韓榮青等,2021)。2022/2023年冬季(2022年12月至2023年2月),東亞冬季風強度較常年同期(文中所用多年平均時段為1991—2020年平均)略偏強,西伯利亞高壓強度接近常年同期,我國平均氣溫較常年同期偏高,但氣溫的波動性較大,具有前冬冷后冬暖的特征,前冬偏冷時段主要發(fā)生在2022年12月,除東北北部、西南地區(qū)及青藏高原氣溫較常年同期偏高外,我國其余大部地區(qū)氣溫偏低,全國有多個國家氣象站日最低氣溫達到極端事件監(jiān)測標準。冬季全國平均降水量較常年同期明顯偏少,尤其是南方地區(qū)偏少更為明顯。對于2022/2023年我國冬季氣溫異常空間分布及階段性特征與東亞大氣環(huán)流之間有著怎樣的聯系?除了ENSO循環(huán)外,是否還有其他因子可能與前冬氣溫異常偏低有關,包括相互之間存在怎樣的關系?本文將針對以上問題展開分析。

1 資料和方法

2 2022/2023年冬季我國氣候異常特征

2.1 2022/2023年冬季我國氣溫異常特征

2022/2023年冬季,全國平均氣溫為-2.9℃,較常年同期(-3.1℃)偏高0.2℃(圖1a)。從全國冬季氣溫距平的空間分布來看(圖1b),河北北部、內蒙古東北部、黑龍江北部、貴州西部、新疆西部和北部等地氣溫偏低0.5～2℃,全國其余大部地區(qū)氣溫接近常年同期或偏高,其中吉林中部、四川西北部和西南部、云南西南部、西藏大部、青海南部等地氣溫偏高1～2℃。

圖1 (a)1961/1962—2022/2023年冬季全國平均氣溫距平歷年變化及(b)2022/2023年冬季全國氣溫距平分布Fig.1 (a) Time series of winter mean temperature anomalies over China during 1961/1962-2022/2023 and (b) distribution of temperature anomalies over China in winter 2022/2023

2022/2023年冬季氣溫階段性起伏大,前冷后暖,冬季3個月的全國平均氣溫分別為-4.2、-4.4和0.3℃,其中2022年12月較常年同期偏低1.2℃,2023年1月和2月分別較常年同期偏高0.4℃和1.6℃。由逐月氣溫的空間分布可見,2022年12月(圖2a),除東北北部、西南、西藏等地氣溫較常年同期偏高外,全國其余大部地區(qū)偏低;2023年1月(圖2b),除內蒙古東北部、東北北部、西南地區(qū)東南部、西北、新疆等地氣溫偏低外,其余地區(qū)氣溫偏高;2月(圖2c)全國大部分地區(qū)氣溫偏高。從旬時間尺度來看(圖2d),2022年12月各旬平均氣溫均偏低,2023年1月上旬偏高2.0℃,為1961年以來歷史同期第五高,1月下旬偏低0.8℃, 2月增溫迅速,上旬偏高2.1℃,為1961年以來歷史同期第五高。根據國家氣候中心冷空氣監(jiān)測標準(王遵婭等,2017),2022/2023年冬季共有12次冷空氣過程影響我國,冷空氣累計日數為31 d(表1),次數較常年同期(10.7次)偏多。其中一般性冷空氣過程7次,強冷空氣過程2次,寒潮和全國型寒潮過程合計3次。全國有168個國家氣象站日最低氣溫達到極端事件監(jiān)測標準,其中黑龍江呼中(-49.8℃)、新林(-48.3℃)等13個站突破當地歷史極值。全國有169個國家氣象站日降溫幅度達到極端事件監(jiān)測標準,其中黑龍江樺川(14.9℃)、安徽馬鞍山(14.2℃)等23個站突破當地日降溫幅度歷史極值。1月22日07時黑龍江漠河市阿木爾鎮(zhèn)勁濤氣象站最低氣溫達到-53℃,刷新我國有完整氣象記錄以來歷史最低氣溫值。

表1 2022/2023年冬季冷空氣過程Table 1 Cold air events over China in winter 2022/2023

圖2 (a)2022年12月, 2023年(b)1月和(c)2月全國平均氣溫距平分布,(d)2022/2023年冬季逐旬全國平均氣溫距平Fig.2 Distribution of temperature anomalies over China in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023 and (d) dekad mean temperature anomalies over China in winter 2022/2023

2.2 2022/2023年冬季我國降水異常特征

2022/2023年冬季,全國平均降水量為31.8 mm,較常年同期(42.1 mm)偏少24.5%(圖3a)。與常年同期相比,北京、河北大部、山西中部和北部、內蒙古西部、陜西北部、甘肅中部、青海東北部、寧夏、新疆西南部等地降水量偏多2成至2倍,局地偏多2倍以上;全國其余大部地區(qū)降水以偏少為主,其中山東東部、湖北東南部、廣西西部和北部、四川南部、云南大部、西藏中部、青海南部、新疆東部等地偏少5～8成,局地偏少8成以上(圖3b)。

圖3 (a)1961/1962—2022/2023年冬季全國平均降水量歷年變化和(b)2022/2023年冬季全國降水量距平百分率分布Fig.3 (a) Time series of winter mean precipitation over China during 1961/1962-2022/2023 and (b) distribution of precipitation anomaly percentage in winter 2022/2023

2022年12月,除內蒙古西部、黑龍江東部、浙江東南部、福建東北部、四川南部、貴州、云南、新疆北部等地降水較常年同期偏多外,我國其余大部地區(qū)降水偏少。全國平均降水量為7.5 mm,較常年同期(11.9 mm)偏少37.0%(圖4a)。2023年1月,北京、天津、河北、山西、內蒙古大部、遼寧、吉林東南部、安徽北部、廣東大部、廣西東南部、海南、西藏西部、青海西部、新疆大部等地降水較常年同期偏多,我國其余地區(qū)降水偏少。全國平均降水量為8.8 mm,較常年同期(14.3 mm)偏少38.5%(圖4b)。與冬季前2個月相比,2月降水偏多的地區(qū)明顯增多,其中北京、河北、山西、黑龍江西南部、四川西部、西藏東部、陜西北部、甘肅中東部、青海北部、新疆東部和西部偏多1倍以上,部分地區(qū)偏多2倍。全國平均降水量為15.5 mm,接近常年同期(16.1 mm)(圖4c)。

圖4 (a)2022年12月,2023年(b)1月和(c)2月全國降水量距平百分率分布Fig.4 Distribution of the precipitation anomaly percentages over China in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023

3 2022/2023年冬季北半球大尺度環(huán)流及東亞冬季風活動特征

3.1 北半球大尺度環(huán)流背景

2022/2023年冬季,歐亞大陸中高緯地區(qū)500 hPa高度場呈西高東低的分布形勢(圖5a),貝加爾湖以西到歐洲均為高度場正距平控制,貝加爾湖以東到亞洲東北部為高度場負距平。我國除華北和東北地區(qū)高度場偏低外,其余地區(qū)均為高度場正距平控制。另外,熱帶地區(qū)高度場為負距平。在700 hPa平均風場距平場上(圖5b),孟加拉灣附近為反氣旋式環(huán)流異常,冬季南支槽不活躍,我國東部大陸為偏東北風異?？刂?來自西南的水汽輸送較弱,是我國冬季大部地區(qū)降水異常偏少的直接原因。對冬季AO的監(jiān)測結果顯示,整個冬季3個月的平均AO指數為-0.6,同時AO“前負后正”的階段性特征顯著(圖5c),表現為12月和1月負指數,2月轉為正指數。對西太副高的監(jiān)測顯示,其冬季大部分時間強度偏弱(圖5d)、面積偏小(圖略)、脊線位置略偏北(圖略)。

圖5 2022/2023年冬季(a)平均500 hPa位勢高度場(等值線,單位:gpm)及距平場(填色),(b)700 hPa風場距平(風矢),(c)AO指數和(d)西太副高強度指數逐日演變Fig.5 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and anomalies (colored), (b) 700 hPa wind anomalies (wind vector), and (c, d) daily variations of (c) Arctic oscillation and (d) intensity index of Northwest Pacific subtropical high in winter 2022/2023

2022/2023年冬季大氣環(huán)流具有顯著的季節(jié)內變化特征:2022年12月(圖6a),歐亞中高緯地區(qū)500 hPa高度場呈西高東低分布,烏拉爾山地區(qū)高度場為正距平控制,東亞大部地區(qū)為高度場負距平,同時極地地區(qū)高度場為正距平,對應AO為強的負位相,這種環(huán)流分布有利于極地冷空氣南下影響我國,導致12月我國大部地區(qū)氣溫異常偏低。12月副熱帶地區(qū)高度場偏低,西太副高強度偏弱,印度北部至孟加拉灣高度場為正距平,即南支槽強度偏弱,水汽輸送偏少,這是我國大部地區(qū)降水異常偏少的直接原因。2023年1月歐亞中高緯地區(qū)500 hPa仍為西高東低的環(huán)流形勢,烏拉爾山地區(qū)高度場為正距平,貝加爾湖以東地區(qū)為高度場負距平,我國除華北、東北高度場偏低外,其余地區(qū)高度場均為正距平,這種環(huán)流形勢下冷空氣影響偏北,因此我國南方大部地區(qū)氣溫偏高。進入2月之后,環(huán)流形勢進一步向緯向型調整,極地高度場為負距平,AO也由前期的負位相轉變成正位相,烏拉爾山地區(qū)高度場正距平明顯減弱,我國上空高度場為正距平,這種環(huán)流形勢不利于極地冷空氣南下影響我國,導致我國2月氣溫較常年同期明顯偏高。

圖6 (a)2022年12月,2023年(b)1月和(c)2月平均500 hPa位勢高度場(等值線,單位:gpm)及距平場(填色)Fig.6 The monthly mean geopotential height (contour, unit: gpm) and anomalies (colored) at 500 hPa in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023

3.2 東亞冬季風活動特征

東亞冬季風是東亞氣候系統(tǒng)的重要組成部分,其強弱對中國冬季的氣候異常有重要影響。2022/2023冬季,冬季風標準化強度指數值為0.25,西伯利亞高壓標準化強度指數為0.47。兩個指數均顯示2022/2023年冬季東亞冬季風強度較常年同期略偏強,但弱于2021/2022年冬季(圖7a,7b),這與我國冬季氣溫整體接近常年同期但較去年冬季偏高的特征對應。

圖7 1961/1962—2022/2023冬季(a)東亞冬季風標準化強度指數和(b)西伯利亞高壓標準化強度指數歷年變化Fig.7 Variations of (a) East Asia winter monsoon standardized intensity index and (b) Siberian high standrdized intensity index in winters of 1961/1962-2022/2023

為了進一步分析冬季氣候的階段性變化特征,計算分析了東亞冬季風和西伯利亞高壓強度指數的逐候演變特征(圖8)。2022/2023年冬季東亞冬季風指數的逐候演變與我國冬季氣溫的階段性變化特征一致。2022年12月冬季風處于異常偏強的狀態(tài),對應烏拉爾山地區(qū)高度場異常偏高,歐亞中高緯環(huán)流為西高東低的異常經向型分布,AO也處于明顯的負位相。2023年1月上半月,隨著環(huán)流形勢的調整,冬季風強度指數異常偏弱,我國氣溫明顯回升,但下半月冬季風強度再次加強,加之前期氣溫回升明顯,因此下半月共有3次寒潮過程影響我國。進入2月之后,冬季風強度再次轉弱,盡管在2月第3候冬季風短暫加強,但由于整月歐亞中高緯環(huán)流基本以緯向型環(huán)流為主,AO也由前期的負位相轉為正位相,同時我國上空高度場為正距平控制,鋒區(qū)位置偏北,最終使2月全國氣溫顯著偏高。綜合來看,東亞冬季風階段性特征與我國平均氣溫的季節(jié)內變化特征表現為明顯的反相關關系。

圖8 2022/2023冬季東亞冬季風強度指數逐候演變Fig.8 Pentad variation of East Asia winter monsoon intensity index in winter 2022/2023

4 2022年12月我國異常偏冷成因分析

2022/2023年冬季全國平均氣溫較常年同期偏高,但氣溫的階段性變化特征明顯,前冷后暖起伏大,尤其在2022年12月,除青藏高原外,全國大部地區(qū)氣溫異常偏低,其中華北中北部、東北東南部、華南東南部、新疆大部等地偏低2～4℃。這種現象與同期歐亞中高緯大氣環(huán)流形勢密切相關。烏拉爾山地區(qū)500 hPa高度場受正異?？刂?歐亞中高緯維持較強的經向型環(huán)流,有利于極地冷空氣南下影響我國。那么,是什么原因導致12月烏拉爾山地區(qū)高度場偏高,以及能否找到前期的預測信號呢?

研究表明,由于大氣具有典型的非線性特征,對于季節(jié)和季節(jié)內時間尺度的氣候預測一直是一個巨大的挑戰(zhàn),尤其冬季氣候受到以大氣內部動力為主的中高緯系統(tǒng)影響,其預報難度更大(丁一匯,2011)。韋瑋等(2014;2020)認為引起冬季季內氣溫變化的主要因子為大氣內部遙相關型,在前后冬冷暖相反的年份,對流層中層斯堪的納維亞遙相關型是季節(jié)內冬季風環(huán)流一致加強或減弱的主要原因。對華北地區(qū)冬季季內極端冷暖快速反轉事件的機理研究發(fā)現,源于喀拉海附近的Rossby波可在歐亞大陸高層形成波列從而造成新西伯利亞平原—東亞的偶極型冷暖中心向東南方向傳播,造成暖轉冷事件。而在冷轉暖事件中,Rossby波起源于北歐(Ma and Zhu,2020)。馬鋒敏等(2022)通過對中國冬季氣溫不同年代際的季節(jié)內變化特征及成因分析發(fā)現,從年代際的時間尺度看,1986年之后前冬和后冬的環(huán)流差異集中在歐亞大陸中高緯地區(qū),導致我國北方地區(qū)季節(jié)內反位相變率增大。

NAO作為北半球中高緯地區(qū)大氣環(huán)流變化的重要組成部分,一直以來備受學者關注。Yao et al(2023)從位渦梯度的角度分析了2022年11—12月北半球出現極端強降溫事件的可能原因,認為北半球中高緯出現位渦梯度異常時,NAO由正位相向負位相轉變,導致烏拉爾山地區(qū)12月阻塞高壓活躍,引導極地冷空氣南下使我國大部地區(qū)氣溫異常偏低。Nie et al(2019)研究了秋季NAT和NAO的關系,發(fā)現從次季節(jié)的角度來看,兩者有很好的相關關系。那么秋季的NAT與冬季的中高緯大氣環(huán)流有無聯系呢?對NAT的逐月監(jiān)測可以發(fā)現(圖9),投影模態(tài)的NAT指數在秋季尤其是9月和10月出現異常的負位相,其異常程度超過了1倍標準差。那么秋季的NAT異常能否對冬季的北半球環(huán)流產生影響呢?利用NAT與烏拉爾山地區(qū)平均高度場進行超前滯后相關(圖10),結果表明8月、9月的NAT與12月烏拉爾山地區(qū)的500 hPa平均高度場為顯著的負相關關系,并通過了0.05的顯著性水平檢驗,說明當8月、9月的NAT為負位相時,有利于12月烏拉爾山地區(qū)高度場出現正距平。而和1月、2月的相關結果顯示并沒有類似12月的顯著的負相關關系。這與2022年8月、9月NAT持續(xù)異常負位相,12月烏拉爾山地區(qū)高度場正距平,歐亞遙相關型正位相這一事實相符。正是12月烏拉爾山地區(qū)高度場持續(xù)受正距平控制,有利于冷空氣南下,導致我國大部地區(qū)氣溫偏低。

圖9 2020年3月至2023年2月NAT指數逐月演變Fig.9 Monthly variation of NAT index from March 2020 to February 2023

注:虛線表示通過0.05的顯著性水平檢驗。圖10 1991—2022年(a)12月,(b)1月和(c)2月烏拉爾山500 hPa平均高度場與逐月NAT超前滯后相關Fig.10 Lead/lag correlation between 500 hPa Ural Mountains Region mean geopotential height and the monthly NAT index in (a) December, (b) January and (c) February of 1991-2022

5 結論與討論

本文利用站點觀測資料和再分析資料,詳細分析了2022/2023年冬季我國氣溫、降水的主要氣候特征、大尺度大氣環(huán)流異常、東亞冬季風季節(jié)及季節(jié)內特征,并討論分析了前冬12月導致我國氣溫異常偏低的可能原因,得出以下結論:

(1)2022/2023年冬季,全國平均氣溫為-2.9℃,較常年同期偏高0.2℃,全國大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高,尤其青藏高原平均偏高1℃以上。全國平均降水量為31.8 mm,較常年同期偏少24.5%,全國降水距平百分率空間上呈現北多南少的分布形勢。從氣溫和降水的季內變化特征來看,冬季氣候表現為明顯的“冷干”向“暖濕”的轉變特征。

(2)2022/2023年冬季歐亞大陸中高緯地區(qū)500 hPa 高度場呈西低東高的分布形勢,我國除華北和東北高度場偏低外,其余地區(qū)均為高度場偏高,冬季AO 3個月平均為-0.6。冬季風標準化強度指數和西伯利亞高壓強度指數表明冬季風強度較常年同期略偏強,但弱于2021/2022年冬季。2022/2023年冬季大氣環(huán)流表現為明顯的季節(jié)內變化特征,在前冬歐亞中高緯環(huán)流表現為典型的經向型環(huán)流特征,AO為強的負位相,冬季風強度異常偏強;之后環(huán)流形勢逐漸向緯向型調整, 2023年2月烏拉爾山高度場正距平明顯減弱,我國上空為高度場正距平,同時極地轉為高度場負距平控制,對應AO也轉變?yōu)檎幌?冬季風強度偏弱。另外,西太副高和印緬槽在整個冬季強度偏弱,不利于對我國尤其是南方地區(qū)的水汽輸送。

(3)冬季全國平均氣溫較常年同期偏高,但階段性特征非常明顯,前冷后暖起伏大,尤其在2022年12月,除青藏高原外,全國大部地區(qū)異常偏低。前期8月和9月的NAT與12月烏拉爾山地區(qū)的高度場呈顯著的負相關關系,當8月、9月的NAT為負位相時,有利于12月烏拉爾山地區(qū)出現高度場正距平,而前期NAT與1月、2月的烏拉爾山地區(qū)高度場沒有顯著的相關關系。

近年來,我國冬季季節(jié)內氣溫變化的“冷—暖”或“暖—冷”現象頻繁發(fā)生。本文發(fā)現2022年8月和9月NAT異常負位相有利于同年12月烏拉爾山地區(qū)高度場出現正距平。這一分析結果可能對冬季預測尤其是前冬的環(huán)流形勢預測具有參考意義。Nie et al(2019)從次季節(jié)角度開展了秋季NAT對中高緯大氣影響的機理研究,但是從更長的跨季節(jié)的時間尺度NAT與大氣環(huán)流的影響機理,未來還需要開展進一步的研究工作。