2023年4月大氣環(huán)流和天氣分析*

趙英珊 張 濤 曹艷察

國家氣象中心,北京 100081

提 要：2023年4月北半球極渦強度偏強且呈偶極型分布;中高緯環(huán)流呈異常四波型,亞洲環(huán)流較平直。我國北方基本為500 hPa高度場負距平,副熱帶高壓較常年偏弱,南支槽較常年偏西偏弱。全國平均氣溫為11.4℃,較常年同期偏低0.1℃。全國平均降水量為48.7 mm,較常年同期(43.6 mm)偏多11.7%,其中西北和華北地區(qū)降水較常年同期顯著偏多。月內(nèi)冷空氣過程頻繁,出現(xiàn)4次冷空氣過程,降溫幅度大;全國范圍內(nèi)共發(fā)生4次大范圍暴雨過程,6次區(qū)域性強對流過程,局地強度強。此外,北方地區(qū)出現(xiàn)6次沙塵天氣過程,云南等地干旱持續(xù)發(fā)展。

引 言

2023年4月,全國平均氣溫為11.4℃,較常年同期(11.5℃)偏低0.1℃。西北地區(qū)大部、華北中西部氣溫偏低1℃左右,新疆東部偏低2℃以上,全國其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高。全國平均降水量為48.7 mm,較常年同期(43.6 mm)偏多11.7%(國家氣候中心,2023)。月內(nèi)冷空氣過程頻繁,共出現(xiàn)4次冷空氣過程,降溫幅度大;4月降水量分布呈現(xiàn)北少南多,距平分布則相反,表現(xiàn)為顯著北多南少,其中,華北和西北地區(qū)降水較常年明顯偏多,其中山西、陜西等省份多地日降水量突破歷史同期極值。全國范圍內(nèi)共發(fā)生4次暴雨過程,山西、陜西出現(xiàn)了歷史同期少見的強降雪過程;6次區(qū)域性強對流過程,局地強度強。此外,北方地區(qū)出現(xiàn)6次沙塵天氣過程,云南等地干旱持續(xù)發(fā)展。

1 天氣概況

1.1 降 水

4月,全國平均降水量為48.7 mm,較常年同期(43.6 mm)偏多11.7%。從空間分布來看(圖1),降水呈西北—東南階梯遞增分布,西北地區(qū)東南部、華北西南部、西南地區(qū)東部、黃淮至江南地區(qū)北部等地降水量為50～100 mm,江漢東部、江南中南部、華南中東部等地降水量達100～250 mm,部分地區(qū)超過300 mm。此外,山西、陜西局地出現(xiàn)100 mm以上降水中心。全國其余大部地區(qū)降水量在50 mm以下,其中新疆南部、西藏西部、青海西北部、云南大部、東北地區(qū)北部降水量在10 mm以下。

圖1 2023年4月全國降水量分布(單位:mm)Fig.1 Distribution of precipitation (unit: mm) in China in April 2023

與常年同期相比(圖2),我國內(nèi)蒙古東部、新疆東北部、西藏西南部、西南地區(qū)南部、華南西南部及浙江北部等地降水量偏少2～8成,其中新疆東北部、云南中北部、四川南部等地偏少8成以上。華南雖已進入前汛期,但與常年相比,華南西南部降水量偏少2～5成。全國其余地區(qū)降水以偏多為主,西北地區(qū)東部、內(nèi)蒙古西部、華北大部、黃淮大部、江漢東部、新疆東南部、西藏東北部、東北地區(qū)東南部降水量較常年同期偏多5成至2倍,其中內(nèi)蒙古中西部、陜西北部、山西大部等地偏多2倍以上。

圖2 2023年4月全國降水量距平百分率分布(單位:%)Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage (unit: %) in China in April 2023

1.2 氣 溫

2023年4月,全國平均氣溫為11.4℃,較常年同期(11.5℃)偏低0.1℃(國家氣候中心,2023)。除新疆、西北地區(qū)大部、華北中西部等地氣溫偏低1～2℃、新疆東北部偏低2℃以上外,全國其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高,其中東北地區(qū)南部、山東東部、西南地區(qū)東部、長江中下游部分地區(qū)氣溫偏高1～2℃,四川南部、云南中東部、貴州西南部、廣西西部等地的部分地區(qū)偏高2～4℃(圖3)。

圖3 2023年4月全國平均氣溫距平分布(單位:℃)Fig.3 Distribution of monthly mean temperature anomaly (unit: ℃) in China in April 2023

2 環(huán)流特征和演變

2023年4月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平的水平空間分布如圖4所示,4月北半球環(huán)流形勢相比常年平均具有以下特點。

圖4 2023年4月北半球500 hPa(a)平均高度場和(b)距平場(單位:dagpm)Fig.4 (a) Monthly average geopotential height and (b) monthly geopotential height anomaly at 500 hPa in the Northern Hemisphere in April 2023 (unit: dagpm)

2.1 極渦呈偶極型分布

與往年同期(華珊等,2022;麥子等,2021;關(guān)良等,2020)的單極型極渦相比,2023年4月,北半球極渦呈異常偶極型分布(圖4a),極渦中心一個位于北極圈內(nèi),中心偏向格陵蘭島以西洋面,另一個位于東半球中西伯利亞附近,位置較為不對稱,中心強度均低于520 dagpm,強度相當。距平場表明(圖4b),相對于氣候平均態(tài),極渦強度略有增強,北極圈內(nèi)極渦中心對應(yīng)距平為-2～0 dagpm,東半球極渦中心對應(yīng)距平為-4～-2 dagpm。與2023年3月位于拉普捷夫海西部的較強極渦(麥子和張濤,2022)相比,4月東半球極渦位置更靠近亞洲大陸,該環(huán)流形勢導(dǎo)致我國冷空氣活動頻繁但總體勢力不強。

2.2 中高緯環(huán)流異于常年,呈四波型,副熱帶高壓較常年偏弱

4月北半球中高緯500 hPa環(huán)流常年呈三波型(華珊等,2022;麥子等,2021;關(guān)良等,2020),但2023年4月平均位勢高度場呈四波型分布(圖4a)。長波槽分別位于亞洲東部、歐洲東部、大西洋中西部以及美國西海岸與東太平洋之間。從距平場(圖4b)看,北美大槽位置偏東、強度偏強14 dagpm以上。東亞大槽位于正距平區(qū)域,槽后有明顯負距平,表明東亞大槽比常年偏弱、偏西。東半球阻塞高壓強盛,烏拉爾山以西地區(qū)為6～10 dagpm的正距平,有利于西伯利亞冷空氣聚集并沿西北路徑南下影響我國,導(dǎo)致我國多降溫和沙塵天氣,西北地區(qū)氣溫顯著偏低。低緯地區(qū),西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)較常年強度略偏弱,且位置偏東;南支槽位于70°E附近(圖4a),較常年同期位置偏西、勢力略強(對應(yīng)距平-2 dagpm左右)(圖4b)。受副高及南支槽影響,暖濕氣流向我國輸送并北上,冷暖空氣交匯輻合較強,因此,下旬我國華北地區(qū)降水與常年相比顯著偏多。

2.3 環(huán)流演變與我國天氣

圖5分別給出了4月上、中、下旬歐亞地區(qū)500 hPa 的旬平均位勢高度場分布。

圖5 2023年4月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬500 hPa平均位勢高度場(單位:dagpm)Fig.5 The average geopotential height at 500 hPa for the first (a), second (b), and third (c) dekads in April 2023 (unit: dagpm)

4月上旬(圖5a),極渦中心位于80°N以北的北地群島附近,中心強度為504 dagpm;常年同期東亞大槽的位置表現(xiàn)為淺脊,而其上游的中緯度中亞地區(qū)為短波槽,我國中高緯環(huán)流平直,因此冷空氣勢力總體不強且主要影響西部地區(qū),具體表現(xiàn)為月初我國北方的一次強冷空氣過程,新疆、甘肅、青海北部及內(nèi)蒙古中西部氣溫明顯偏低。亞洲東部的淺脊對應(yīng)低層的入海高壓,高壓底部和后部的回流形勢攜帶東部海區(qū)水汽與南海北上的暖濕氣流匯合向我國北方地區(qū)輸送,造成北方地區(qū)多降水且西北地區(qū)降水相態(tài)復(fù)雜,內(nèi)蒙古、青海、甘肅、寧夏、陜西、山西等地出現(xiàn)降雪、雨夾雪或降雨天氣。受降水過程影響,北方大部地區(qū)上旬降水較常年同期偏多5成至2倍,山東等地氣象干旱緩解。

4月中旬(圖5b),環(huán)流形勢發(fā)生變化。東亞大槽建立,歐亞大陸中高緯呈現(xiàn)西高東低的環(huán)流形勢。極渦分裂南移,主體位于西西伯利亞地區(qū),中心強度為512 dagpm,有利于冷空氣在該地區(qū)聚集,并在西北氣流的引導(dǎo)下,多股冷空氣南下影響我國北方地區(qū)。4月18—21日,新疆東部和南部、甘肅西部和北部、內(nèi)蒙古中西部、寧夏中北部、陜西西北部局地出現(xiàn)強沙塵暴。但由于缺少烏拉爾山阻塞高壓的加持,歐亞大陸環(huán)流經(jīng)向性不大,因此,冷空氣頻繁但勢力不強。4月中旬我國大部地區(qū)多晴好天氣,輻射增溫削弱了冷空氣勢力,造成北方大部地區(qū)氣溫較常年同期明顯偏高。在低緯地區(qū),副高較上旬總體偏強,影響范圍擴大,西至印緬半島。南支槽無明顯發(fā)展,我國南方受偏西或西北氣流控制,氣溫偏高且少雨,云南等地氣象干旱持續(xù)發(fā)展。

4月下旬(圖5c),環(huán)流形勢與中旬類似,但略有調(diào)整。極渦東移出西伯利亞,新地島至西西伯利亞再到鄂霍次克海上空存在不連續(xù)的低渦中心,中心強度為532 dagpm。堆積在西伯利亞的冷空氣強度減弱,但仍有多股冷空氣南下。東亞大槽穩(wěn)定維持,位置略有東移,中高緯地區(qū)仍然維持西高東低的環(huán)流形勢。低緯地區(qū)副高減弱東退,南支槽加強,槽前西南氣流攜帶孟加拉灣和南海的水汽進入我國南方地區(qū),同時鋒區(qū)整體南壓,冷空氣勢力向南發(fā)展,冷暖氣流強烈交匯,造成江南、華南的部分地區(qū)降水天氣頻發(fā)。同時,受高壓底部東風輸送的東部海區(qū)水汽和低空西南暖濕氣流輸送水汽的共同影響,西北地區(qū)大部出現(xiàn)降雪或雨夾雪天氣,山西的部分地區(qū)出現(xiàn)大雪,山西呂梁、臨汾、運城、太原和陜西延安、榆林等12個國家站日降水量突破4月歷史極值。冷空氣影響疊加大范圍降水云系造成的短波輻射減弱,降水的融化和蒸發(fā)潛熱吸收,使得我國華北、華中地區(qū)氣溫異常偏低。

3 冷空氣活動和沙塵天氣

3.1 冷空氣過程頻繁,降溫幅度大

4月我國共出現(xiàn)4次冷空氣過程,較常年同期(2.8次)偏多(國家氣候中心,2023),影響時段分別為2—4日、13—15日、19—22日、29—30日(表1)。19—22日屬于全國性強冷空氣過程,2—4日為北方強冷空氣、全國性中等強度冷空氣過程,13—15日和29—30日為全國性中等強度冷空氣過程。其中,19—22日過程具有降溫幅度大,影響范圍廣等特點。由于我國大部地區(qū)前期氣溫明顯偏高,而此次過程降溫幅度較大,多地形成快速冷暖逆轉(zhuǎn)。

表1 2023年4月主要冷空氣過程Table 1 Major cold air processes in April 2023

3.2 北方大部沙塵天氣偏多

4月,受蒙古氣旋和地面冷鋒共同影響,我國北方地區(qū)先后出現(xiàn)6次沙塵天氣過程,分別發(fā)生于3—4日、9—13日、13—15日、18—21日、25日、27—29日(表2),其中18—21日為強沙塵暴,9—13日、27—29日為沙塵暴,其余3次均為揚沙天氣過程,過程次數(shù)較2000—2020年同期平均值(4.3次)偏多(國家氣候中心,2023)。

表2 2023年4月主要沙塵過程Table 2 Major sand-dust weather processes in April 2023

4月沙塵天氣明顯偏多的原因是沙源地下墊面狀況利于起沙且大氣環(huán)流形勢有利于沙塵向我國輸送。2023年植被生長季,蒙古國降水較常年同期偏少,高溫少雨導(dǎo)致沙源地植被覆蓋情況較差,不利于抑制沙塵源地起沙。同時,極渦勢力偏強且分裂南移,有利于蒙古氣旋生成,造成蒙古國和我國北方多大風天氣,其將沙塵卷揚至空中,并隨著冷空氣自蒙古國向我國傳輸。

4月18—21日,地面冷鋒及蒙古氣旋東移,造成我國西北至華北一帶出現(xiàn)揚沙或沙塵暴天氣,其中新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西等地局地出現(xiàn)強沙塵暴。環(huán)流背景場顯示,18日08時500 hPa低渦位于西西伯利亞地區(qū), 20日08時東移至東北地區(qū);由18日08時海平面氣壓場(圖6a)可見一個明顯的氣旋中心,位于蒙古國南部至我國內(nèi)蒙古中西部地區(qū)(中心強度為1000 hPa),冷高壓主體位于中亞東部,地面鋒面位于冷高壓前側(cè)。低渦后部對應(yīng)的地面冷高壓南下,配合前部地面蒙古氣旋的發(fā)展,使得冷鋒后部氣壓梯度和變壓梯度加大,形成大范圍的西北大風。18日08時內(nèi)蒙古中西部多站探空圖(圖略)顯示,該地區(qū)低層干絕熱較為深厚,干絕熱層結(jié)配合中低空西北急流有利于更活躍的湍流交換,使得動量下傳加大地面大風和沙塵上揚升空,從而有利于我國內(nèi)蒙古中西部等沙源地起沙,并在低空西北氣流引導(dǎo)下向下游傳輸。實況監(jiān)測顯示,18日08時起新疆東部和南疆盆地、內(nèi)蒙古西部、甘肅中西部等地出現(xiàn)沙塵暴,部分站點出現(xiàn)強沙塵暴,甘肅民勤最低能見度僅為110 m,PM10質(zhì)量濃度極大值超過7000 μg·m-3,此后沙塵向東南方向擴展,我國東北、華北等地也先后出現(xiàn)揚沙或浮塵天氣。至20日08時,地面冷鋒南段移至黃淮地區(qū)和西北地區(qū)東南部(圖6b),鋒后冷高壓主體位于蒙古國及內(nèi)蒙古西部,且中心略有北抬,西北地區(qū)地面由高壓前部偏西氣流轉(zhuǎn)為高壓底部偏東氣流,華北一帶的沙塵回流至西北地區(qū),造成沙塵天氣在西北地區(qū)維持。之后隨著鋒面系統(tǒng)進一步東移,沙塵天氣于21日白天結(jié)束。

圖6 2023年4月(a)18日08時、(b)20日08時500 hPa位勢高度場(等值線,單位:dagpm)、10 m風場(風羽)和海平面氣壓場(陰影)Fig.6 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm), 10 m wind field (barb) and sea level pressure (shaded) at (a) 08:00 BT 18 and (b) 08:00 BT 20 April 2023

4 主要降水過程和強對流過程

4.1 概 況

4月我國主要出現(xiàn)4次暴雨過程(表3)和6次區(qū)域性強對流過程(表4),強對流過程次數(shù)相比于常年同期偏多,局地強度強。月內(nèi),西南地區(qū)東部、華南、華中、華東等地的部分地區(qū)遭受強對流天氣影響,其中湖南、貴州、江西災(zāi)害影響較為嚴重(國家氣候中心,2023)。

表3 2023年4月主要降水過程Table 3 Major precipitation processes in April 2023

表4 2023年4月主要強對流過程Table 4 Major severe convection processes in April 2023

4.2 4月20—23日北方雨雪混合強降水過程

受短波槽、低空切變線和東風回流共同影響,20—23日,我國中東部出現(xiàn)大范圍雨雪降溫天氣,其中山西和陜西的部分地區(qū)日降水量突破歷史同期極值,并出現(xiàn)了強降溫和強降雪,過程平均氣溫下降超過18℃,累計降雪量超過10 mm,局地達30 mm以上,是一次歷史同期罕見天氣過程。

本次大范圍降溫和混合相態(tài)降水過程的環(huán)流背景很有特點,比較少見,主要表現(xiàn)為影響我國的高空環(huán)流整體平直,并沒有較強的短波槽脊活動,相應(yīng)低層也并沒有很強的北方冷平流和偏南低空急流,這種環(huán)流形勢下,天氣持續(xù)而穩(wěn)定(圖7)。北方高空為平直西北氣流,引導(dǎo)低層冷空氣以偏東風或東北風滲透南下,南方低緯的平直氣流上有短波淺槽東移引導(dǎo)低空西南氣流在低層冷墊上向北爬升,造成了大范圍的持續(xù)降水天氣。而地面冷高壓底部的偏東風不僅提供了冷墊的作用,其穩(wěn)定而持續(xù)從東部海區(qū)輸送的水汽,也是重要的水汽來源。在并不強的冷平流以及持續(xù)降水天氣造成寡照的背景下,混合相態(tài)降水融化和蒸發(fā)等非絕熱因素,造成了較大范圍的降溫和低溫。

圖7 2023年4月20日08時500 hPa位勢高度場(等值線,單位:dagpm)、850 hPa風場(風羽)Fig.7 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm), wind field(barb) at 850 hPa

本次降水和降溫過程覆蓋了我國中東部大部地區(qū),雖然累計最大降水發(fā)生在南方,但最異常的部分卻在北方,特別是山西和陜西等地,歷史同期罕見。圖8給出了造成降溫雨雪的關(guān)鍵天氣系統(tǒng)配置。21日20時,850 hPa上北方大部處于冷槽控制區(qū),山西和陜西位于冷中心,強度達到0℃以下,冷中心與700 hPa西南風相對應(yīng),代表低空西南風在冷墊上向北爬升。700 hPa華北黃淮地區(qū)出現(xiàn)顯著濕舌,整層可降水量達20～30 mm,是地面東風和低空西南風共同匯聚向北輸送的貢獻。暖濕氣流沿冷墊爬升造成穩(wěn)定的陰雨雪天氣,持續(xù)時間較長,山西長治、臨汾、呂梁、陜西延安等地普降大雪,山西和陜西的部分地區(qū)總降水量超過50 mm,最大為山西絳縣達126.9 mm。同時,本次過程伴隨有大范圍的降溫,特別是山西和陜西等地,過程平均氣溫的最大降幅普遍超過18℃。

圖8 2023年4月21日20時(a) 850 hPa風場(風羽)和溫度場(等值線和陰影),(b)700 hPa風場(風羽)和整層可降水量(等值線和陰影)Fig.8 (a) Wind field (barb) and temperature (contour and shaded) at 850 hPa, and (b) wind field (barb) at 700 hPa and PWAT (contour and shaded) at 08:00 BT 21 April 2023

4.3 4月15日強對流過程分析

15日下午,在高空冷渦后部西北氣流影響下,山東、江蘇等地出現(xiàn)了一次區(qū)域性雷暴大風,并伴隨局地冰雹的強對流天氣過程。局地極端大風達12級以上,其中,江蘇連云港海州桃花澗站最大風速達41.9 m·s-1(13級),沭陽縣李恒鎮(zhèn)站最大風速達37.6 m·s-1(13級);山東臨沂和德州分別出現(xiàn)一次強龍卷和中等強度龍卷天氣。

15日08時,500 hPa高度場上東北冷渦東移南壓至內(nèi)蒙古東部地區(qū),中心氣壓低于536 dagpm(圖略),對應(yīng)溫度場上內(nèi)蒙古東部有一冷槽,華北、黃淮、江淮地區(qū)受高空槽后西北氣流控制,位于冷平流區(qū),山東、江蘇兩省溫度在-28～-20℃。850 hPa溫度場上我國西北地區(qū)東部至華北、黃淮一帶受暖脊控制,高空冷槽疊加在低層暖脊之上,造成華北、黃淮、江淮地區(qū)東部等地對流層中低層溫差較大,不穩(wěn)定層結(jié)為強對流天氣提供了有利條件(圖9)。經(jīng)15日14時地面溫度訂正后的徐州站08時探空顯示(圖10),此次過程整層偏干,僅在925 hPa以下存在淺薄濕層,水汽條件一般;但具備一定的不穩(wěn)定能量條件,特別是在午后熱力增溫作用下,不穩(wěn)定層結(jié)有所加強,CAPE超過1000 J·kg-1,下沉對流有效位能高達790 J·kg-1,850 hPa與500 hPa溫差達33.5℃,最有利抬升指數(shù)達到了-4℃,此外,0～6 km 垂直風切變達22 m·s-1,有利于對流系統(tǒng)觸發(fā)后的組織化加強,最終形成颮線系統(tǒng),造成區(qū)域性的雷暴大風天氣。

圖9 2023年4月15日08時500 hPa溫度場(等值線,單位:℃)、風場(風羽)、850 hPa溫度場(陰影)Fig.9 Temperature (contour, unit: ℃) and wind field (barb) at 500 hPa and temperature (shaded) at 850 hPa at 08:00 BT 15 April 2023

圖10 2023年4月15日08時徐州站探空資料經(jīng)過14時地面溫度訂正后的探空曲線 Fig.10 The T-lnp diagram of Xuzhou Sounding Station at 08:00 BT 15 April 2023 after being corrected by the surface temperature at 14:00 BT 15 April 2023

5 其他災(zāi)害性天氣

今年以來,西南地區(qū)南部、江南東部、內(nèi)蒙古東部等地降水較常年同期偏少2成以上,云南大部、四川西南部、貴州西南部、內(nèi)蒙古東南部等地降水較常年同期偏少5成至1倍。加上同期氣溫偏高,導(dǎo)致土壤失墑迅速,西南地區(qū)南部、華東北部、華中南部、華南等地氣象干旱露頭并階段性發(fā)展。至30日,受前期降水持續(xù)偏少影響,云南大部、四川西南部、貴州西南部、廣西西部、海南、江蘇南部、浙江北部、內(nèi)蒙古東南部等地存在中度以上氣象干旱,中旱以上面積達到77萬 km2,重旱以上面積達到38萬 km2,特旱面積達到14萬 km2。干旱造成云南湖泊水位不斷下降,江河庫塘水量減少,全省有21條河流22個水文(位)監(jiān)測斷面出現(xiàn)斷流,玉溪、大理等多地出現(xiàn)城市供水和農(nóng)村人畜飲水困難。

致謝：感謝國家氣象中心氣象服務(wù)室為本文提供月降水量、降水距平百分率和溫度距平資料。