2020年夏季我國氣候異常特征及成因分析*

劉蕓蕓 王永光 柯宗建

1 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081 2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044

提 要： 2020年夏季我國天氣氣候極為異常，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期偏多14.7%，為1961年以來次多；季節內階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要位于江南大部—江淮地區，8月則主要在東北、華北及西南地區，致使2020年夏季雨型分布異常，不是傳統認識上的四類雨型分布。通過對同期大氣環流和熱帶海溫等異常特征分析發現，6—7月，歐亞中高緯環流表現為“兩脊一槽”型，東亞副熱帶夏季風異常偏弱，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)較常年同期顯著偏強、偏西，第一次季節性北跳偏早，第二次北跳明顯偏晚，且表現出明顯的準雙周振蕩特征；使得來自西北太平洋的轉向水汽輸送偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動相配合，水汽通量異常輻合區主要位于長江中下游地區，導致江淮梅雨異常偏多。熱帶印度洋持續偏暖對維持6—7月西太副高偏強偏西及東亞夏季風異常偏弱起到了重要作用。8月，歐亞中高緯環流調整為“兩槽一脊”型，蒙古低壓活躍；西太副高也由前期偏緯向型的帶狀分布轉為“塊狀”分布，脊線位置偏北；沿西太副高外圍的異常西南風水汽輸送延伸至華北—東北南部，形成自西南到東北的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。異常的熱帶大氣季節內振蕩活動是導致8月中低緯大氣環流發生調整的重要原因。

引 言

中國地處東亞季風區，在東亞季風系統多個成員的協同影響下，氣候復雜多變，而夏季的氣候異常往往會導致嚴重的旱澇災害(黃榮輝等，2006；丁一匯等，2007；Liu et al,2019b；劉蕓蕓和丁一匯，2020)，如1954年和1998年長江流域的洪澇災害(鞠笑生，1993；陶詩言等，1998)，1991年、2003年和2007年淮河流域的洪澇災害等，都對人民生活造成巨大影響，給經濟發展造成嚴重損失(陸爾和丁一匯，1996；李維京，1999；徐良炎，2003；高榮等，2018)。在全球變暖背景下，異常和極端的氣候事件頻發(Donat et al, 2016)，氣候異常的影響變得更大。因此，深入認識中國夏季氣候異常特征及成因有助于提高氣候預測準確率(袁媛等，2017；鄭志海和王永光，2018；顧薇和陳麗娟，2019；丁婷和高輝，2020;陳濤等，2020；張芳華等，2020)，可更好地為政府和公眾提供保障服務，對我國的防災減災部署具有重要意義。

中國夏季天氣氣候既與東亞夏季風系統中多成員的相互協同作用有關，也與中高緯冷空氣的活動密切相關。同時，東亞夏季風系統還受到海溫等外強迫因子的顯著影響。多數年份存在多個影響因子相互作用和調制的問題，尤其當這些因子異常程度不特別極端時往往很難客觀診斷各自貢獻。另外，夏季降水的異常是多時間尺度疊加的結果，既有年際和年代際變化特征，也有季節內變率的影響，這種次季節-季節-年代際多時間尺度相互作用，目前仍缺乏系統的研究和清晰的影響機制。深入分析和研究氣候異常的成因將有助于提高對氣候異常的物理過程及其機理的認識。為此，本文將首先回顧2020年夏季氣候異常特征，包括降水、氣溫、臺風和洪澇災害等，并重點針對汛期降水異常從環流和海溫等方面進行成因分析，希望能夠加深對2020年夏季氣候異常成因的認識，為今后的汛期氣候預測提供更多的參考和依據。

1 資料與方法

表1 文中所用的關鍵大氣環流和海溫指數定義

2 2020年夏季中國氣候異常特征

2020年夏季，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期(325.2 mm)偏多14.7%，為1961年以來歷史同期次多(圖1a)，僅次于1998年(396.7 mm)。從空間分布看，中國東部大部地區均降水偏多(圖1b)，長江和黃河流域降水量分別較常年同期偏多38%和39%，均為1961年以來最多，淮河和太湖分別偏多45%和64%，均為次多；松花江和海河流域分別偏多15%和10%。僅遼河和珠江流域降水分別較常年同期偏少7%和15%。

今年夏季中國東部地區降水階段性特征顯著(圖2)，6—7月多雨帶始終在江南至江淮之間擺動，對應江淮流域梅雨入梅早，出梅晚，梅雨季長達62 d(6月1日至8月2日)，較常年(40 d)偏長22 d，與2015年并列為1961年以來歷史最長。梅雨量為759.2 mm，較常年(343.4 mm)偏多1.2倍，為1961年以來歷史最多。8月，多雨帶移至中國東北、華北和西南地區中北部地區，對應華北雨季開始較常年(7月18日)偏晚10 d，結束較常年(8月18日)偏晚9 d，降水量為182 mm，較常年偏多34%，為近8年來最多；同時東北和西南地區降水量也明顯偏多，其中四川、甘肅均為1961年以來同期最多，黑龍江為次多；其中四川中東部部分地區降水量超過1 000 mm，都江堰達到1 080.1 mm，較常年同期偏多3.2倍。

圖1 1961—2020年夏季全國平均降水量歷年序列(a)和2020年夏季全國降水量距平百分率分布(b)

圖2 2020年6—7月平均(a)和8月(b)全國降水量距平百分率分布

2020年夏季全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期(20.9℃)偏高0.6℃(圖3a)。從空間分布看，全國大部地區氣溫接近常年同期或偏高，其中江南南部、華南東部、西南東南部及遼寧北部、西藏西部等地偏高1～2℃；黑龍江東北部和新疆中部部分地區偏低1～2℃(圖3b)。其中福建、廣東平均氣溫為1961年以來歷史同期最高，云南、湖南、貴州、海南為次高，江西和廣西為第三高。7月11日之后，江南東南部、華南東部等地出現區域性高溫天氣過程，持續時間為1961年以來歷史第二長，僅次于2013年6月29日至8月29日高溫天氣過程。

夏季臺風生成(8個)及登陸中國(4個)個數均比常年同期(11.2個，4.6個)偏少。7月無臺風生成和登陸，為1949年以來首次“空臺”的7月；8月臺風生成(7個)及登陸(3個)個數均較常年同期(5.8 個，1.9個)偏多，臺風活躍的階段性特征突出。登陸臺風具有“生成源地偏西、生命史短、近海加強、影響偏輕”的特點。

圖3 同圖1，但為平均氣溫(a)和平均氣溫距平(b)

總體來說，今年夏季天氣氣候極為異常，夏季全國降水量為1961年以來次多，且階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要在江淮、江南地區，8月則主要在東北、華北及西南地區中北部。孫林海等(2005)對中國東部季風區1880 年以來120多年的夏季降水進行了客觀分型, 在空間上能夠將逐年的夏季降水異常空間分布歸為華北型、淮河型、長江型和華南型這四類雨型中的其中一種。然而2020年夏季南北多個流域降水均顯著偏多，致使2020年夏季雨型分布異常，與傳統認識上的四類雨型分布有很大差異。全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份氣溫顯著偏高；盛夏江南東南部、華南東部等地出現持續性的高溫天氣過程，持續時間為1961年以來第二。夏季臺風生成及登陸個數均偏少，其中7月首次出現“空臺”，8月生成臺風異常偏多，臺風活躍的階段性特征突出。針對今年夏季降水階段性變化特征，將分為6—7月平均和8月，分別從大氣環流和海溫等方面對其成因做簡要分析。

3 6—7月大氣環流異常特征分析

2020年6—7月，歐亞中高緯環流表現為“兩脊一槽”型，烏拉爾山以西和鄂霍次克海為較強的高壓脊，且向極區伸展，巴爾喀什湖附近為低壓槽，經向度較大，有利于來自于中高緯地區的冷空氣分別從西部和東路分別南下影響中國(圖4a)。冷空氣活動是持續性強降水形成的重要因素之一，它能夠促成產生強降水所必需的低層輻合抬升(姚秀萍和于玉斌，2005)。另外，東亞沿海附近為平均低槽區，且槽區位勢高度為負距平，表明東亞沿岸低槽活躍，冷空氣勢力也較強。同時，西太副高較常年顯著偏強、偏西，菲律賓附近對流層低層為異常反氣旋環流控制(圖4b)，來自西北太平洋的轉向水汽輸送明顯偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動配合，造成水汽通量異常輻合區主要位于長江中下游地區(圖4c)，導致該地降水明顯偏多。有研究指出，當鄂霍次克海高壓建立并穩定時，亞洲中高緯度及東亞東部地區的距平場易分別形成“+-+”的距平波列，這樣的分布形勢及其相互作用容易導致梅雨期降水偏多(張慶云和陶詩言，1998)。2020年6—7月的東亞環流形勢便呈現出這種典型特征，由此可見中高緯度的環流異常及其與低緯環流的相互作用也是非常重要的因素。

圖4 2020年6—7月平均大氣環流距平場(a)500 hPa位勢高度(等值線，其中紅色等值線表示氣候平均的5 880和5 860 gpm)及距平(填色)，(b)850 hPa距平風場(單位：m·s-1)，(c)整層水汽通量(箭頭，單位：kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色，單位：10-5 kg·m-2·s-1)

關鍵環流指數監測也顯示出一致的特征：2020年6—7月平均的西太副高指數較氣候平均明顯偏強、偏西，其中強度指數為1961年以來歷史第二，僅次于2010年同期(圖5a～5c)；東亞副熱帶夏季風指數為-2.6，為1961年以來最弱(圖5e)。盡管6—7月平均的脊線指數與氣候平均值非常接近(圖5d)，劉蕓蕓和丁一匯(2020)通過分析6—7月對流層關鍵環流系統的次季節演變特征發現，西太副高第一次季節性北跳偏早，長江流域提前進入梅汛期，第二次北跳明顯偏晚，導致梅汛期時間長，雨帶長時間在長江流域附近維持；梅汛期內西太副高表現出明顯的準雙周振蕩特征，共經歷了6次北抬和南撤過程[劉蕓蕓和丁一匯(2020)中圖4]，對應低層一次次加強的西南暖濕水汽向北輸送，并配合冷空氣多次南下侵入到30°N附近地區，冷暖空氣在江南—江淮流域頻繁交匯，加劇了江淮流域強降水過程的持續性和異常程度。

圖5 1961—2020年6—7月平均西太副高指數和東亞夏季風指數的歷史序列(a)副高面積指數,(b)副高強度指數，(c)副高脊線指數,(d)副高西伸脊點，(e)東亞夏季風指數

圖6 2020年1—8月和IOBM指數的逐月演變(a),1981—2020年1—8月逐月西太副高強度指數與同期和IOBM指數的相關系數(b)

4 8月大氣環流異常特征分析

8月，歐亞中高緯環流形勢發生明顯調整，由前期“兩脊一槽”型轉為“兩槽一脊”型，貝加爾湖以北至極地為顯著正高度距平，而烏拉爾山和鄂霍次克海地區由前期的正位勢高度距平轉為負距平；同時蒙古低壓活躍，有利于來自極區的冷空氣從中路南下影響中國東部地區；8月的西太副高也較6—7月有明顯調整，由前期的偏緯向型的帶狀分布轉為經向跨度大的塊狀分布，脊線位置偏北(圖7a)。低層環流場也可以看到在西北太平洋上為明顯的異常反氣旋性環流(圖7b)，其位置較6—7月明顯偏北(圖4b)。受其影響，沿西太副高外圍的異常西南風水汽輸送自南向北延伸至華北—東北南部(圖7c)，與來自極區的中路南下冷空氣頻繁在西太副高的西北側交匯，從而形成自四川到東北的“西南—東北”向的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。

8月的大氣環流形勢為何會發生顯著變化，尤其在中低緯地區西太副高較前期明顯北抬，導致中國北方大部降水偏多？這與8月熱帶大氣低頻振蕩(MJO)加強并東傳至西太平洋(第6～7位相)有關。通常，MJO在印度洋區域(第2～3位相)活躍時有利于西太副高的加強西伸，而MJO在次大陸—西太平洋(第5～7位相)活躍時則有利于南海和西北太平洋上對流加強，在下墊面異常偏暖海水的共同影響下，則容易生成熱帶氣旋，同時使得西太副高北抬或減弱。從MJO指數的位相圖(圖8)可見，2020年7月MJO活動始終位于第2～3位相，但8月開始MJO從第4位相依次經過5～8位相，再回到第2～3位相，完成一個全位相循環(圖8a)；西北太平洋地區的OLR逐候演變也表明，8月對流活動較7月明顯增強(圖8b)。而對應地，西北太平洋7月無臺風生成，而8月突然變得異常活躍，共有7個臺風生成，且臺風路徑特點鮮明，除直接在南海生成的2個臺風為西北行路徑外，另5個臺風[“黑格比”(2004)，“薔薇”(2005)，“米克拉”(2006)，“巴威”(2008)，“美莎克”(2009)]移動路徑均為徑直北上(圖略)，對中國東部沿海甚至東北地區造成了較大影響。臺風的頻繁北上將擠壓西太副高甚至將其切斷，使其位置偏北，并呈現“塊狀”分布。另一方面，臺風巴威和美莎克生命周期長，先后長驅直入中國東北腹地，造成8月東北降水異常偏多。這種能夠徑直北上直接影響中國東北地區的臺風也屬歷史罕見。因此說，8月MJO活動異常導致南海和西北太平洋地區對流加強，是西北太平洋熱帶氣旋異常活躍以及中低緯地區大氣環流發生明顯調整的重要原因。

圖7 同圖4，但為2020年8月

圖8 2020年7—8月MJO指數位相(a)(紅色代表7月，灰色代表8月)，6—8月10°～20°N平均逐候OLR距平的時間-經度剖面(b)

5 結論與討論

2020年夏季中國天氣氣候極為異常，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期偏多14.7%，為1961年以來次多；季節內階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要位于江南大部—江淮地區，8月則主要在東北、華北及西南地區中北部，致使2020年夏季雨型分布異常，不是傳統認識上的四類雨型分布。全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份氣溫顯著偏高；盛夏江南東南部、華南東部等地出現持續性的高溫天氣過程，持續時間為1961年以來第二。7月首次出現“空臺”，8月臺風轉為異常活躍，共生成7個臺風。

利用大氣環流和海溫等資料，進一步分析了今年夏季降水異常的可能原因。6—7月，歐亞中高緯環流表現為“兩脊一槽”型，有利于來自于中高緯地區的冷空氣分別從西部和東路分別南下影響我國；東亞副熱帶夏季風異常偏弱，西太副高較常年顯著偏強、偏西，使得來自西北太平洋的轉向水汽輸送偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動相配合，造成水汽通量異常輻合區主要位于長江中下游地區，導致該地降水明顯偏多。從季節內變化來看，西太副高第一次季節性北跳偏早，長江流域提前進入梅汛期，第二次北跳明顯偏晚，且梅汛期內表現出明顯的準雙周振蕩特征，導致梅汛期時間長，并加劇了江淮流域強降水過程的持續性和異常程度。對海溫外強迫因子的分析表明，熱帶印度洋持續偏暖對維持6—7月西太副高持續偏強、偏西及東亞夏季風異常偏弱起到了重要作用。

8月，歐亞中高緯環流調整為“兩槽一脊”型，中緯度地區蒙古低壓活躍，有利于來自極區的冷空氣從中路南下影響中國中東部地區；西太副高也由前期偏緯向型的帶狀分布轉為經向跨度大的塊狀分布，脊線位置偏北；沿西太副高外圍的異常西南風水汽輸送自南向北延伸至華北—東北南部，形成自西南到東北的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。8月中低緯地區環流形勢的突然轉變主要是受到熱帶MJO活動的影響，較強的MJO東傳使得南海—西北太平洋地區對流活動增強，在下墊面偏暖海水的影響下激發了異常活躍的熱帶氣旋活動，且以北上路徑為主，不斷擠壓西太副高甚至將其切斷，使其位置偏北，并呈現“塊狀”分布。

本文僅從大氣環流和熱帶海溫等方面簡要分析了今年夏季降水異常的可能原因，但實況顯示，2020年夏季長江、黃河流域降水量均為1961年以來最多，淮河和太湖次多，降水異常程度已遠遠超過超強厄爾尼諾年影響下的1998年和2016年。這樣的氣候異常明顯是熱帶和中高緯多因子多時間尺度疊加作用的結果。除了本文分析的熱帶印度洋海溫持續偏暖外，前期青藏高原積雪異常偏多(Ren et al,2016)，春、夏季北大西洋濤動等的異常變化(Wu et al,2009;Liu et al,2020)可能也對2020年西太副高偏強有著一定貢獻；而8月MJO的活動異常可能與赤道中東太平洋海溫迅速轉冷有關。另外，影響今年西太副高在季節內尺度表現出兩次季節性北進異常且準雙周振蕩顯著的主要因素及其機制還并不清楚，將在后續工作中針對以上問題做更為深入的分析研究工作。