2020年夏季我国气候异常特征及成因分析*

刘芸芸 王永光 柯宗建

1 国家气候中心，中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081 2 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044

提 要： 2020年夏季我国天气气候极为异常，全国平均降水量为373.0 mm，较常年同期偏多14.7%，为1961年以来次多；季节内阶段性特征显著，6—7月多雨带主要位于江南大部—江淮地区，8月则主要在东北、华北及西南地区，致使2020年夏季雨型分布异常，不是传统认识上的四类雨型分布。通过对同期大气环流和热带海温等异常特征分析发现，6—7月，欧亚中高纬环流表现为“两脊一槽”型，东亚副热带夏季风异常偏弱，西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)较常年同期显著偏强、偏西，第一次季节性北跳偏早，第二次北跳明显偏晚，且表现出明显的准双周振荡特征；使得来自西北太平洋的转向水汽输送偏强，并与中高纬不断南下的冷空气活动相配合，水汽通量异常辐合区主要位于长江中下游地区，导致江淮梅雨异常偏多。热带印度洋持续偏暖对维持6—7月西太副高偏强偏西及东亚夏季风异常偏弱起到了重要作用。8月，欧亚中高纬环流调整为“两槽一脊”型，蒙古低压活跃；西太副高也由前期偏纬向型的带状分布转为“块状”分布，脊线位置偏北；沿西太副高外围的异常西南风水汽输送延伸至华北—东北南部，形成自西南到东北的异常多雨带，与6—7月江淮流域降水异常偏多的空间分布有明显不同。异常的热带大气季节内振荡活动是导致8月中低纬大气环流发生调整的重要原因。

引 言

中国地处东亚季风区，在东亚季风系统多个成员的协同影响下，气候复杂多变，而夏季的气候异常往往会导致严重的旱涝灾害(黄荣辉等，2006；丁一汇等，2007；Liu et al,2019b；刘芸芸和丁一汇，2020)，如1954年和1998年长江流域的洪涝灾害(鞠笑生，1993；陶诗言等，1998)，1991年、2003年和2007年淮河流域的洪涝灾害等，都对人民生活造成巨大影响，给经济发展造成严重损失(陆尔和丁一汇，1996；李维京，1999；徐良炎，2003；高荣等，2018)。在全球变暖背景下，异常和极端的气候事件频发(Donat et al, 2016)，气候异常的影响变得更大。因此，深入认识中国夏季气候异常特征及成因有助于提高气候预测准确率(袁媛等，2017；郑志海和王永光，2018；顾薇和陈丽娟，2019；丁婷和高辉，2020;陈涛等，2020；张芳华等，2020)，可更好地为政府和公众提供保障服务，对我国的防灾减灾部署具有重要意义。

中国夏季天气气候既与东亚夏季风系统中多成员的相互协同作用有关，也与中高纬冷空气的活动密切相关。同时，东亚夏季风系统还受到海温等外强迫因子的显著影响。多数年份存在多个影响因子相互作用和调制的问题，尤其当这些因子异常程度不特别极端时往往很难客观诊断各自贡献。另外，夏季降水的异常是多时间尺度叠加的结果，既有年际和年代际变化特征，也有季节内变率的影响，这种次季节-季节-年代际多时间尺度相互作用，目前仍缺乏系统的研究和清晰的影响机制。深入分析和研究气候异常的成因将有助于提高对气候异常的物理过程及其机理的认识。为此，本文将首先回顾2020年夏季气候异常特征，包括降水、气温、台风和洪涝灾害等，并重点针对汛期降水异常从环流和海温等方面进行成因分析，希望能够加深对2020年夏季气候异常成因的认识，为今后的汛期气候预测提供更多的参考和依据。

1 资料与方法

表1 文中所用的关键大气环流和海温指数定义

2 2020年夏季中国气候异常特征

2020年夏季，全国平均降水量为373.0 mm，较常年同期(325.2 mm)偏多14.7%，为1961年以来历史同期次多(图1a)，仅次于1998年(396.7 mm)。从空间分布看，中国东部大部地区均降水偏多(图1b)，长江和黄河流域降水量分别较常年同期偏多38%和39%，均为1961年以来最多，淮河和太湖分别偏多45%和64%，均为次多；松花江和海河流域分别偏多15%和10%。仅辽河和珠江流域降水分别较常年同期偏少7%和15%。

今年夏季中国东部地区降水阶段性特征显著(图2)，6—7月多雨带始终在江南至江淮之间摆动，对应江淮流域梅雨入梅早，出梅晚，梅雨季长达62 d(6月1日至8月2日)，较常年(40 d)偏长22 d，与2015年并列为1961年以来历史最长。梅雨量为759.2 mm，较常年(343.4 mm)偏多1.2倍，为1961年以来历史最多。8月，多雨带移至中国东北、华北和西南地区中北部地区，对应华北雨季开始较常年(7月18日)偏晚10 d，结束较常年(8月18日)偏晚9 d，降水量为182 mm，较常年偏多34%，为近8年来最多；同时东北和西南地区降水量也明显偏多，其中四川、甘肃均为1961年以来同期最多，黑龙江为次多；其中四川中东部部分地区降水量超过1 000 mm，都江堰达到1 080.1 mm，较常年同期偏多3.2倍。

图1 1961—2020年夏季全国平均降水量历年序列(a)和2020年夏季全国降水量距平百分率分布(b)

图2 2020年6—7月平均(a)和8月(b)全国降水量距平百分率分布

2020年夏季全国平均气温为21.5℃，较常年同期(20.9℃)偏高0.6℃(图3a)。从空间分布看，全国大部地区气温接近常年同期或偏高，其中江南南部、华南东部、西南东南部及辽宁北部、西藏西部等地偏高1～2℃；黑龙江东北部和新疆中部部分地区偏低1～2℃(图3b)。其中福建、广东平均气温为1961年以来历史同期最高，云南、湖南、贵州、海南为次高，江西和广西为第三高。7月11日之后，江南东南部、华南东部等地出现区域性高温天气过程，持续时间为1961年以来历史第二长，仅次于2013年6月29日至8月29日高温天气过程。

夏季台风生成(8个)及登陆中国(4个)个数均比常年同期(11.2个，4.6个)偏少。7月无台风生成和登陆，为1949年以来首次“空台”的7月；8月台风生成(7个)及登陆(3个)个数均较常年同期(5.8 个，1.9个)偏多，台风活跃的阶段性特征突出。登陆台风具有“生成源地偏西、生命史短、近海加强、影响偏轻”的特点。

图3 同图1，但为平均气温(a)和平均气温距平(b)

总体来说，今年夏季天气气候极为异常，夏季全国降水量为1961年以来次多，且阶段性特征显著，6—7月多雨带主要在江淮、江南地区，8月则主要在东北、华北及西南地区中北部。孙林海等(2005)对中国东部季风区1880 年以来120多年的夏季降水进行了客观分型, 在空间上能够将逐年的夏季降水异常空间分布归为华北型、淮河型、长江型和华南型这四类雨型中的其中一种。然而2020年夏季南北多个流域降水均显著偏多，致使2020年夏季雨型分布异常，与传统认识上的四类雨型分布有很大差异。全国平均气温为21.5℃，较常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份气温显著偏高；盛夏江南东南部、华南东部等地出现持续性的高温天气过程，持续时间为1961年以来第二。夏季台风生成及登陆个数均偏少，其中7月首次出现“空台”，8月生成台风异常偏多，台风活跃的阶段性特征突出。针对今年夏季降水阶段性变化特征，将分为6—7月平均和8月，分别从大气环流和海温等方面对其成因做简要分析。

3 6—7月大气环流异常特征分析

2020年6—7月，欧亚中高纬环流表现为“两脊一槽”型，乌拉尔山以西和鄂霍次克海为较强的高压脊，且向极区伸展，巴尔喀什湖附近为低压槽，经向度较大，有利于来自于中高纬地区的冷空气分别从西部和东路分别南下影响中国(图4a)。冷空气活动是持续性强降水形成的重要因素之一，它能够促成产生强降水所必需的低层辐合抬升(姚秀萍和于玉斌，2005)。另外，东亚沿海附近为平均低槽区，且槽区位势高度为负距平，表明东亚沿岸低槽活跃，冷空气势力也较强。同时，西太副高较常年显著偏强、偏西，菲律宾附近对流层低层为异常反气旋环流控制(图4b)，来自西北太平洋的转向水汽输送明显偏强，并与中高纬不断南下的冷空气活动配合，造成水汽通量异常辐合区主要位于长江中下游地区(图4c)，导致该地降水明显偏多。有研究指出，当鄂霍次克海高压建立并稳定时，亚洲中高纬度及东亚东部地区的距平场易分别形成“+-+”的距平波列，这样的分布形势及其相互作用容易导致梅雨期降水偏多(张庆云和陶诗言，1998)。2020年6—7月的东亚环流形势便呈现出这种典型特征，由此可见中高纬度的环流异常及其与低纬环流的相互作用也是非常重要的因素。

图4 2020年6—7月平均大气环流距平场(a)500 hPa位势高度(等值线，其中红色等值线表示气候平均的5 880和5 860 gpm)及距平(填色)，(b)850 hPa距平风场(单位：m·s-1)，(c)整层水汽通量(箭头，单位：kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色，单位：10-5 kg·m-2·s-1)

关键环流指数监测也显示出一致的特征：2020年6—7月平均的西太副高指数较气候平均明显偏强、偏西，其中强度指数为1961年以来历史第二，仅次于2010年同期(图5a～5c)；东亚副热带夏季风指数为-2.6，为1961年以来最弱(图5e)。尽管6—7月平均的脊线指数与气候平均值非常接近(图5d)，刘芸芸和丁一汇(2020)通过分析6—7月对流层关键环流系统的次季节演变特征发现，西太副高第一次季节性北跳偏早，长江流域提前进入梅汛期，第二次北跳明显偏晚，导致梅汛期时间长，雨带长时间在长江流域附近维持；梅汛期内西太副高表现出明显的准双周振荡特征，共经历了6次北抬和南撤过程[刘芸芸和丁一汇(2020)中图4]，对应低层一次次加强的西南暖湿水汽向北输送，并配合冷空气多次南下侵入到30°N附近地区，冷暖空气在江南—江淮流域频繁交汇，加剧了江淮流域强降水过程的持续性和异常程度。

图5 1961—2020年6—7月平均西太副高指数和东亚夏季风指数的历史序列(a)副高面积指数,(b)副高强度指数，(c)副高脊线指数,(d)副高西伸脊点，(e)东亚夏季风指数

图6 2020年1—8月和IOBM指数的逐月演变(a),1981—2020年1—8月逐月西太副高强度指数与同期和IOBM指数的相关系数(b)

4 8月大气环流异常特征分析

8月，欧亚中高纬环流形势发生明显调整，由前期“两脊一槽”型转为“两槽一脊”型，贝加尔湖以北至极地为显著正高度距平，而乌拉尔山和鄂霍次克海地区由前期的正位势高度距平转为负距平；同时蒙古低压活跃，有利于来自极区的冷空气从中路南下影响中国东部地区；8月的西太副高也较6—7月有明显调整，由前期的偏纬向型的带状分布转为经向跨度大的块状分布，脊线位置偏北(图7a)。低层环流场也可以看到在西北太平洋上为明显的异常反气旋性环流(图7b)，其位置较6—7月明显偏北(图4b)。受其影响，沿西太副高外围的异常西南风水汽输送自南向北延伸至华北—东北南部(图7c)，与来自极区的中路南下冷空气频繁在西太副高的西北侧交汇，从而形成自四川到东北的“西南—东北”向的异常多雨带，与6—7月江淮流域降水异常偏多的空间分布有明显不同。

8月的大气环流形势为何会发生显著变化，尤其在中低纬地区西太副高较前期明显北抬，导致中国北方大部降水偏多？这与8月热带大气低频振荡(MJO)加强并东传至西太平洋(第6～7位相)有关。通常，MJO在印度洋区域(第2～3位相)活跃时有利于西太副高的加强西伸，而MJO在次大陆—西太平洋(第5～7位相)活跃时则有利于南海和西北太平洋上对流加强，在下垫面异常偏暖海水的共同影响下，则容易生成热带气旋，同时使得西太副高北抬或减弱。从MJO指数的位相图(图8)可见，2020年7月MJO活动始终位于第2～3位相，但8月开始MJO从第4位相依次经过5～8位相，再回到第2～3位相，完成一个全位相循环(图8a)；西北太平洋地区的OLR逐候演变也表明，8月对流活动较7月明显增强(图8b)。而对应地，西北太平洋7月无台风生成，而8月突然变得异常活跃，共有7个台风生成，且台风路径特点鲜明，除直接在南海生成的2个台风为西北行路径外，另5个台风[“黑格比”(2004)，“蔷薇”(2005)，“米克拉”(2006)，“巴威”(2008)，“美莎克”(2009)]移动路径均为径直北上(图略)，对中国东部沿海甚至东北地区造成了较大影响。台风的频繁北上将挤压西太副高甚至将其切断，使其位置偏北，并呈现“块状”分布。另一方面，台风巴威和美莎克生命周期长，先后长驱直入中国东北腹地，造成8月东北降水异常偏多。这种能够径直北上直接影响中国东北地区的台风也属历史罕见。因此说，8月MJO活动异常导致南海和西北太平洋地区对流加强，是西北太平洋热带气旋异常活跃以及中低纬地区大气环流发生明显调整的重要原因。

图7 同图4，但为2020年8月

图8 2020年7—8月MJO指数位相(a)(红色代表7月，灰色代表8月)，6—8月10°～20°N平均逐候OLR距平的时间-经度剖面(b)

5 结论与讨论

2020年夏季中国天气气候极为异常，全国平均降水量为373.0 mm，较常年同期偏多14.7%，为1961年以来次多；季节内阶段性特征显著，6—7月多雨带主要位于江南大部—江淮地区，8月则主要在东北、华北及西南地区中北部，致使2020年夏季雨型分布异常，不是传统认识上的四类雨型分布。全国平均气温为21.5℃，较常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份气温显著偏高；盛夏江南东南部、华南东部等地出现持续性的高温天气过程，持续时间为1961年以来第二。7月首次出现“空台”，8月台风转为异常活跃，共生成7个台风。

利用大气环流和海温等资料，进一步分析了今年夏季降水异常的可能原因。6—7月，欧亚中高纬环流表现为“两脊一槽”型，有利于来自于中高纬地区的冷空气分别从西部和东路分别南下影响我国；东亚副热带夏季风异常偏弱，西太副高较常年显著偏强、偏西，使得来自西北太平洋的转向水汽输送偏强，并与中高纬不断南下的冷空气活动相配合，造成水汽通量异常辐合区主要位于长江中下游地区，导致该地降水明显偏多。从季节内变化来看，西太副高第一次季节性北跳偏早，长江流域提前进入梅汛期，第二次北跳明显偏晚，且梅汛期内表现出明显的准双周振荡特征，导致梅汛期时间长，并加剧了江淮流域强降水过程的持续性和异常程度。对海温外强迫因子的分析表明，热带印度洋持续偏暖对维持6—7月西太副高持续偏强、偏西及东亚夏季风异常偏弱起到了重要作用。

8月，欧亚中高纬环流调整为“两槽一脊”型，中纬度地区蒙古低压活跃，有利于来自极区的冷空气从中路南下影响中国中东部地区；西太副高也由前期偏纬向型的带状分布转为经向跨度大的块状分布，脊线位置偏北；沿西太副高外围的异常西南风水汽输送自南向北延伸至华北—东北南部，形成自西南到东北的异常多雨带，与6—7月江淮流域降水异常偏多的空间分布有明显不同。8月中低纬地区环流形势的突然转变主要是受到热带MJO活动的影响，较强的MJO东传使得南海—西北太平洋地区对流活动增强，在下垫面偏暖海水的影响下激发了异常活跃的热带气旋活动，且以北上路径为主，不断挤压西太副高甚至将其切断，使其位置偏北，并呈现“块状”分布。

本文仅从大气环流和热带海温等方面简要分析了今年夏季降水异常的可能原因，但实况显示，2020年夏季长江、黄河流域降水量均为1961年以来最多，淮河和太湖次多，降水异常程度已远远超过超强厄尔尼诺年影响下的1998年和2016年。这样的气候异常明显是热带和中高纬多因子多时间尺度叠加作用的结果。除了本文分析的热带印度洋海温持续偏暖外，前期青藏高原积雪异常偏多(Ren et al,2016)，春、夏季北大西洋涛动等的异常变化(Wu et al,2009;Liu et al,2020)可能也对2020年西太副高偏强有着一定贡献；而8月MJO的活动异常可能与赤道中东太平洋海温迅速转冷有关。另外，影响今年西太副高在季节内尺度表现出两次季节性北进异常且准双周振荡显著的主要因素及其机制还并不清楚，将在后续工作中针对以上问题做更为深入的分析研究工作。