2023年春季我國氣候異常特征及成因分析*

龔振淞 丁 婷

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：2023年春季(3—5月),全國平均氣溫為11.5℃,為1961年以來歷史同期第七高。除新疆、西北地區西部、西藏等地氣溫偏低外,我國大部分地區氣溫均偏高。全國平均降水量為132.7 mm,較常年同期偏少7.4%。降水呈現“北多南少”的特征,華北、黃淮及青藏高原等地降水偏多,東北、江南東部、華南和西南地區降水顯著偏少。在對流層中層,春季亞歐中高緯度呈現“兩脊一槽”分布,烏拉爾山地區為正高度距平中心,貝加爾湖至巴爾喀什湖為高度場負距平中心,而東北亞上空為位勢高度場正異常;西太平洋副熱帶高壓強度較常年偏弱;在對流層低層,熱帶西太平洋地區維持異常氣旋性環流,其以北則為異常反氣旋性環流。2023年春季東北亞高壓脊指數為1.7,超過1個標準差,為1961年以來第四強,其異常偏強有利于我國北方降水偏多。長江以北地區受反氣旋環流影響,異常偏東南風強盛,有利于將西北太平洋的暖濕水汽輸送至我國北方地區。赤道中東太平洋自2021年9月開始一次弱事件,該事件一直持續至2023年3月結束,4月赤道中東太平洋海溫開始轉為暖水位相。2023年春季我國北方降水異常偏多受到赤道中東太平洋海溫演變的影響,合成分析表明,在海溫由冷轉暖的春季,歐亞中緯度地區易出現“兩脊一槽”的環流異常分布型,中西路冷空氣南下影響我國,同時東亞上空反氣旋式環流使得我國北方地區受異常東南風控制,西北太平洋水汽向北輸送偏強,為北方地區的降水提供有利條件。

引 言

我國地處東亞季風區,冬季受干冷的東亞冬季風影響,夏季受暖濕的東亞夏季風控制。春季是冬季環流向夏季環流的轉換季節,冷空氣勢力逐漸減弱,來自海洋的暖濕空氣開始活躍。中高緯冷空氣和低緯暖濕氣流互相交匯容易造成大氣層結不穩定的增強,因此很多地區氣溫的變化幅度大,也容易發生階段性強降水、強對流等極端天氣氣候事件。春季又正值我國大部地區農作物播種和生長關鍵期,因此,春季氣候異常分析研究對提高氣候預測的準確率及做好防災減災服務有重要的意義。

1 資料和方法

2 2023年春季我國主要氣候特征

2.1 氣 溫

2023年春季,全國平均氣溫為11.5℃,較常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,為1961年以來歷史同期第七高(圖1a)。從空間分布來看,呈中東部偏高、西部偏低的分布特征:新疆大部、西北地區西部、西藏大部偏低0～0.5℃,全國其余大部地區偏高0.5℃ 以上,其中東北及內蒙古東部、華北東部、華東大部、華中東部和南部、西南地區東部等地氣溫偏高1～2℃(圖1b)。春季季內氣溫起伏波動明顯。3月全國平均氣溫為6.8℃,較常年同期(4.8℃)偏高2.0℃,為1961年以來同期第三高,東北、華北、華東北部和西南部、華中北部和東南部、華南中西部、西北地區北部等地偏高2～4℃,黑龍江大部、吉林東部、山東中部的部分地區氣溫偏高4℃以上(圖2a)。4月,我國北方大部地區出現低溫,其中西北地區大部、華北中西部氣溫偏低1～2℃,新疆東部偏低2～4℃,而西南地區東部、長江中下游部分地區氣溫偏高1～2℃,云南東部、四川南部、貴州西南部、廣西西部等地偏高2～4℃(圖2b)。5月,我國西北、西藏、新疆等地氣溫偏低,西南地區氣溫異常偏高(圖2c)。進一步從逐日氣溫變化來看,季內氣溫起伏波動特征明顯,其中3月上、中旬和4月中旬平均氣溫異常偏高,偏高幅度超過1.5℃,其中3月上旬和4月中旬平均氣溫均為歷史同期最高;4月下旬和5月上旬氣溫偏低1℃以上(圖2d)。

圖1 (a)1961—2023年春季全國平均氣溫歷年變化和(b)2023年春季全國平均氣溫距平分布Fig.1 (a) Time series of average air temperature over China in March, April and May (MAM) during 1961-2023 and (b) distribution of air temperature anomaly over China in MAM 2023

圖2 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全國氣溫距平分布,(d)春季全國平均的逐日氣溫和氣溫距平序列Fig.2 Distribution of air temperature anomalies over China in (a) March, (b) April and (c) May 2023 and (d) evolution of the averaged daily air temperature and its anomaly in the three months

2.2 降 水

2023年春季,全國平均降水量為132.7 mm,較常年同期(143.3 mm)偏少7.4%(圖3a)。春季降水空間分布不均,華北大部、華東北部、華中北部、西北地區東部和西南部、西藏北部和新疆南部等地降水偏多,其中華北西南部、華東西北部、華中北部、西北地區中部、西藏中部和新疆南部等地偏多5成至1倍以上;全國其余大部地區降水以偏少為主,其中內蒙古東南部、東北西部、華南西部、西南南部、西北地區西北部、西藏西部和新疆西部等地偏少5～8成,局地偏少8成以上(圖3b)。云南降水量為86.8 mm,為1961年以來歷史同期最少,而華北南部降水量為189.9 mm,為1961年以來歷史同期第二多(圖4d)。從季節內逐月演變來看,降水異常變率較大。3月,除內蒙古東北部、華南東部、西南北部、西藏東部和新疆西北部降水偏多外,全國其余大部地區降水以偏少為主(圖4a)。4月,我國中東部降水偏多,華北大部、東北東部、內蒙古中西部、華東西北部、西北地區東部、西藏東部和新疆南部等地降水偏多5成至2倍,華北西部、內蒙古西部等地偏多2倍以上;內蒙古東部、華中東部、華南南部、西南大部、西藏西部和新疆北部降水偏少2成以上,其中云南中部偏少8成以上(圖4b)。5月,我國降水為“北多南少”的分布特征,新疆東北部和南部、青海中東部、黃淮西部、江漢及江淮大部、江南東北部等地偏多了5成至2倍,局部地區偏多2倍以上;新疆西部、西藏西部和南部、內蒙古東北部、東北、華北、山東半島、甘肅、四川及長江以南大部分地區降水偏少2～8成,云南東北部、四川南部等地偏少8成以上(圖4c)。

圖3 (a)1961—2023年春季全國平均降水量歷年變化和(b)2023年春季全國降水量距平百分率分布Fig.3 (a) Time series of MAM mean precipitation over China during 1961-2023, and (b) distribution of precipitation anomaly percentage over China in MAM 2023

圖4 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全國降水量距平百分率分布,(d)1961—2023年春季華北南部降水量歷年變化Fig.4 Distribution of precipitation anomaly percentage over China in (a) March, (b) April, (c) May 2023 and (d) time series of MAM mean precipitation in the southern region of North China during 1961-2023

2.3 春季主要天氣氣候事件

2023年華南前汛期于3月26日首先在廣東開始,較常年(4月9日)偏早14 d。3月26日至5月31日,華南地區平均降水量為311.7 mm,較常年同期偏少22.9%,為歷史同期第八少。南海夏季風于5月第3候(具體為5月14日)爆發,爆發日期較常年(5月第4候)偏早1候。

春季氣溫整體偏高但降水空間分布不均,導致了我國春季旱澇并重。云南溫高雨少,發生嚴重的持續氣象干旱(圖5a～5c),平均氣象干旱日數為64.9 d,為1961年以來歷史同期第二多。5月9日,云南中旱及以上和特旱面積均達到最大,分別為35.4 萬km2和17.6 萬km2(圖5d)。

圖5 2023年(a)3月31日、(b)4月30日、(c)5月31日全國氣象干旱綜合監測圖,(d)3月1日至5月31日云南氣象干旱面積變化Fig.5 Distribution of meteorological drought condition over China on (a) 31 March, (b) 30 April, (c) 31 May and (d) variation of meteorological drought areas in Yunnan Province from 1 March to 31 May 2023

春季我國共發生10次暴雨過程,其中3次為強暴雨過程。5月2—7日,江淮大部、江漢西部和東部及江西大部、福建大部、湖南西部等地累計降水量達50～100 mm,局地超過100 mm,20個國家氣象觀測站日降水量突破5月歷史極值。5月20—22日,南方地區暴雨過程強度較強。5月25—28日,西南地區至江淮、黃淮發生較強暴雨過程。由于持續降水,黃淮等地小麥夏收、部分路段鐵路運輸受到影響。

春季我國共發生12次強對流天氣,其中3月1次,4月6次,5月5次。5月12日午后,京津冀地區發生區域性強雷暴大風過程,河北東北部和中東部風力最強,局地可達12級,保定局地發生冰雹天氣。16日,吉林中東部、遼寧中西部、河北西部和東北部等地出現區域性雷暴大風;河北東北部、遼寧西北部、吉林東部等地風力最強,局地達11～12級,對糧食夏收產生不利影響。5月20—23日,大范圍強對流過程自北向南影響我國大部地區,廣西、廣東等地降水強度超過100 mm·h-1,部分城市出現內澇。

春季,共有13次沙塵過程影響我國,較2000—2022年同期偏多2.5次,較近十年(2013—2022年)同期偏多4.5次。其中,4月9—13日、27—29日和5月19—22日為沙塵暴級別,3月19—24日和4月18—21日為強沙塵暴級別,對空氣質量、交通運輸及人體健康均造成較大影響。

3 2023年春季北方降水異常偏多成因分析

3.1 大氣環流異常特征

大氣環流異常是導致我國地面要素異常的直接原因。2023年春季500 hPa位勢高度場上,歐亞中高緯呈現“兩脊一槽”型距平分布特征。烏拉爾山地區為正高度距平中心,貝加爾湖至巴爾喀什湖為高度場負距平,東北亞地區為正高度場異常,這種環流形勢有利于中路冷空氣南下。東北亞上空的高壓脊有利于引導西北太平洋暖濕水汽沿其外圍輸送至我國,與槽后南下的干冷空氣配合有利于降水產生,并且有利于多雨區偏北。低緯度地區副高強度較常年偏弱,東亞地區自北向南呈現“負-正-負”的異常分布(圖6a)。

圖6 2023年春季(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位:gpm)及其距平場(填色),(b)850 hPa距平風場,(c)整層(地表至300 hPa)水汽通量距平場(箭矢)、水汽通量散度場(填色,單位:10-5 kg·s-1·m-2)Fig.6 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and its anomaly, (b) 850 hPa horizontal wind anomaly and (c) water vapor flux anomalies vertically integrated from surface to 300 hPa (vector) and its divergence field (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2) in MAM 2023

在對流層低層850 hPa風場上(圖6b),熱帶西太平洋地區維持異常氣旋性環流,而其以北為異常反氣旋性環流。長江以北地區受反氣旋環流的影響,異常偏東南風強盛,有利于將西北太平洋的暖濕水汽輸送至我國北方地區。從水汽輸送場的分布也可以看到(圖6c),西北太平洋上異常反氣旋西側的偏南風輸送是我國北方重要的水汽來源。而江南、華南大部受熱帶西太平洋上空異常氣旋性環流西側的東北氣流影響,降水偏少。西南地區受孟加拉灣北部異常反氣旋東側的偏北風控制,孟加拉灣的水汽不能北上輸送到我國,降水較常年同期明顯偏少。

在前面的分析中發現,東北亞上空的高壓脊對中國春季的降水有很大的影響。因此將35°～45°N、 110°～130°E區域平均的500 hPa高度場標準化值作為東北亞上空高壓脊強度指數,計算了其與全國2374個站春季降水的關系,發現該指數與西北地區東部至華北黃淮一帶的降水呈顯著正相關,大部分站點的相關系數可達0.55以上(圖7a)。當東北亞高壓脊指數偏強,即東北亞上空為高壓脊控制時,我國東部降水呈現出“北多南少”的分布型。這與2023年春季降水異常分布非常相似。2023年春季東北亞高壓脊指數為1.7,超過1個標準差,為1961年以來第四強(圖7b)。這表明東北亞上空的異常高壓脊主導了華北至黃淮的降水偏多。陸日宇(2001)的研究指出,春季華北降水偏多時東亞上空存在反氣旋式環流異常,東亞槽偏東偏弱,我國東部出現南風異常并一直到達華北地區,為華北地區的降水提供有利條件。東亞反氣旋與起源于歐亞大陸中緯度地區的波列有密切關系。王遵婭等(2018)的研究也發現東北亞上空的高壓脊會造成中國春季降水“南少北多”。

圖7 (a)春季東北亞高壓脊指數與同期中國春季降水的相關系數,(b)1961—2023年春季東北亞高壓脊指數歷年變化Fig.7 (a) Correlation coefficient between the MAM high-pressure ridge over Northeast Asia and the MAM precipitation in China, and (b) time series of the MAM high-pressure ridge over Northeast Asia during 1961-2023

3.2 外強迫因子分析

圖8 (a)2023年春季海表溫度距平分布和(b)2021年9月至2023年5月海溫指數的逐月變化Fig.8 (a) Distribution of the global sea surface temperature anomaly in MAM 2023,and (b) monthly variation of the sea surface temperature index from September 2021 to May 2023

圖9 (a)上年秋冬季赤道中東太平洋海溫為冷水、次年轉為暖水的年份合成,(b)上年秋冬季赤道中東太平洋海溫為冷水、次年持續冷水的年份合成,以及(c)2023年春季的500 hPa位勢高度距平場(填色)和850 hPa風場距平(風矢)Fig.9 The 500 hPa geopotential height anomalies (colored) and 850 hPa wind anomalies (wind vector) for (a) composite in the years of colder SST in tropical East-Central Pacific in previous autumn and winter and warmer SST in spring, (b) composite in the years of colder SST in tropical East-Central Pacific from previous autumn to spring, and (c) MAM in 2023

反之,如果前一年冬季赤道中東太平洋為冷海溫,次年赤道中東太平洋仍然維持冷海溫,則次年春季500 hPa高度場上(圖9b),西北太平洋地區雖然也是“北高南低”的分布型態,但是東北亞上空的高壓脊位置主要在鄂霍次克海東部,由于高壓位置偏東,高壓南側西北太平洋暖濕氣流輸送路徑偏東,不能輸送到我國華北、黃淮一帶,因此華北、黃淮一帶降水偏少(圖略)。

4 結論與討論

利用全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2023年春季我國主要氣候異常特征,并初步分析了2023年春季導致華北、黃淮地區降水異常偏多的可能成因。主要結論如下:

(1)2023年春季全國平均氣溫為11.5℃,較常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,為1961年以來歷史同期第七高。從空間分布來看,呈中東部偏高、西部偏低的分布特征。全國平均降水量為132.7 mm,較常年同期(143.3 mm)偏少7.4%,呈現“北多南少”的分布特征。華北、黃淮和青藏高原降水異常偏多,內蒙古東部、東北和西南地區降水異常偏少,其中云南東部、廣西西部春季氣象干旱持續發展,部分地區達到特旱級別。

(2)2023年春季500 hPa位勢高度場上,亞洲中高緯呈現出“兩脊一槽”型分布特征。烏拉爾山和貝加爾湖以東地區為正高度距平,貝加爾湖至巴爾喀什湖為負高度距平控制,貝加爾湖低槽有利于冷空氣南下。東北亞上空為異常高壓脊,定義的東北亞高壓脊指數在2023年春季為1.7,超過1個標準差,為1961年以來第四強,其異常偏強利于我國北方降水偏多。長江以北反氣旋式環流異常引導西北太平洋暖濕氣流向西北輸送影響我國,冷暖氣流交匯造成2023年春季華北、黃淮等地降水異常偏多。江南東部、華南受西太平洋異常氣旋西側東北氣流控制,西南地區受孟加拉灣異常反氣旋東側偏北氣流控制,降水偏少。

本文僅對大氣環流和赤道中東太平洋海溫外強迫這兩方面對2023年春季氣候異常的影響進行了討論,是否還有其他可能因子影響2023年中國春季降水還需要進一步深入研究。