2021/2022年冬季中國氣候異常特征及南方降水異常偏多成因分析*

支 蓉 鄭志海

國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081

提 要：2021/2022年冬季，東亞冬季風較常年同期偏強，西伯利亞高壓偏強，我國平均氣溫較常年同期偏低，在空間型上整體表現(xiàn)為“北暖南冷”的異常分布，全國平均降水量較常年同期偏多，尤其是青藏高原、西南、華南等地偏多較為明顯。冬季北極濤動長時間維持正位相，有利于烏拉爾山阻塞高壓偏弱；而鄂霍次克海阻塞高壓異常活躍，500 hPa高度場上正距平中心從鄂霍次克海向西延伸至貝加爾湖—巴爾喀什湖附近；此外，冬季北極濤動正位相還通過南歐亞遙相關型的間接途徑影響東亞冬季氣候，造成中東急流偏強，高原高度場持續(xù)偏低，與赤道中東太平洋的事件相配合，使得東亞地區(qū)500 hPa高度場整體呈現(xiàn)近似“北高南低”的距平分布，我國冬季平均氣溫在空間型上整體表現(xiàn)為“北暖南冷”的異常分布，南方地區(qū)降水異常偏多。在季節(jié)內(nèi)變化方面，我國冬季氣溫呈現(xiàn)“前冬暖、后冬冷”的特點，主要與東亞冬季風“前冬偏弱、后冬偏強”的季節(jié)內(nèi)變化特征密切相關。

引 言

東亞冬季風是東亞氣候系統(tǒng)的重要組成部分，對中國和整個東亞地區(qū)冬季的氣候異常有重要影響。東亞冬季風起源于西伯利亞高壓，其強度主要取決于西伯利亞高壓的發(fā)展程度(丁一匯，2013)。東亞冬季風偏強時，西伯利亞高壓和阿留申低壓偏強，東亞大槽加深，繼而引導極地冷空氣南下，使得我國除東北北部和西南地區(qū)以外的大部分地區(qū)氣溫偏低，易發(fā)生強降溫、強降雪等天氣、氣候災害(郭其蘊，1994；高輝，2007；Huang et al，2007；陳文等，2013)。

除了季節(jié)平均特征，東亞冬季風的季節(jié)內(nèi)變率及其影響也廣受關注。例如，李崇銀(1988)、Chan and Li(2004)研究表明，東亞冬季風具有較為顯著的30～60 d(或準40 d)以及10～20 d周期性特征。近年來，由于中國冬季季節(jié)內(nèi)氣溫變化的“冷-暖(暖-冷)急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生，給短期氣候預測帶來巨大的挑戰(zhàn)(丁一匯等，2008；布和朝魯?shù)龋?018；司東等，2016；聶羽等2016)。對此，國內(nèi)外眾多專家和學者開展了大量研究：如韋瑋等(2014)的研究表明，前冬出現(xiàn)全國型偏暖(冷)或北冷南暖(北暖南冷)的氣溫異常時，后冬出現(xiàn)類似或相反氣溫異常的概率分別在50%左右；董文杰等(2003)、黃嘉佑和胡永云(2006)及Cohen et al(2014)的研究較為一致地指出，中國前、后冬氣溫變化趨勢呈現(xiàn)明顯的非對稱性；Li et al(2021)的研究表明，20世紀90年代末以來，中國12月和1月平均氣溫的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生頻率大大增加，這一現(xiàn)象可能主要受到中部型ENSO事件的影響，而西伯利亞高壓是二者相聯(lián)系的重要媒介；Ding et al(2021)的研究指出，9—10月北極海冰偏少將有利于后冬1—3月中國北方，尤其是東北地區(qū)氣溫偏低；Xu et al(2021)的研究則指出，前冬11—12月北極海冰減少將會造成后冬1—2月東亞大槽加深，有利于東亞冬季風的增強。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有：(1)中國氣象局國家氣象信息中心整編的“中國地面基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”逐日氣溫和降水觀測資料,包含了中國2 474個基本、基準和一般氣象站1951年1月以來氣溫、降水的日值數(shù)據(jù)，并在逐日數(shù)據(jù)的基礎上計算得到逐月和季節(jié)平均數(shù)據(jù)，其中冬季指當年12月至次年2月的三個月平均，如2021/2022年冬季為2021年12月至2022年2月。(2)國家氣候中心提供的160個站月降水觀測資料。(3)大氣環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐月再分析資料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率為2.5°×2.5°。文中所指氣候態(tài)為1991—2020年平均。

東亞冬季風強度指數(shù)采用的是朱艷峰(2008)的定義，即將25°～35°N、80°～120°E范圍內(nèi)500 hPa緯向風的平均值減去50°～60°N、80°～120°E范圍內(nèi)500 hPa緯向風的平均值，并對差值進行標準化處理。西伯利亞高壓指數(shù)定義為40°～60°N、80°～120°E范圍內(nèi)海平面氣壓的面積加權平均值，結果同樣進行標準化處理。AO指數(shù)和高原高度場指數(shù)均來源于國家氣候中心“氣候與氣候變化監(jiān)測預測系統(tǒng)”。

文中部分圖形出自國家氣候中心開發(fā)的“氣象災害影響評估系統(tǒng)”。

2 2021/2022年冬季我國氣候異常特征

2.1 2021/2022年冬季我國氣溫異常特征

2021/2022年冬季，全國平均氣溫為-3.2℃，較常年同期(-3.0℃)偏低0.2℃(圖1a)。從氣溫距平空間分布來看，氣溫偏低的區(qū)域主要集中在青藏高原、西南、華南、華中南部、東北北部等地，其中青藏高原大部、華南西部等地偏低2℃以上；全國其余地區(qū)氣溫接近常年同期至偏高(圖1b)。

圖1 (a)1961/1962—2021/2022年冬季全國平均氣溫歷年變化及(b)2021/2022年冬季全國氣溫距平分布

2021/2022年冬季，我國氣溫整體表現(xiàn)為“前冬暖、后冬冷”的階段性變化特征；除西藏地區(qū)整個冬季表現(xiàn)為持續(xù)異常偏冷外，全國其余大部分地區(qū)氣溫季節(jié)內(nèi)波動特征明顯。2021年12月和2022年1月，全國平均氣溫分別為-2.3℃和-4℃，均較常年同期(-3℃和-4.8℃)明顯偏高，偏高的異常程度分別位列1981年以來同期第九位和第八位；除西藏及東北北部等地氣溫持續(xù)較常年同期偏低外，全國其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高(圖2a、2b)。2022年2月，氣溫迅速轉(zhuǎn)低，全國整體以一致偏冷為主要特征(圖2c)；全國平均氣溫為-3.2℃，較常年同期(-1.2℃)偏低2℃，位列1981年以來同期第六位，為2009年以來同期最冷；內(nèi)蒙古中西部、青藏高原大部、西南地區(qū)南部、江南、華南等地氣溫偏低2～4℃，其中內(nèi)蒙古中部、華南西部等地偏低超過4℃。從冬季全國平均氣溫距平逐候演變曲線也可以明顯看出2021/2022年冬季我國氣溫呈“前冬暖、后冬冷”的季節(jié)內(nèi)進程特點，2021年12月至2022年1月，氣溫維持接近常年至偏暖的狀態(tài)，僅12月第6候氣溫明顯較常年同期偏低；進入2月，全國平均氣溫呈現(xiàn)較常年同期持續(xù)明顯偏低的特點，其中2月第5候較常年同期偏低達4.5℃(圖2d)。

圖2 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全國氣溫距平分布，及(d)2021/2022年冬季逐候全國平均氣溫距平

2.2 2021/2022年冬季我國降水異常特征

2021/2022年冬季，全國平均降水量為52.5 mm，較常年同期(42.1 mm)偏多24.7%，位列1981年以來第八位(圖3a)。除新疆、西北地區(qū)西部、東北地區(qū)南部、華東北部等地降水較常年同期偏少外，全國其余大部地區(qū)降水接近常年同期至偏多。其中西北地區(qū)東部、西藏大部、西南地區(qū)大部、華中南部、華南等地降水偏多超過5成，局部超過1倍(圖3b)。

圖3 同圖1，但為(a)降水量和(b)其距平百分率

2021年12月，降水偏多的區(qū)域主要位于105°E以西，我國東部地區(qū)整體以降水偏少為主；月平均降水量為8.7 mm，較常年同期(11.9 mm)偏少 26.9%(圖4a)。2022年1月，降水偏多的區(qū)域較前期明顯東擴，我國東部長江中下游及其以北地區(qū)降水明顯偏多；月平均降水量為18.2 mm，較常年同期(14.3 mm)偏多27.3%，位列1981年以來歷史第八位(圖4b)。2022年2月，105°E以西地區(qū)降水持續(xù)明顯偏多，東部地區(qū)降水偏多的區(qū)域明顯較1月有所南壓，主要位于江南南部至華南；此外，受2月13日前后一次強降雪過程影響，華北北部至內(nèi)蒙古中部等地降水也表現(xiàn)為偏多的特征；2月全國平均降水量為25.5 mm，較常年同期(16.3 mm)偏多56.4%，位列1981年以來歷史第四位(圖4c)。

圖4 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全國降水量距平百分率分布

3 2021/2022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

2021/2022年冬季，AO維持正位相的時間超過2/3(圖5c)，有利于烏拉爾山阻塞高壓的偏弱(李崇銀和顧薇，2010)，500 hPa高度場上烏拉爾山附近呈現(xiàn)負距平特征(圖5a)；而鄂霍次克海阻塞高壓則異常活躍，且高度場正距平中心向西延伸至貝加爾湖—巴爾喀什湖附近(圖5a)，不利于東路冷空氣南下，因此冬季影響我國的冷空氣路徑整體以偏西為主。青藏高原附近為高度場負距平中心(圖5a)，從高原高度場指數(shù)逐候演變來看，整個冬季大約有2/3 的時間高原高度場維持在較常年同期偏低的狀態(tài)(圖5d)。東亞地區(qū)高度場整體呈現(xiàn)“北高南低”的距平分布(圖5a)，環(huán)流經(jīng)向度較大，有利于來自中高緯度地區(qū)的冷空氣南下影響我國。低層風場上(圖5b)，印度北部及孟加拉灣附近為明顯的氣旋式環(huán)流異常，冬季南支槽活動較為活躍，西南向水汽輸送持續(xù)偏強；西北太平洋高度場整體呈現(xiàn)負距平為主的特征(圖5a)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)總體偏弱。持續(xù)的西南向水汽輸送和不斷南下的冷空氣相結合是我國南方地區(qū)降水異常偏多的直接原因。

圖5 2021/2022年冬季(a)平均500 hPa高度場(等值線，紅色等值線為氣候平均的5 880 gpm，下同)和距平場(填色),(b)700 hPa風場距平(風矢)，(c)AO指數(shù)和(d)高原高度場指數(shù)逐候演變

2021/2022年冬季大氣環(huán)流具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征：2021年12月至2022年1月(圖6a)，歐亞中高緯地區(qū)以緯向型環(huán)流為主，烏拉爾山附近為高度場負距平，貝加爾湖—巴爾喀什湖及我國中東部大部分地區(qū)為高度場正距平，東亞大槽整體略偏弱，呈現(xiàn)較典型的冬季風偏弱的特征，不利于冷空氣南下，我國大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高。而2022年2月(圖6b)，環(huán)流形勢較前期發(fā)生明顯變化，烏拉爾山附近高度場轉(zhuǎn)為正距平，青藏高原高度場負距平進一步加強，貝加爾湖—巴爾喀什湖以南的東亞大部地區(qū)為高度場負距平所控制，東亞地區(qū)整體呈現(xiàn)“北高南低”的高度場異常分布，環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，冷空氣活躍且較為持續(xù)，我國大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。

圖6 (a)2021年12月至2022年1月及(b)2022年2月平均500 hPa高度場(等值線,單位：gpm)和距平場(填色)

3.2 東亞冬季風活動特征

東亞冬季風標準化強度指數(shù)和西伯利亞高壓標準化強度指數(shù)均顯示2021/2022年冬季平均東亞冬季風較常年同期偏強(圖7a,7b)，這與我國冬季氣溫整體偏低的特征很好對應。為了進一步分析冬季氣候的階段性變化特征，圖7c和7d分別給出了東亞冬季風和西伯利亞高壓強度指數(shù)的逐候演變，二者一致反映出東亞冬季風季節(jié)內(nèi)“前弱后強”的階段性特征。1月第5候之前，東亞冬季風整體持續(xù)偏弱，受其影響，全國平均氣溫在此期間也維持以偏暖為主的特征(圖2d)；1月第5候之后，東亞冬季風轉(zhuǎn)入持續(xù)偏強的狀態(tài)，與之相對應，全國平均氣溫也從前期持續(xù)偏暖轉(zhuǎn)為后期持續(xù)偏冷的狀態(tài)(圖2d)。總體而言，東亞冬季風階段性特征與全國平均氣溫的季節(jié)內(nèi)進程特征的反相關系異常清晰，充分顯示出2021/2022年冬季東亞冬季風對我國冬季氣溫的直接和顯著影響，這與前人的研究結果也是一致的(丁婷等，2017；章大全和宋文玲，2018；支蓉和高輝，2019；趙俊虎等，2020；韓榮青等，2021)。

圖7 (a,b)1961/1962—2021/2022冬季標準化強度指數(shù)歷年變化和(c,d)2021/2022年冬季強度指數(shù)逐候演變(a,c)東亞冬季風，(b,d)西伯利亞高壓

4 2021/2022年冬季我國南方降水異常成因分析

2021/2022年冬季高原高度場持續(xù)偏低，南支槽活躍，使得我國南方地區(qū)水汽輸送條件較好，降水偏多。圖8a進一步給出了冬季高原高度場與降水的相關分布，可以看出高原高度場與我國西南和華南地區(qū)的降水呈現(xiàn)顯著的負相關關系。有研究表明，AO長時間維持正位相，有利于出現(xiàn)南歐亞遙相關型的正位相(徐寒列等，2012；Li et al，2019)，表現(xiàn)為在歐洲西南部和阿拉伯海以及亞洲東北部為高度場正距平，而在中東和青藏高原地區(qū)為高度場負距平。該遙相關波列以副熱帶西風急流為波導傳播，在AO正位相維持的情況下，200 hPa緯向風距平場上有一支由北大西洋指向阿拉伯海北部的波列(圖8c)，中東急流偏強。圖8b進一步給出了中東急流與降水的相關分布，可以看出，中東急流指數(shù)與我國南方地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著的正相關關系，表明中東急流偏強有利于我國南方地區(qū)降水偏多。有研究指出，中東急流偏強有利于冷空氣從偏西路徑影響青藏高原及我國南方地區(qū)，青藏高原至孟加拉灣附近高度場偏低，低層風場上呈現(xiàn)異常氣旋式環(huán)流(圖5b)，南支槽活躍，西南向水汽輸送偏強，與不斷南下的冷空氣相結合，最終造成冬季我國南方地區(qū)降水異常偏多(Yang et al，2004；張自銀等，2008；Wen et al，2009；倪東鴻等，2010a;2010b；Mao et al，2011；Yang，2011)。2008年1月我國南方發(fā)生持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程也與該遙相關波列密切相關(Wen et al，2009；徐寒列等，2012)。

圖8 1961/1962—2021/2022年冬季(a)高原高度場指數(shù),(b)中東急流指數(shù)與降水的相關分布(填色區(qū)為通過0.05和0.01顯著性水平檢驗的區(qū)域)，(c)2021/2022年冬季200 hPa緯向風距平場

5 結論與討論

(1)2021/2022年冬季，全國平均氣溫較常年同期偏低；從氣溫距平的空間分布來看，整體呈現(xiàn) “北暖南冷”的異常分布；從季節(jié)內(nèi)進程來看，整體表現(xiàn)出“前冬暖、后冬冷”的階段性變化特征。冬季我國南方地區(qū)降水量較常年同期明顯偏多。

(2)2021/2022年冬季，AO長時間維持正位相，烏拉爾山阻塞高壓偏弱，鄂霍次克海阻塞高壓偏強，青藏高原附近高度場長時間維持負距平，導致東亞地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度較大，影響我國的冷空氣路徑以偏西為主，我國冬季氣溫偏低的區(qū)域主要集中在青藏高原、西南、華南、華中南部等地，整體呈現(xiàn)“北暖南冷”特征。環(huán)流具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征，2021年12月至2022年1月，東亞中高緯地區(qū)以緯向型環(huán)流為主，西伯利亞高壓偏弱，東亞冬季風偏弱，我國大部地區(qū)氣溫偏高；而2022年2月，環(huán)流形勢較前期有明顯變化，西伯利亞高壓偏強，東亞冬季風偏強，東亞地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，冷空氣活躍且較為持續(xù)，我國大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。

近年來，中國冬季季節(jié)內(nèi)氣溫變化的“冷-暖(暖-冷)急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生，已有工作研究了中部型ENSO以及北極海冰等下墊面異常的影響，但這些影響機制并不能很好地解釋2021/2022年中國冬季氣溫的階段性特征，下墊面異常信號對東亞冬季風及我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率的影響還需要在今后的研究中進一步深入探討。

另一方面，本文的研究表明，2021/2022年冬季AO持續(xù)正位相，并通過副熱帶西風急流造成青藏高原高度場偏低，是我國南方地區(qū)降水偏多的重要原因，然而，AO影響我國冬季氣候的途徑不止一條，比如直接影響北半球高緯度環(huán)流、通過中東急流影響中緯度環(huán)流、影響準定常行星波等(Li et al，2019)，在冬季AO出現(xiàn)異常的情況下，如何預判優(yōu)勢的影響途徑，目前的研究還相對較少，值得進一步探討。