2021年春季我國氣候異常特征及可能成因分析*

劉蕓蕓 高 輝

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： 利用中國站點降水和氣溫資料、NCEP/NCAR大氣再分析資料和海溫數據，總結了2021年春季(3—5月)我國氣候異常特征，并初步分析了其可能成因。2021年春季全國平均氣溫為11.6℃，為1961年以來第四暖，但4月我國中部地區出現階段性氣溫偏低；全國平均降水量為145.3 mm，接近常年同期，但季內階段性變化顯著，這與環流的階段性調整密切相關。3—4月亞洲中緯度環流為“東高西低”型，副熱帶高壓偏弱偏東，有利于來自西北太平洋的水汽向長江以北輸送，降水呈“北多南少”分布。5月中緯度環流轉變為“東低西高”型，副熱帶高壓西伸北擴，低層西南暖濕氣流增強，在江南、華南強烈輻合上升，為強對流天氣的頻繁發生提供了有利條件，降水調整為“南多北少”分布。此外4月中旬開始，中高緯阻塞活動逐漸頻繁，一方面導致我國中部地區氣溫階段性偏低，另一方面也是造成南方強對流天氣發生的重要因素之一。春季后期環流出現明顯調整與高低緯度環流相互作用及熱帶海溫的演變有關。4月中旬北極圈大氣明顯回暖，烏拉爾山高壓脊增強，進而造成上述“東低西高”型環流異常；同時，隨著5月熱帶印度洋的快速增暖，前期表現為對事件響應的東亞低緯度環流形勢也出現明顯調整，從而導致季內降水分布也發生了明顯變化。

引 言

我國是典型的季風氣候，氣候受季風影響很大。冬季我國大部主要受干冷的冬季風控制，而夏季則受來自熱帶暖濕的夏季風控制。春季是冬季風和夏季風更替的季節，時而來自北方的冷空氣強，時而來自南方的暖濕氣流強，兩股勢力此消彼長，導致春季氣候變化較為劇烈，天氣多變。當冷空氣強時，北方容易出現大風降溫甚至沙塵天氣。當暖濕氣流比較強時，氣溫則會相對較高，冷暖空氣交匯的地方，就容易發生降水，甚至出現雷暴、冰雹、龍卷等強對流天氣。此外，華南前汛期、江南春雨(Tian and Yasunari,1998;詹豐興等，2013)以及南海夏季風的爆發(Tao and Chen,1987)等氣候事件都在春季發生，從而造成春季復雜多變的區域氣候特征。已有研究表明，我國春季氣候具有顯著的年際變化(邵勰等，2015;2016；龔志強等，2017；王遵婭等，2018；劉蕓蕓和陳麗娟，2019)，而此時大多數地區正值農作物播種和生長期，因此春季的氣候異常將對農業生產和人民生活造成重要的影響，有效地理解春季氣候異常并做好預報服務有利于防災減災。

1 資料與方法

2 2021年春季中國氣候異常特征

2.1 氣 溫

2021年春季(3—5月，下同)，全國平均氣溫為11.6℃，較常年同期(10.4℃)偏高1.2℃，為1961年以來歷史同期第四高(圖1)。與常年同期相比，全國大部地區氣溫較常年同期偏高0.5℃以上，其中東北地區及內蒙古大部、華北中西部、西北北部、江南東部、華南大部、西南地區中南部偏高1～2℃，局地偏高2℃以上(圖2a)。從春季逐月的氣溫距平分布可以看到，季節內的氣溫空間分布差異很大(圖2b～2d)。3月，全國大部地區氣溫偏高1～4℃，內蒙古中東部、黑龍江西部、吉林西部等地偏高4～6℃(圖2b)。4月我國中部大部地區氣溫偏低，其中華北西南部、黃淮大部、江淮西北部、江漢、江南西部、華南西部、西南地區東部、西北地區東部和中部、新疆西部、西藏西南部等地氣溫偏低0.5～2℃，局部偏低2～4℃；其余大部地區氣溫接近常年到偏高(圖2c)。5月，氣溫偏低的范圍明顯縮小，僅在東北地區東南部、內蒙古中東部部分地區偏低1～2℃，其余大部地區氣溫接近常年到偏高，其中江南東部、華南大部、云南大部、西藏東部、西北地區北部等地偏高1～2℃，局部偏高2℃以上(圖2d)。

圖1 1961—2021年春季全國平均氣溫歷年變化

圖2 2021年(a)春季和(b)3月、(c)4月、(d)5月的全國平均氣溫距平分布

2.2 降 水

2021年春季，全國平均降水量為145.3 mm，接近常年同期(143.7 mm)(圖3)。降水空間分布不均，其中東北地區北部、內蒙古東北部和西部、山東半島、江漢、江南、西南地區東南部、西藏中西部、西北地區大部和新疆中南部等地降水偏多2成至2倍，局地偏多2倍以上；而東北地區中南部、華北東部、黃淮西部、華南南部、西南地區中南部、新疆西北部等地降水偏少2～8成，云南西部偏少8成以上(圖4a)。從春季逐月的降水分布來看，南北方旱澇轉換明顯：3月，東北地區北部、華北大部、黃淮東部、江漢東部、西南地區東北部、西藏中部、新疆中部和北部等地偏多5成至2倍，部分地區偏多2倍以上；而東北地區西南部、江南南部、華南大部、西南地區南部、西北地區中西部、新疆西部等地偏少2～8成，云南大部、四川南部、貴州西部和新疆西部偏少8成以上(圖4b)。4月降水偏多的區域仍以北方為主，但偏多的中心較3月有所偏西；而我國東北、華北東部、江淮、江南東部、華南中東部、西南中西部和新疆北部降水偏少2～8成，云南西北部和四川南部仍偏少8成以上(圖4c)。5月降水異常空間分布出現了明顯調整，由前期的“北多南少”轉變成“北少南多”分布，江淮南部、江南、華南北部、四川西北部和西藏大部降水偏多2成至2倍，部分地區偏多2倍以上，而北方大部地區降水偏少(圖4d)。

圖3 1961—2021年春季全國平均降水量歷年變化

2.3 氣象災害

氣溫總體偏高和降水空間分布不均導致我國春季旱澇災害并重。一方面，由于溫高雨少，區域性、階段性氣象干旱明顯(圖5)。3月我國云南、江南南部、華南等地氣象干旱發展(圖5a)，4月4日干旱地區最大中度以上干旱面積達到104.9萬km2，4月5日重旱以上干旱面積為63.3萬km2(圖5d)。4月12日之后，旱區降水明顯增多，江南東南部、華南中東部等地氣象干旱得到緩和，但云南、廣東等地降水少，氣象干旱維持或發展(圖5b)。5月華北地區、東北地區南部旱情露頭并發展，至5月31日，云南大部、四川南部、廣東西南部、海南、吉林西南部、遼寧西部、河北南部等地存在中度及以上氣象干旱，四川南部、云南北部以及海南東北部重旱，局地特旱(圖5c)。另一方面，南方區域性暴雨過程頻繁，多地河流水庫水位超警。春季我國南方共出現8次區域性暴雨過程，其中有6次發生在5月。5月15—23日，我國長江以南大部地區遭遇持續性強降水天氣，累計降水量普遍超過100 mm。5月30—31日，華南大部遭遇強降雨天氣，廣東中東部出現暴雨到大暴雨，惠州、河源、汕尾和揭陽等局地特大暴雨。

圖5 2021年(a)3月31日、(b)4月30日和(c)5月31日的全國氣象干旱綜合監測圖及(d)4月1—30日氣象干旱面積變化

春季后期，多個地區遭受強對流天氣影響，4月30日江蘇沿江及以北地區遭受強對流天氣襲擊，南通局地風力達13～15級，對當地造成較大影響。5月14日，湖北武漢市出現短時強降水、雷暴、大風、冰雹等強對流天氣，局地出現龍卷風；江蘇蘇州市吳江區遭龍卷風襲擊，中心最大風力為17級，造成人員傷亡，局部電力設施、多處房屋受損。

此外，2021年春季我國北方還出現了9次沙塵天氣過程，比2011—2020年同期平均(8.3次)偏多0.7次。其中3月13—18日、3月27日至4月1日為強沙塵暴天氣過程，4月14—16日、5月5—8日為沙塵暴天氣過程，其余5次為揚沙天氣過程。華北以及內蒙古地區沙塵日數為2003年以來同期第二多(僅次于2006年)。

從上面的分析可以看到，無論是氣溫還是降水，春季氣候季內變化都非常顯著，造成災害發生也具有明顯的階段性特點，這些與春季季內大氣環流發生階段性變化有關。下面將根據2021年春季氣溫和降水的季內異常變化特點，分階段對大氣環流和可能的外強迫因子做進一步的成因分析。

3 2021年春季氣候異常的可能成因

3.1 大氣環流異常特征

2021年春季環流呈現顯著的階段性變化，這是春季作為東亞冬季風環流向夏季風環流的轉換期所特有的表現。3—4月，亞洲中緯度地區環流異常空間型基本呈現“東高西低”分布，即貝加爾湖以東至東亞的大部地區位勢高度場較常年同期偏高，對應東亞槽偏弱，而貝加爾湖以西的地區高度場偏低，從而有利于中西路冷空氣活動。低緯度地區的西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)較常年偏弱，位置偏東，使得東亞地區自南向北呈現“負—正—負”的異常分布(圖6a)。對應低層風場上，30°N以南為顯著的異常氣旋性環流，而30°N以北為龐大的異常反氣旋性環流(圖6c)，這樣的環流形勢有利于來自西北太平洋的水汽向我國長江以北地區輸送，與來自北方的中西路冷空氣活動配合，從而導致我國3—4月北方大部降水偏多。另一方面，孟加拉灣北部為異常反氣旋性環流，而長江以南大部處在異常氣旋性環流西側的偏北風控制下，使得向我國西南、華南地區的水汽輸送條件也偏差，造成南方降水較常年同期明顯偏少(Ding and Gao,2020)，西南和華南的氣象干旱發展，華南前汛期開始時間較常年(4月6日)偏晚20 d。

5月大氣環流形勢出現明顯調整，亞洲中緯度地區環流轉變為“東低西高”分布，我國東北、華北上空高度場偏低，有利于冷渦活躍及東路冷空氣南下影響我國，同時造成東北和華北北部部分地區的氣溫偏低和降水偏多；低緯度地區副高較前期明顯增強西伸，東亞地區自南向北轉變為“正—負—正”的異常分布(圖6b)，這也使得南方大部地區氣溫迅速升高，并較常年同期偏高1～2℃，其中長江下游偏高2℃以上。同時副高位置較常年同期偏北，對應低層風場上為明顯的反氣旋性環流(圖6d)，有利于引導南海和西太平洋的暖濕氣流到達江淮和江南地區(Ding et al,2020)。江淮和江南大部地區處于高溫高濕的環境，在與來自北方的東路冷空氣活動的有力配合下，為5月該區域強降水和強對流天氣的頻繁發生創造了有利的氣象條件，同時華南北部的氣象干旱也得到緩解。另一方面，孟加拉灣仍然存在異常反氣旋性環流，在其南側為弱的偏東風距平，對應印度西南夏季風偏弱，輸送到我國西南南部地區的水汽明顯減弱，從而導致云南大部地區春季降水異常偏少，氣象干旱持續發展。

圖6 2021年(a,c)3—4月和(b,d)5月的(a,b)500 hPa位勢高度場分布(等值線為原始場，填色為距平場，單位：gpm)及(c，d)850 hPa距平風場(單位：m·s-1)

圖7進一步給出了春季南方關鍵大氣環流系統的逐日演變特征，3—4月副高總體偏弱，5 840 gpm線基本在25°N以南，其北側的垂直上升運動弱，對應低層的西南氣流和水汽輻合也不明顯(圖7a)。5月副高顯著加強且北擴，5 840 gpm線最北達到30°N，中心出現閉合的5 900 gpm線，其北側的垂直上升運動也明顯加強。南方低空西南急流活躍，隨著西南急流的加強，南風大值中心反復建立，并在其北側形成經向風強梯度帶，都為南方的強降水或強對流天氣提供了有利的低層動力條件(圖7b)(劉蕓蕓和丁一匯，2020)。另一方面，低空西南急流也是強水汽輸送帶，它不僅將來自熱帶海洋的暖濕氣流輸送到我國南方，為強降水過程的形成提供必要的水汽條件和不穩定能量，而且西南急流北側的南風經向強梯度帶還促成了源自低緯地區的水汽在此區域的強烈輻合(圖7b)，上升運動發展，促使其不穩定能量釋放，為強對流的頻繁發生提供了有利的氣象條件。

圖7 2021年春季110°～122.5°E平均的逐日(a)500 hPa位勢高度(等值線，僅給出5 840 gpm以上數值)、緯向風零線(紅線，單位：m·s-1)與垂直上升運動(填色，單位：10-2 m·s-1)，(b)850 hPa經向風(等值線，>6 m·s-1)和矢量風(箭頭，單位：m·s-1)及整層水汽通量散度(填色，單位：10-5 kg·m-2·s-1)的時間-緯度剖面

相比于低緯地區環流的調整，歐亞中高緯地區的大氣環流季內轉換似乎要復雜一些。圖8為春季歐亞中高緯阻塞高壓(以下簡稱阻高)的逐日演變，它是造成中高緯大氣環流異常的一個主要環流系統(Tibaldi and Molteni,1990)。可以看到，3月歐亞中高緯幾乎沒有阻塞活動；4月中旬開始，中高緯阻塞活動開始逐漸頻繁，主要以烏拉爾山阻高和鄂霍次克海阻高的形式表現，兩者或此消彼長，或“雙阻鼎立”(圖8)。當阻塞形勢建立，中高緯環流經向度加大，則有利于來自于極區的冷空氣自北向南影響我國。其中4月出現4次冷空氣過程，較常年同期(2.9次)偏多，這也是4月我國中部大部地區氣溫偏低的直接原因。冷空氣活動也是強降水和強對流天氣發生的重要因素之一，它能夠促成產生強降水所必須的低層輻合抬升(姚秀萍和于玉斌，2005)。冷空氣南下，正好與低層一次次加強的西南暖濕水汽交匯(圖7)，造成5月我國南方強降水強對流天氣的頻繁發生。

圖8 2021年春季北半球中高緯度阻塞高壓強度的時間-經度剖面(紅色、綠色和藍色虛線分別代表烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海區域)

3.2 外強迫因子分析

與此同時，春季熱帶印度洋海溫表現為偏暖的特征(圖9a)，IOBM指數(Chambers et al,1999)自2021年3月開始由前期的負距平轉為正距平，尤其在5月增暖迅速(圖9b)。印度洋暖海溫的發展通過Matsuno-Gill響應(Matsuno，1966；Gill，1980)激發Kelvin波，在孟加拉灣和南海分別產生異常的反氣旋環流，該反氣旋環流有利于副高的加強西伸(Yuan et al,2012)。5月的低緯度大氣環流系統就表現出對熱帶印度洋迅速增暖的響應，孟加拉灣和南海地區均存在較明顯的反氣旋性異常環流(圖6)，有利于副高從3—4月的偏弱偏東轉變為5月偏強偏西的特征。春季副高強度指數與前期逐月熱帶海溫指數的相關也可以看到，隨著時間的演變，春季3—5月IOBM指數與副高強度指數的正相關關系最為顯著，超過0.01的顯著性水平(圖10a)。由于副高強度和西伸脊點本身具有高相關性(劉蕓蕓等，2012)，副高的西伸脊點指數與熱帶海溫指數的相關與前者類似(圖略)。即春季熱帶印度洋海盆整體偏暖時，副高容易偏強偏西。同時也注意到，相比熱帶印度洋海溫異常，赤道中東太平洋的海溫異常對西太副高強度的影響在逐漸減弱，這也進一步說明，今年5月低緯環流出現明顯調整是熱帶印度洋海溫的增暖起了重要作用。這與先前的研究結果也是一致的(Xie et al,2009；Liu et al,2013；袁媛等，2014；He and Zhou,2015)。

圖9 (a)2021年春季全球海溫距平場分布和(b)2020年1月至2021年5月與IOBM海溫指數的逐月變化

而對于中高緯環流同樣在春季季內也發生了明顯變化，這似乎更像是大氣內部過程相互適應的結果。從對極區的實況監測看到，北極地區850 hPa氣溫在4月上旬末開始從偏冷轉為偏暖(圖11a)，相應地，極區上空的位勢高度場也出現調整，由前期的高低層一致的負位勢高度場距平而轉為中低層的正位勢高度場距平(圖11b)。這些環流系統的調整時間節點與歐亞中緯度地區阻塞活動的階段性活躍有很好的對應關系。但它們是通過怎樣的物理機制相互聯系，以及是否還有其他先兆信號對其產生影響，還值得進一步的深入分析。

圖11 2021年春季北極(65°～90°N)(a)850 hPa氣溫距平(紅色陰影表示正距平，藍色陰影為負距平)的逐日演變，(b)北極上空位勢高度距平的時間-高度剖面

4 結論與討論

本文利用中國站點降水和氣溫資料、NCEP/NCAR大氣再分析資料和海溫數據，總結了2021年春季我國主要氣候異常特征，并初步分析了導致春季氣候異常的可能成因。主要結論如下：

Fig.10 1981—2020年春季(a)西太副高強度指數和(b)脊線指數分別與前期海溫指數的線性相關[相關系數≥0.31或≤-0.31表示通過0.05顯著性水平檢驗，圖中虛線所示；藍色柱狀代表與指數的相關，橙色柱狀代表與IOBM指數的相關；橫坐標中的(-1)表示超前一年，(0)表示同一年]

2021年春季(3—5月,下同)，全國平均氣溫為11.6 ℃，較常年同期偏高1.2℃，為1961年以來歷史同期第四高；其中4月我國中部大部地區出現階段性低溫過程。全國平均降水量145.3 mm，接近常年同期，但季內階段性變化特征顯著。3—4月我國北方大部降水偏多，而江南南部、華南、西南南部降水明顯偏少；5月降水偏多的區域集中在江南、華南北部，而北方大部轉為降水偏少。氣溫偏高和降水空間分布不均導致春季旱澇災害并重。西南南部、華南南部氣象干旱持續發展，5月南方強降水強對流天氣頻發，北方多次出現大風沙塵天氣過程。

春季季內環流階段性特征顯著，3—4月亞洲中緯度環流異常空間型為“東高西低”型，副高較常年偏弱偏東，東亞地區自南向北呈現“負—正—負”的分布，有利于來自西北太平洋的水汽向我國長江以北地區輸送，與來自北方的中西路冷空氣活動配合，使得北方大部降水偏多。5月環流形勢出現明顯調整，亞洲中緯度環流轉變為“東低西高”型，副高明顯增強西伸且北擴，東亞地區自南向北轉變為“正—負—正”的分布，有利于引導南海和西太平洋的暖濕氣流到達江淮和江南地區。低層西南暖濕氣流增強，在江淮和江南大部地區強烈輻合，上升運動發展，促使其不穩定能量釋放，為該區域強降水和強對流天氣的頻繁發生提供了有利的氣象條件。另外，4月中旬開始，中高緯阻塞活動開始逐漸頻繁，有利于冷空氣南下影響我國，其中4月出現4次冷空氣過程，較常年偏多，這也是我國中部大部地區氣溫階段性偏低的直接原因。冷空氣活動也是強降水和強對流天氣發生的重要因素之一，當冷空氣南下正好與低層反復加強的西南暖濕水汽交匯，則造成南方強降水的頻繁發生。

本文僅從大尺度環流和熱帶海洋外強迫信號分析了這些因子對春季基本氣候特征的影響。值得關注的是，2021年春季我國極端氣候事件頻頻發生，例如我國南方地區持續的干旱、華南前汛期和西南雨季明顯偏晚，北方強沙塵暴影響偏重等等，這些具體的極端事件國家氣候中心目前已組織開展分析，其中的機理將在后續文章中揭示。