2020/2021年冬季中国气候冷暖转折成因分析*

韩荣青 石 柳 袁 媛

国家气候中心，中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081

提 要： 2020/2021年冬季，我国气候“前冬冷干、后冬暖湿”特征明显，冷、暖两个阶段气温振幅极大，多地观测气温分别打破了建站以来的最低、最高纪录。前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)，全国大部地区气温偏低、降水偏少，而后冬(2021年1月13日至2月28日)，全国大部地区转入明显偏暖期，且2月上旬开始我国北方地区降水增多，暖湿特征明显。分析发现，乌拉尔山阻塞高压、西伯利亚高压和东亚冬季风强度、极地冷空气主体位置以及西北太平洋副热带高压的强度和位置等均发生了转折性变化，这是导致我国冬季气候由冷干转为暖湿的直接原因。进一步分析表明：事件配合北极冰偏少和北大西洋中纬度暖流，符合启动前冬“暖北极、冷欧亚”效应的条件，导致前冬欧亚中高纬经向环流偏强、乌拉尔山阻塞高压发展、及西伯利亚高压和东亚冬季风偏强，致使我国出现干冷型气候；而后冬，北极平流层发生爆发性增温事件，导致北极涛动持续负位相，极涡主体偏向西半球，但同时乌拉尔山阻塞高压崩溃，东亚冬季风转弱，我国大范围回暖增温。

引 言

西伯利亚高压强度、乌拉尔山阻塞高压(以下简称阻高)、东亚冬季风强度，分别从海平面气压、对流层中层高度场、对流层中层风场切变角度，对欧亚大陆冬季中高纬冷空气系统南下势力进行了描述，对中国冬季气候冷暖有很好的指示意义(朱乾根，1990；Wen et al,2000;朱艳峰，2008；黄荣辉等，2014)。东亚冬季风偏强年，对流层中低层乌拉尔山阻高和西伯利亚近地面高压偏强，高压脊前偏北气流有利于引导中高纬度冷空气南下，导致我国中东部大部分地区气温偏低，易发生强降温、强降雪、寒潮及冰冻雨雪等天气气候灾害(郭其蕴，1994；Zhang et al,1997；陈文等，2013a；丁一汇等，2008)。而在东亚冬季风异常偏弱年，乌拉尔山阻高和西伯利亚高压均偏弱，冷空气被低压系统“囚禁”在中高纬度不能南下，我国易出现暖冬(丁婷等，2017)。

东亚冬季风强度的年际变化也受到中高纬度气候异常的影响。秋季北极海冰融化的多少对东亚冬季风有重要影响，尤其是秋、冬季喀拉海至巴伦支海海区海冰(BKS)面积变化与东亚冬季风强度存在密切的关系(武炳义等，1999)。但是，2000年以来秋季北极海冰持续偏少，其对东亚冬季风的影响存在一定的不确定性。进一步研究表明，秋、冬季BKS异常偏少，配合前期夏季北极大气环流厚度偶极模态负位相时，易导致冬季西伯利亚高压偏强，而在偶极模态正位相时，冬季西伯利亚高压则偏弱(Wu et al,2016；武炳义，2018)。另一方面，北大西洋暖流(在中低纬度称为墨西哥湾暖流)是全球已知流速最快、最强的暖洋流，也是最主要的向北极输送热量的洋流。近几年冬季曾观测到北极气温在一天内升温30℃以上，例如2015年12月30日，北极气温在一夜之间从-35℃上升到1℃。许多研究表明，秋、冬季北大西洋暖流偏强，会导致北极海冰偏少。前冬北大西洋中纬度暖海温异常会激发北大西洋东部低压、俄罗斯西部高压(乌拉尔山阻高)的大气长波，导致北极出现暖高压，并与南侧乌拉尔山阻高连成一体，形成异常偏强、位置偏北的高压，其脊前偏北气流将极地冷空气直接输送到欧亚中纬度，最终导致暖北极冷欧亚效应(李崇银和顾薇，2010；Sato et al,2014;Luo et al,2016a；2016b；Chen et al,2019)，这期间，西伯利亚高压和东亚冬季风指数均表现出偏强的特征。这些研究更加强调了北大西洋暖流对东亚冬季风偏强的重要作用，而北极海冰偏少起到了放大暖北极冷欧亚的效应。北大西洋暖流偏强时，在北大西洋中纬度表现出异常偏暖的海表温度，其异常暖海温可以从前期盛夏持续到随后的冬季(Chen et al,2019)。

2020/2021年冬季，我国气温总体偏高，但属于前冬冷、后冬暖的冷暖转折年份，冷、暖阶段气温振幅极大，多地区气温打破了建站以来最低和最高纪录；全国降水总体偏少，呈现北方偏多、南方偏少的特点，北方降水主要发生在后冬转暖时期，因此2020/2021年冬季气候特点可以概括为“前冬冷干、后冬暖湿”。我国气候为什么呈现如此“冷干”与“暖湿”两个极端异常？哪些机制或因素起到主导作用？外强迫(海温、海冰等)和大气环流影响系统如何配置导致我国“前冬冷干、后冬暖湿”气候？本文将针对以上问题展开分析，并试图揭示我国前后冬气候“冷干”转向“暖湿”的可能原因，为今后的气候预测服务工作提供参考。

1 资料和方法

本文使用的资料主要有：

(1)国家气象信息中心整编的“中国地面基本气象要素日值数据集(v3.0)”的逐日气温和降水观测资料，包含了中国2 474个基本、基准和一般气象站1951年1月以来的气温、降水的日值数据，并在逐日数据的基础上计算得到逐月和季节平均的数据；(2)大气环流资料为NCEP/NCAR提供的逐日、逐月再分析资料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率为2.5°×2.5°；(3)海温观测资料为NOAA提供的全球逐月海温资料OISST v2(Reynolds et al，2007)，水平分辨率为1°×1°；大气环流和海温资料长度均为1948年1月至2020年2月；(4)北极海冰资料为美国冰雪数据中心(NSIDC)提供的北极海冰覆盖范围数据(Parkinson,2014)；(5)北极涛动(AO)逐月和逐日标准化指数来自美国CPC/NCEP(https:∥www.cpc.ncep.noaa.gov/)。

文中部分图形出自国家气候中心开发的“气象灾害影响评估系统”“气候与气候变化监测预测系统”。气候常年值为1981—2010年的平均值，冬季指的是当年12月至次年2月，例如2020/2021年冬季为2020年12月至2021年2月。

2 2020/2021年冬季我国气候异常特征

2020/2021年冬季，全国平均气温为-2.5℃，较常年同期(-3.35℃)偏高0.9℃，为1961年以来第九高值(图1a)。从气温距平空间分布(图1b)可以看出，除东北部分地区、内蒙古东北部、新疆北部、西南地区东南部局部、海南等地气温较常年同期偏低0.5～2℃外，全国其余大部地区的气温接近常年同期或偏高，尤其我国中东部大部和西南地区大部气温偏高1℃以上。

根据国家气候中心冷空气监测标准(王遵娅等，2017)，2020/2021年冬季共有9次冷空气过程影响我国，冷空气累积日数为30 d(表1)，次数接近常年同期(10.7次)。其中，一般性冷空气过程1次，强冷空气过程3次，全国型强冷空气过程和寒潮合计5次。2021年1月6—8日的全国型寒潮过程，影响范围大，低温极端性强，北京、河北、山东、山西等省(直辖市)50余个国家级气象观测站的最低气温达到或突破建站以来最低纪录，其中北京大部分地区最低气温在-24～-18℃，南郊观象台达-19.6℃，为1951年以来第三低。

2020/2021年冬季，气温起伏大，前冬异常偏冷，后冬异常偏暖。冬季我国逐月气温距平图表明，12月，除东北北部、西藏、西南地区西部和南部及东南沿海部分地区偏暖外，全国其余大部地区气温较常年同期偏低，其中内蒙古中西部、新疆北部和贵州等地气温偏低2～4℃，局部偏低4～8℃(图2a)；1月，西藏、西南地区西部、中东部大部偏暖，而内蒙古东部、东北大部、新疆北部、西北地区中部、西南东部和华南沿海气温偏低(图2b)；2月，除东北北部、内蒙古东北部局部气温偏低外，全国其余大部地区气温明显偏高(图2c)。2月全国平均气温为1.23℃，较常年同期(-1.7℃)偏高2.93℃，位列1951年以来历史同期第一高。期间，全国超过25%的市(县)日最高气温突破2月历史极值，主要出现在华北、黄淮、江淮、江汉和西北地区东部。

图1 1960/1961—2020/2021年冬季全国 平均气温历年变化(a)及2020/2021年 冬季全国气温距平分布(b)Fig.1 Time series of winter mean temperature over China during 1960/1961-2020/2021 (a) and distribution of temperature anomalies in China in winter 2020/2021 (b)

从全国平均气温的逐日演变也可以看出，2020/2021年冬季全国平均气温的阶段性变化显著。2020年12月1日至2021年1月10日，全国总体偏冷，偏冷时段累计41 d，其中2021年1月6—8日达到冬季气温最低阶段，最低日平均气温距平达到-4.4℃；但1月12日以后全国迅速回暖，累计偏暖时段为48 d，其中2月下旬达到偏暖最高阶段，最高日均气温距平达到5.6℃(图2d)。由此可见，偏冷期和偏暖期日平均气温变化均具有很大振幅，冷、暖极端性特征都很明显。

图3是2020/2021年冬季偏冷时段(2020年12月1日至2021年1月10日)和偏暖时段(2021年1月13日至2月28日)平均的气温距平空间分布(未包括的2021年1月11—12日是我国冷暖气候转折的过渡期，因此没有分在偏冷和偏暖时段内)。偏冷时段，除东北北部、西藏、西南地区西部气温偏高外，全国其余大部地区气温偏低，其中西北地区大部、内蒙古中部和西部、华北北部和西部、西南地区东部等地气温偏低2～4℃，局部偏低4～8℃(图3a)；偏暖时段，除东北北部、内蒙古东北部局部、西南部分地区气温接近常年到偏低外，全国其余大部均偏暖，其中内蒙古西部、华北西部、黄淮、江淮、江南中部和东部、华南北部气温偏高4～6℃(图3b)。

表1 2020/2021年冬季冷空气过程Table 1 Cold air events in China in winter 2020/2021

2020年冬季，全国平均降水量为31.2 mm，较常年同期(41.9 mm)偏少25.5%，自2009年以来最少(图4a)。从空间分布来看，内蒙古东部、东北大部、华北中南部、黄淮、江汉、西北地区东部部分地区、新疆北部和西部局部、西南地区东部等地降水较常年同期偏多，其中华北南部、黄淮、西北东部局地等地偏多1倍以上；全国其余大部地区降水较常年同期偏少2～5成，其中新疆东部、青海南部、西藏东部和西南部、云南大部，以及江南东部和华南东部的部分地区偏少5成以上(图4b)。

图2 2020年12月(a)、2021年1月(b)和2月(c)全国气温距平分布，及(d)2020/2021年 冬季全国平均气温、全国平均气温距平和全国平均气温常年值的逐日变化Fig.2 Distribution of temperature anomalies of China in December 2020 (a), January 2021 (b), February 2021 (c); and daily variation of mean temperature and its anomalies in China during winter 2020/2021, and the climate mean (d)

图3 2020/2021年冬季偏冷期(a，2020年12月1日至2021年1月10日)和 偏暖期(b，2021年1月13日至2月28日)全国气温距平空间分布Fig.3 Spatial distribution of temperature anomalies seperately during colder (a, 1 December 2020 to 10 January 2021) and warmer (b, 13 January to 28 February 2021) periods in China in winter 2020/2021

冬季降水呈前期偏少后期偏多的特点。与常年同期相比，2020年12月，除西北地区中东部、西南北部部分地区降水偏多外，全国其余大部地区降水偏少(图5a)；2021年1月，降水异常偏多的区域主要在我国东北地区，内蒙古东部和西南地区北部部分地区，其余大部地区降水明显偏少，其中内蒙古东北部、东北大部偏多1倍以上(图5b)；2021年2月，降水偏多范围较前期明显增大，东北大部、内蒙古中东部、华北大部、黄淮、江汉、西北地区东部、新疆北部和西部、西南地区东部和南部、江南西部和华南西部等地降水偏多，其中华北中南部、黄淮大部、西北地区东部部分地区和西南东南部等地偏多2倍以上，我国其余地区降水偏少2～5成，部分地区偏少5成以上(图5c)。从全国平均降水的逐日变化来看，截止2021年2月7日，2020年12月和2021年1月全国降水总体处于偏少阶段，2021年2月8日以后主要发生两次强降水过程，分别是2月8—12日和25—28日，降水较常年同期偏多(图5d)。

图4 同图1，但为降水量距平百分率Fig.4 Same asFig.1, but for precipitation anomaly percentage

3 2020/2021年冬季北半球大气环流异常特征

3.1 北半球大尺度环流

鉴于2020/2021年冬季我国气候呈“前冬冷干、后冬暖湿”的特点，下面将针对前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)和后冬(2021年1月13日至2月28日)两个时段的环流异常进行分析。

前冬时段平均的北半球500 hPa高度及其距平场显示(图6a)，中高纬度乌拉尔山阻高偏强，其与巴伦支海至喀拉海的高压连通，西伯利亚至远东地区为低压槽区，极地冷气团(高度负距平区域)主体偏在东半球，低纬度地区西太副高面积偏大、西伸脊点偏西，印缅槽偏弱。同期850 hPa风场距平上(图6c)，北极巴伦支海至喀拉海一带的北风距平南下直通中国大陆深处，中国南海至菲律宾附近的异常气旋加强了北风距平在中国南方的盛行，这种环流形势有利于偏强的乌拉尔山阻高将极地冷空气直接输送到中国大陆，从而导致大陆东侧为北风异常，同时强大的西太副高主体位于菲律宾以东，其外围水汽吹向日本以东海域，从而造成了前冬我国干冷型气候。

图5 同图2，但为降水量距平百分率Fig.5 Same asFig.2, but for precipitation anomaly percentage

图6 2020年冬季偏冷期(a，c)和偏暖期(b，d)平均500 hPa高度场(等高线，单位：gpm)和 距平场(填色)(a，b；红色等值线表示5 880 gpm，蓝色线表示气候平均的5 880 gpm) 及850 hPa风场距平(c，d)Fig.6 The 500 hPa geopotential height (contour， unit: gpm) and anomalies (colored) (a, b; red and blue contours denote separately the real time and climatology of 5 880 gpm geopotential height) and 850 hPa wind anomalies (c, d) during the colder (a, c) and warmer (b, d) periods, in winter 2020/2021

在后冬时段，影响我国的大气环流出现了转折。北半球500 hPa高度及其距平场显示(图6b)，乌拉尔山为高度场负距平，极地冷空气缺乏高压脊前偏北气流的动力输送而不能到达较低纬度，极地冷气团部分偏在西半球，西太副高较前期明显面积缩小、西伸脊点东移。同期850 hPa风场距平场上(图6d)，欧亚中高纬度至我国北方东部地区盛行南风异常，中国南海至菲律宾依然为异常气旋环流，大陆东部沿海和近海为东风(向岸风)异常，这种环流异常形势得影响我国的冷空气势力偏弱，同时输送到东北和华北地区的水汽充沛，从而造成了后冬我国暖湿型气候。

值得注意的是，2021年1月5日开始北极地区平流层经历了一次偏移型(Charlton and Polvani, 2007)爆发性增温过程，而研究发现北半球平流层爆发性增温平均每10年发生约6次(Kidston et al,2015)。2021年1月中旬开始，平流层爆发性增温信号下传至对流层，并导致AO持续负位相。对流层极涡主体偏向西半球，导致北美大部遭受极寒天气；而极涡的另一部分偏在西西伯利亚，导致乌拉尔山阻高崩溃(图6b)，西伯利亚高压和东亚冬季风强度由此转弱，我国转为纬向型环流和高压脊控制，大部地区气温迅速回升，且转为异常偏高。这次北半球环流形势和东西半球气温的转折与Kidston et al(2015)描述的研究结果一致，针对此次平流层爆发性增温详细的过程分析和气候影响将另文分析。

3.2 东亚冬季风活动特征及影响

2004年冬季以来，东亚冬季风(朱艳峰，2008)和西伯利亚高压均开始转强(Wang and Chen, 2014)。在2020/2021年冬季，西伯利亚高压标准化指数为-0.03，接近常年同期。但是，不同东亚冬季风指数表达的冬季风强度不同，朱艳峰(2008)用对流层中层纬向风切变表示的东亚冬季风标准化指数为-0.53(图7中东亚冬季风指数-Zhu)，较常年同期偏弱；而Wen et al(2000)使用对流层低层东亚东部经向风表示的东亚冬季风指数为1.88(图7中东亚冬季风指数-Chen)，较常年异常偏强。

图7 1960/1961—2020/2021年冬季东亚冬季风强度(Zhu指数:折线，Chen指数:白色柱状) 和西伯利亚高压强度(黑色柱状)标准化指数历年变化Fig.7 Variation of standardized East Asian winter monsoon index (curve: Zhu index; white bar: Chen index) and Siberian high intensity index (black bar graph) during winter 1960/1961-2020/2021

2020/2021年冬季东亚冬季风逐候变化很好地说明了前后冬我国气温的转折变化(图8)。东亚冬季风指数(Zhu指数，图8a；逐候Chen指数有类似变化，图略)和西伯利亚高压(图8b)逐候实况监测可见，两者总体均在前冬强于气候平均，在1月第3候开始总体较常年平均偏弱，与冬季气温的转折变化一致。

除了东亚冬季风异常以外，AO的异常表明极地冷空南下气活动的强度，当AO为正位相时，极地冷空气主要在北极地区活动，欧亚大陆偏暖为主，当AO为负位相时，极地冷空气易分裂南下，对北半球中低纬度地区影响较大(陈文和康丽华，2006；陈文等，2013a；2013b)。2020/2021年冬季AO标准化指数为-1.5，为1960/1961年冬季以来历史第七低值，也是近10年的最低值，即AO表现为异常偏强的负位相(图9)。AO逐日变化表明，冬季大部分时段，AO都处于负位相，仅在2月中旬以后转为正位相(图10)，AO在冬季累计负位相时间长达75 d，历史少见。

图8 2020/2021年冬季东亚冬季风强度指数 (a，Zhu指数)和西伯利亚高压强度指数(b)逐候演变 (方框柱状：气候态，黑色柱状：实况)Fig.8 Pentad variation of East Asian winter monsoon intensity index (a, Zhu index) and Siberian high intensity index (b) in winter 2020/2021 (box histogram: climatology， black histogram: observation)

图9 1960/1961—2020/2021年 冬季AO标准化指数历年变化Fig.9 Annual variation of standardized AO index in winter 1960/1961-2020/2021

图10 2020/2021年冬季AO指数逐日演变Fig.10 Daily variation of standardized AO index in winter 2020/2021

4 2020/2021年冬季前期东亚冬季风异常偏强的可能原因

4.1 中等强度的事件

4.2 秋季北极海冰异常偏少

另一方面，已有研究表明，9月北极海冰偏少有利于冬季西伯利亚高压偏强，两者相关系数低于-0.45，可通过0.05的显著性水平检验(Wu and Wang,2002;Wu et al,2011)。进一步研究发现，9月海冰偏少对冬季西伯利亚高压的影响还依赖于前期夏季北极地区的大气环流型，即夏季北极偶极子风场模态(Arctic dipole wind pattern,即AD模态)。如果9月北极海冰偏少，同时夏季北极地区表现出显著的AD模态负位相(即北极上空低层风场为反气旋异常，海平面气压正距平，而巴伦支海—喀拉海附近为气旋异常，海平面气压负距平)，那么冬季西伯利亚高压偏强的概率更高(Wu et al,2016)。2020年夏季监测显示，北极地区大气环流表现出典型的AD负位相(图13b)，其模态指数也达到历史最低值。因此，2020年秋季北极海冰异常偏少叠加前期夏季典型AD负位相是导致2020/2021年冬季前期西伯利亚高压持续偏强的重要原因。

图11 2020/2021年冬季全球海温距平场Fig.11 Distribution of sea surface temperature (SST) anomalies in winter 2020/2021

图12 2018年1月至2021年3月指数和南方涛动指数(SOI)逐月演变Fig.12 Monthly variation of index and standardized Southern Oscillation index (SOI) from January 2018 to March 2021

尽管ENSO事件、北大西洋暖流、北极冰偏少这些外强迫因子的相互作用过程目前还没有完全研究清楚，但它们的协同作用对2020/2021年前冬东亚冬季风偏强的重要影响是毋庸置疑的。

5 结论与讨论

利用多种观测和再分析资料，本文详细分析了2020/2021年冬季我国主要气候特征、大尺度大气环流异常、东亚冬季风活动特征及可能的外强迫因子，得到以下结论：

(1)2020/2021年冬季，全国平均气温为-2.5℃，较常年同期偏高0.9℃，为1961年以来第九高值。期间，我国气候呈“前冬冷干、后冬暖湿”特征，偏冷期和偏暖期气温起伏大，冷暖极端性明显。从全国平均气温和降水的逐日演变来看，前冬(2020年12月1日至2021年1月10日)全国大部偏冷降水偏少，两个偏冷中心分别分布在内蒙古中西部到西北地区大部、以贵州为中心的西南地区东部到华南西部；期间发生了2次全国型寒潮天气和1次全国性强冷空气过程，尤其在1月6—8日期间，我国北方大部、西南地区东部和华南西部等地遭受极寒天气，多地日最低气温打破纪录。而后冬(2021年1月13日至2月28日)明显转暖，其中2月下旬达到偏暖最高阶段，内蒙古中西部、华北西部、西北北部为暖中心；2月全国平均气温也为1951年以来冬季最高，多地日最高气温突破历史极值；偏暖期间，华北、东北、西北地区东部、西南地区东部和华南西部等地降水明显偏多，其中华北中南部、黄淮、西北地区东部和西南地区东南部等地偏多2倍以上。

图13 (a)1979—2020年9月北极海冰范围历史序列 (引自https:∥nsidc.org/arcticseaicenews/， 虚线表示线性趋势)， 及(b)2020年夏季北半球海平面气压 距平空间分布Fig.13 (a) Average monthly Arctic Sea ice extent in September 1979-2020 (cited from https:∥nsidc.org/arcticseaicenews/, with the dashed line indicating the linear trend), and (b) distribution of sea level pressure anomaly in the Northern Hemisphere in summer (June-July-August) 2020

(2)2020/2021年冬季，东亚冬季风前冬偏强、后冬偏弱，冬季风季节内强弱转换阶段性特征显著。前冬，AO呈负位相，极地冷气团偏在东半球，乌拉尔山阻塞高压异常偏强，西伯利亚高压和东亚冬季风偏强，欧亚中高纬以经向环流为主，南海至菲律宾对流层低层受异常气旋控制，环流形势有利于极地冷空气沿乌拉尔山阻高脊前气流直接南下影响我国。同时，西太副高异常偏强、西伸脊点偏西，但副高主体位于菲律宾以东，其西北部外围的南风异常将水汽吹向日本南侧及其以东洋面，而我国大陆及东侧海面盛行北风异常、水汽条件偏差，由此导致前冬我国大部地区气候干冷。而后冬，受平流层1月初的爆发性增温影响，AO持续负位相，但北极冷气团主体偏到西半球，欧亚中高纬转为纬向环流，前冬影响我国的环流系统异常发生逆转，从而导致后冬我国主要呈暖湿型气候。

平流层和对流层大气是地球气候系统中的重要组成部分，在北半球冬季，两者的动力耦合十分密切(黄荣辉等，2018；吕达仁等，2009；Baldwin et al，2009)。在冬季，对流层大气动力过程耦合于平流层环极地西风急流流速的波动。当平流层西风急流增速时，会引起对流层急流向极地偏移，极地冷气团向北极收缩；反之，当平流层绕极地西风急流减弱时，对流层急流向赤道偏移，极地冷气团发生位置偏移或分裂并向南爆发，进而对地面天气造成影响，北欧和美国东部极端低温发生的可能性更高(Kidston et al, 2015)。2021年1月初发生了一次平流层爆发性增温事件，1月下旬平流层信号下传至对流层，并对对流层AO负位相的持续起到了重要作用。2020/2021年冬季AO负位相累计天数长达75 d，历史少见。另一方面，2020/2021年冬季前期AO负位相期间，对流层极涡偏在东半球，导致我国大部气温偏低；而后期AO负位相时，极涡主体偏在西半球，造成北美极寒。AO负位相期间极涡偏移的具体物理机制及平流层爆发性增温的详细过程和可能的气候影响值得进一步分析研究。