2021年1月大氣環流和天氣分析*

徐 冉 江 琪 桂海林 尤 媛 關 良

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 2021年1月大氣環流的主要特征是：北半球極渦呈偶極型分布，歐亞中高緯度環流經向度大，東亞大槽偏西偏強，南支槽偏弱。1月，全國平均降水量為5.6 mm，比常年同期(13.2 mm)偏少58%，為1961年以來第四少；全國平均氣溫為-4.5℃，比常年同期(-5.0℃)偏高0.5℃。月內降水偏少，共出現1次強冷空氣過程、2次沙塵天氣過程和1次大范圍持續性霧-霾天氣過程。其中4—7日，我國中東部地區遭遇的強冷空氣過程具有影響范圍廣、華北黃淮低溫極端性顯著、大風持續時間長等特點。

1 天氣概況

1.1 降 水

2021年1月，全國平均降水量為5.6 mm，較常年同期(13.2 mm)偏少58%，為1961年以來第四少。從空間分布看，江淮大部、江漢東部、江南北部及貴州、重慶大部等地降水量為10～20 mm，其中浙江北部、重慶西南部、貴州西北部的部分地區達25 mm以上，全國其余大部地區降水量不足10 mm(圖1)。與常年同期相比(圖2)，除東北中南部及內蒙古東部、新疆北部、青海中部、四川中部、重慶、貴州東北部等地較常年同期偏多2成以上外，全國其余大部分地區均偏少，其中江南東南部、華南大部及新疆南部等地偏少8成至1倍(國家氣候中心, 2021)。

圖1 2021年1月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation amount in China in January 2021 (unit: mm)

圖2 2021年1月全國降水量距平 百分率分布(單位:%)Fig.2 Distribution of precipitation amount anomaly percentage in China in January 2021 (unit: %)

1.2 氣 溫

2021年1月，全國平均氣溫為-4.5℃，較常年同期(-5.0℃)偏高0.5℃，為2010年以來第七高。全國大部地區接近常年同期或偏高，其中華北西部、黃淮西部、江淮大部、江漢、江南北部和西部、西南地區中部和西部及吉林中部、內蒙古西部等地偏高1～2℃，西藏大部偏高2～4℃(圖3)。此外，在國家級地面站(下同)中,月內全國共有573個站出現極端低溫事件，主要分布在華北、黃淮、江淮東部、江南中東部、華南中東部及西南地區東北部等地，其中內蒙古太仆寺旗(-37.5℃)、河北康保(-37.4℃)、山西大同(-31.1℃)等61個站日最低氣溫超歷史極值。全國有19個站出現極端日降溫事件，主要分布在青海、西藏、云南、江蘇等地(國家氣候中心,2021)。

2 環流特征和演變

2021年1月北半球環流形勢較2020年12月略有調整，圖4為1月北半球500 hPa平均位勢高度場和距平場分布，與常年平均相比有以下特點。

圖3 2021年1月全國氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in January 2021 (unit: ℃)

圖4 2021年1月北半球500 hPa平均位勢 高度場(a)和距平場(b)(單位：dagpm)Fig.4 Average geopotential height at 500 hPa (a) and its anomaly (b) in the Northern Hemisphere in January 2021 (unit: dagpm)

2.1 極渦呈偶極型分布，亞洲極渦偏強

北半球極渦形勢呈偶極型分布，主極渦中心分別位于北美洲加拿大北部的伊麗莎白女王群島和亞洲俄羅斯遠東地區鄂霍次克海附近地區。其中，加拿大北部的極渦中心氣壓值低于512 dagpm，高度場上以正距平控制區為主，極渦強度接近常年同期或略偏弱；亞洲極渦中心值低于504 dagpm，附近存在顯著的負距平，中心值在-12 dagpm以下，極渦整體較常年同期偏強。

2.2 東亞大槽偏西偏強

歐亞中高緯為兩槽一脊型分布，低壓槽位于歐洲中部和鄂霍次克海以西地區，高壓脊較弱，位于烏拉爾山以西。與多年平均相比，亞洲中高緯位勢高度呈“西低東高”特征，環流經向度較大，東亞大槽自鄂霍次克海向西南方向延伸至我國江淮地區，位置偏西偏南，強度偏強(趙彥哲等，2019；江琪等，2020)，有利于極地冷空氣南下影響我國北方大部地區，從而導致月內我國內蒙古中東部、東北地區大部、華北中東部等地的氣溫較常年同期偏低，并造成華北、黃淮、江淮東部等地的多個國家站出現極端低溫事件。

2.3 南支槽偏弱

1月，南支槽平均位于70°E附近，較常年同期位置偏西、強度偏弱，不利于孟加拉灣和印度洋的暖濕氣流向我國低緯地區輸送。此外，西北太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布，西伸脊點在135°E附近，脊線位于20°N以南，強度接近常年同期水平。

2.4 環流演變與我國天氣

2021年1月上、中、下旬歐亞地區500 hPa大氣環流發展演變趨勢的平均高度場如圖5所示。總體來看，烏拉爾山附近有高壓脊發展，東亞大槽較常年同期偏西偏強，亞洲中高緯環流經向度較大，我國東北部為槽區控制，受此影響北方地區冷空氣活動頻繁，大氣擴散條件整體偏好，氣溫較常年同期明顯偏低。低緯地區南支槽異常偏西偏弱，不利于洋面暖濕氣流向我國南方地區輸送，致使月內長江以南地區降水稀少，江南、華南等地出現顯著旱情。具體如下：

上旬(圖5a)，歐亞中高緯環流為兩槽一脊型，烏拉爾山附近的高壓脊較為強盛，使得冷空氣在西伯利亞橫槽后部堆積，西伯利亞高壓比常年同期偏強。受橫槽下擺和低渦東移南下影響，4—7日先后有兩股冷空氣連續影響我國中東部地區，其中6—7日我國出現大范圍寒潮天氣過程，大風降溫天氣顯著，華北、黃淮等地多個觀測站的最低氣溫突破或達到建站以來歷史極值，山東半島和遼東半島伴有強降雪。此外，由于南支系統較為平直，水汽輸送條件差，導致旬內南方地區無明顯降水過程。

中旬(圖5b)，烏拉爾山高壓脊呈現減弱態勢，我國中高緯環流經向度減小，旬內影響我國的冷空氣活動仍較為頻繁，但勢力較前期有所減弱，中旬前期全國大部分地區氣溫逐步回升至常年同期水平或略偏高。14—17日，隨著小槽東移，一股弱冷空氣活動給我國中東部地區帶來了一次雨雪降溫天氣。此外，10—16日受冷空氣影響，內蒙古中西部、甘肅中北部、青海、寧夏、陜西北部、山西、河北南部、河南、湖北、湖南、江西北部等地先后出現揚沙或浮塵天氣，甘肅、內蒙古局地出現沙塵暴，此次過程為我國今年首次沙塵天氣過程，影響范圍大，且較往年同期出現時間明顯偏早。本旬南支波動較常年同期偏弱，全國大部地區維持降水偏少的態勢。

圖5 2021年1月歐亞(范圍：0°～80°N、0°～180°E) 500 hPa上旬(a)、中旬(b)、下旬(c) 平均位勢高度場(單位: dagpm)Fig.5 Geopotential height field at 500 hPa over Eurasia (range： 0°-80°N， 0°-180°E) (unit: dagpm) averaged over the 1st (a), 2nd (b) and last (c) dekads of January 2021

下旬(圖5c)，隨著極渦東移，我國中高緯轉為緯向環流控制，冷空氣勢力整體偏弱，全國大部地區氣溫較常年同期偏高，其中東北地區中南部異常偏高，導致大氣擴散條件持續不利，20—28日我國中東部地區出現了一次持續性大范圍霧-霾天氣。南支槽較前期逐漸發展加深，因此雨雪天氣過程呈增多趨勢，范圍也有所擴大，但降水強度依舊偏弱。

3 冷空氣活動

3.1 概 況

依據中央氣象臺冷空氣劃分標準，1月僅有一次明顯冷空氣過程影響我國(表1)，與近三年歷史同期相比(劉超等，2018；趙彥哲等，2019；江琪等，2020)，冷空氣活動頻次雖較往年(4次)偏少，但強度偏強，為全國型強冷空氣過程。

表1 2021年1月主要冷空氣過程Table 1 Main cold air processes in January 2021

3.2 1月4—7日冷空氣過程

1月4—7日，受西伯利亞強冷空氣南下影響，我國大部地區經歷了一次強冷空氣過程。受此影響，中東部地區出現明顯大風降溫天氣，降溫8℃以上的國土面積達到250萬km2，降溫12℃以上面積達40萬km2，大部地區最低氣溫普遍降幅為6～10℃，山東、江蘇、安徽南部、浙江、上海等地的部分地區降溫幅度達12～15℃，北京、河北、山東、山西、陜西等省(直轄市)共計60個氣象觀測站的最低氣溫突破或達到建站以來歷史極值。冷空氣活動期間，北方大部地區及東部沿海最大陣風普遍為6～8級，山西、河北西部和北部、北京、天津、內蒙古中部等地局地為9～11級。華北、山東及東部沿海地區6級以上大風持續時間多為12～25 h，內蒙古中部、河北西北部、北京中西部、山西中部、山東沿海、浙江沿海等地持續時間長達30～50 h。另外，山東半島和遼東半島出現強降雪天氣，其中山東威海和煙臺、遼寧旅順等地累計降雪量達10～22 mm，最大積雪深度達7～24 cm。四川盆地及貴州、湖南南部、江西中部、浙江西部、福建等地的部分地區出現小雨雪或雨夾雪，累計降水量為2～8 mm，四川東南部10～26 mm；貴州中南部、湖南東南部、福建西部出現凍雨。總體來看，本次強冷空氣過程具有影響范圍廣、華北黃淮低溫極端性顯著、大風持續時間長等特點。

過程期間我國中東部地區受兩股冷空氣接連影響，從500 hPa位勢高度場和地面氣壓場演變分析可知，2日巴爾喀什湖附近高空有一淺槽西伸發展，地面冷高壓占據了西西伯利亞以東地區，我國大部地區處于低值系統底部的平直緯向環流中。1月3日08時，地面高壓主體壓至新疆北部，中心強度大于1 060 hPa，冷空氣前鋒到達我國內蒙古中東部地區，4—5日，分裂的小槽東移給北方地區帶來了一股弱冷空氣，西北地區東南部、華北中南部、黃淮、江淮等地氣溫下降4～6℃。之后隨著中高緯地區的低渦東移南下，引導冷空氣主體自北向南侵襲了我國中東部大部地區，北方地區最低氣溫再創新低。其中，5日夜間冷渦南移至貝加爾湖以南區域，中心強度低于508 dagpm，低渦后部偏北氣流引導冷空氣在蒙古國中西部附近的橫槽內不斷積聚(圖6a)。6日08時(圖6b)，蒙古國西北部的地面冷高壓中心值達到1 062.5 hPa，850 hPa伴有-36℃的冷中心，冷空氣勢力較強。冷鋒前沿自6日凌晨起已進入北京并逐漸向其以南地區移動，氣壓梯度密集且變壓幅度大，使得內蒙古中東部、華北、黃淮中北部及東北地區南部等地的部分地區出現6～8級陣風，局地達9～10級，山東半島和遼東半島出現冷流強降雪天氣。隨著西伯利亞冷高壓東移南下，6日20時冷空氣前鋒推至長江以南地區，西南地區東部、江南中西部以及華南等地的近地面風向表現為一致的偏北風，中層700 hPa西南急流開始逐漸加強，水汽輸送條件轉好，冷暖氣流交匯后，6日夜間至7日在江南中西部、西南地區東部、華南等地的部分地區形成分散性降水，但由于南支系統比較平緩，暖濕氣流較弱，因此降水量級較小。8日，隨著冷高壓主體東移入海，本輪冷空氣過程結束。

圖6 2021年1月5日20時(a)和6日08時(b) 500 hPa位勢高度場(等高線，單位：dagpm) 和海平面氣壓(陰影)Fig.6 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded) at 20:00 BT 5 (a) and 08:00 BT 6 (b) January 2021

4 沙塵天氣過程

4.1 概 況

由于1月冷空氣活動頻繁，西北大部地區降水較常年同期明顯偏少，地表植被長勢一般且土壤含水量較低，月內共出現兩次沙塵天氣過程，分別發生在10—16日和27—28日。10—16日，內蒙古中西部、甘肅中北部、青海北部、寧夏中北部、陜西北部、山西、河北南部、北京、天津、河南、湖北、湖南、江西北部等地先后出現揚沙或浮塵天氣，其中甘肅、內蒙古局地出現沙塵暴天氣。此次沙塵天氣是2021年的首次沙塵天氣過程，也是自2002年以來出現時間最早的一次沙塵天氣過程，呈現出影響范圍廣、強度大等特點。27—28日，內蒙古西部、甘肅河西、寧夏、陜西中北部、山西、河南、安徽等地出現揚沙或浮塵天氣，內蒙古吉蘭泰出現沙塵暴。根據中央氣象臺沙塵天氣過程劃分標準，上述兩次沙塵過程均為揚沙或浮塵天氣過程。

4.2 1月10—16日沙塵天氣過程

1月10—16日，內蒙古中西部、甘肅中北部、寧夏中北部、陜西北部、山西、京津冀、河南北部、山東、蘇皖北部等地出現大范圍沙塵天氣，其中，內蒙古阿拉善盟局地出現沙塵暴。此次沙塵天氣過程主要是由持續的多股冷空氣造成。

1月10日08時，地面冷高壓中心位于內蒙古西部，中心強度達1 045 hPa，冷鋒自內蒙古東部貫穿河套地區至內蒙古西部，由于等壓線密集，氣壓梯度大，冷鋒后部有較強西北風(內蒙古西部部分地區10 m風速達14 m·s-1，陣風超過20 m·s-1)，蒙古國南部和我國內蒙古西部開始出現明顯沙塵天氣。11日14時，在偏北地區生成一個較弱的氣旋且東移速度較快，氣旋后部的冷高壓也隨之快速東移，此時隨上升氣流進入高空的沙塵在西北風的作用下輸送至下游地區并出現沉降，導致西北地區東部、華北大部、黃淮等地空氣質量迅速轉差，首要污染物為PM10。12日20時，蒙甘陜寧交界地區7個城市空氣質量指數日均值“爆表”，PM10小時質量濃度在晚間至次日早晨一度超過2 000 μg·m-3。

13日20時，中高緯地區又有一個氣旋生成并迅速東移南下影響我國，氣旋后部的冷高壓中心強度達1 050 hPa，14日08時地面冷鋒達到新疆中部并快速南壓，新的一輪冷空氣使得長江以北大部地區自西北向東南先后出現降溫天氣，降溫幅度為6～8℃，其中，內蒙古中部、東北地區南部等地的降溫幅度超過10℃。冷鋒后的較強西北風使得沙塵天氣再度發展，13日下午至夜間(圖7)，太行山沿線城市普遍出現短時PM10嚴重或重度污染；北京市PM10質量濃度從12時的104 μg·m-3快速上升至17時的353 μg·m-3，達到短時重度污染水平，14日受上游傳輸影響黃淮、江淮北部等地的PM10濃度也有所升高。該冷鋒移動和減弱的速度較快，至15 日08時中東部大部的氣壓梯度明顯減弱，地面風速減小，沙塵天氣趨于結束。但在偏北氣流的引導下，受沙塵天氣的殘余影響，16日江漢、江南北部等地的PM10濃度仍出現了短時升高跡象，江西南昌PM10日均質量濃度高達342 μg·m-3，為重度污染水平。

圖7 2021年1月13日20時我國北方 地區PM10質量濃度(單位：μg·m-3)Fig.7 Mass concentration of PM10 (unit: μg·m-3) in northern China at 20:00 BT 13 January 2021

5 霧-霾天氣過程

5.1 概 況

1月中上旬，受頻繁冷空氣影響，我國中東部大氣擴散條件整體偏好，下旬隨著冷空氣勢力減弱，華北中南部、黃淮、東北地區中西部靜穩天氣形勢逐漸建立并發展，在20—28日出現了一次大范圍持續性霧-霾天氣。過程期間，中央氣象臺共發布2期大霧黃色預警和11期大霧預報。

5.2 1月20—28日霧-霾天氣過程

1月20—28日，我國京津冀及周邊地區、長三角中北部、汾渭平原以及東北等地發生大范圍持續性霧-霾天氣，此次過程河南大部、山東西部等地的部分地區污染較重，其中24日開封市PM2.5日均質量濃度為311 μg·m-3。過程期間，北京PM2.5日均質量濃度最高達132 μg·m-3(25日)，單站小時峰值質量濃度達到196 μg·m-3(房山燕山)。此外，夜間至上午時段，由于濕度高至飽和，多伴有大霧或濃霧天氣。

從此次持續霧-霾過程的大尺度環流背景場看(圖8)，20—28日，我國中東部處于西風帶緯向環流控制區中，無明顯槽脊活動，冷空氣勢力弱，我國中東部大部分地區位于冷高壓前部的均壓場控制，等壓線稀疏，氣壓梯度小，大氣擴散能力較差，在這種靜穩形勢下，有利于霧-霾天氣的發生和維持。同時，華北中南部相對濕度較高和區域性逆溫的存在，加速了氣粒轉化，弱化了大氣垂直擴散和清除能力。24—25日，區域有小到中雪，雪前濕度增加，大氣顆粒物吸濕增長，使污染情況加重。如圖9所示，華北中南部、黃淮等地受偏東或東南風影響，使污染物在京津冀中南部、山東以及河南一帶不斷積累，出現輕至中度霾，其中河北西部沿山、河南東南部、陜西關中等地的部分地區出現重度霾。26日，受弱冷空氣影響，區域北部地區的霾天氣有所減弱，但華北南部、黃淮、汾渭平原等地的霾繼續維持。27日，受偏南風的影響，大氣擴散條件再次轉差，且受污染物回流影響，華北中南部、黃淮等地出現輕至中度霾，部分地區為重度霾。28日夜間，受西北冷空氣影響，地面偏北風逐漸加大，大氣擴散條件顯著改善，PM2.5濃度迅速下降，能見度逐漸好轉，此次霧-霾天氣過程結束。

圖8 2021年1月20—28日平均500 hPa 位勢高度場(等高線，單位：dagpm) 和海平面氣壓(陰影)Fig.8 Average geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded) from 20 to 28 January 2021

圖9 2021年1月24日20時至 25日20時霾天氣實況Fig.9 Observed haze weather from 20:00 BT 24 to 20:00 BT 25 January 2021

致謝：感謝國家氣象中心宋文彬提供的降水量、降水距平和溫度距平資料。