2021年4月大气环流和天气分析*

麦 子 张 涛 盛 杰

国家气象中心，北京 100081

提 要： 2021年4月中高纬大气环流为三波型，极涡呈单极偏心型分布，强度偏强，西太平洋副热带高压强度较常年偏弱，南支槽较常年偏强。4月主要天气气候特点是全国平均气温为11.1℃，较常年同期偏高0.1℃；全国平均降水量为42.5 mm，较常年同期(45.1 mm)偏少5.8%，其中青海平均月降水量为历史同期第一多。月内，我国遭受四次冷空气过程影响；西南和华南东部气象干旱持续或发展；北方地区出现两次沙尘天气过程；多地遭受风雹袭击，部分地区受灾较重。

引 言

2021年4月，全国平均气温为11.1℃，较常年同期偏高0.1℃。全国平均降水量为42.5 mm，较常年同期(45.1 mm)偏少5.8%，其中青海月平均降水量为历史同期第一多(国家气候中心，2021)。相比2月和3月全国平均气温分别较历史同期显著偏高2.9℃(1961年以来同期最高)和2.5℃(1961年以来同期第二高)(胡艺和董全，2021；关良等，2021)，4月以来这种偏暖趋势大幅减弱，平均气温接近历史同期状态。月内我国遭受四次冷空气过程影响；西南和华南东部气象干旱持续或发展；北方地区出现两次沙尘天气过程；多地遭受大风冰雹灾害袭击，部分地区受灾较重。

1 天气概况

1.1 降 水

4月，全国平均降水量为42.5 mm，较常年同期(45.1 mm)偏少5.8%。从空间分布来看(图1)，降水呈西北—东南阶梯递增分布，降水主要集中在长江以南地区，其中江淮南部、江汉大部、江南等地降水量超过150 mm，湖南北部和江西北部区域降水量超过200 mm；西北地区西部和北部、内蒙古大部、河北大部、四川西南部、云南西北部等地降水量不足10 mm。

与常年同期相比(图2)，我国西北地区降水较常年显著偏多，东南地区持续2月以来的偏少，其中西北东部、内蒙古西部和东北部等地偏多一倍以上，青海平均月降水量为历史同期第一多；东北大部、华北大部、黄淮西北部、江南东部、华南东部等地降水量偏少50%以上，广东、广西地区偏少75%。华南前汛期自4月26日开始，较常年(4月6日)偏晚 20 d。

图1 2021年4月全国降水量分布(单位：mm)Fig.1 Spatial distribution of precipitation amount over China in April 2021 (unit: mm)

图2 2021年4月全国降水量距平 百分率分布(单位：%)Fig.2 Spatial distribution of precipitation amount anomaly percentage over China in April 2021 (unit: %)

1.2 气 温

2021年4月，全国平均气温为11.1℃，与常年同期持平，仅偏高0.1℃(国家气候中心，2021)。表明2月、3月以来显著偏暖的情况已经结束。从空间分布看(图3)，除新疆中部部分地区气温偏低2℃以上外，我国大部分区域气温距平较小，在-1℃～1℃。

2 环流特征和演变

2.1 环流特征

与常年平均比较，2021年4月北半球500 hPa平均位势高度及距平水平分布(图4)表明，4月北半球环流形势有以下特点。

2.1.1 极涡呈单极型分布，强度偏强

4月，北半球极涡呈单极偏心型分布(图4a)，偏向西伯利亚海一侧，中心强度低于516 dagpm。与历史同期相比，极涡中心负距平低于-6 dagpm，强度偏强(图4b)。

2.1.2 中高纬度呈三波型，副热带高压较常年偏弱

从月平均位势高度场(图4a)可知， 4月北半球中高纬度500 hPa环流呈三波型。从距平场看(图4b)，欧洲槽较常年偏东，强度偏强4～6 dagpm，北美槽较常年偏西，强度偏强2～4 dagpm；东亚地区中高纬形势为两槽一脊型，表现出明显的纬向性，高压脊位于中西伯利亚地区，强度较常年偏强8～10 dagpm；东亚大槽较常年偏东，强度偏弱，正距平为2～4 dagpm。我国大部分地区位势高度为正距平，因此4月影响我国的冷空气势力总体偏弱，多短波活动，北方地区多大风沙尘天气。这种中高纬环流形势还导致4月我国强对流天气偏北偏弱。

图3 2021年4月全国平均气温 距平分布(单位：℃)Fig.3 Distribution of monthly mean temperature anomaly over China in April 2021 (unit: ℃)

图4 2021年4月北半球500 hPa(a) 平均位势高度场和(b)距平场(单位：dagpm)Fig.4 (a) Monthly average geopotential height and (b) its anomaly at 500 hPa in the Northern Hemisphere in April 2021 (unit: dagpm)

在低纬地区，西太平洋地区表现为负距平，西太平洋副热带高压强度较常年同期偏弱，菲律宾附近低层风场为负距平，表现为气旋式环流，华南地区处于该气旋式环流的北侧，受东北气流的影响，来自海洋的水汽输送较弱，降水持续偏少，该地区干旱持续发展。南支槽平均位置位于90°E 附近，和常年同期相比强度偏强，约有0～2 dagpm的负距平，有利于孟加拉湾的水汽向我国输送，造成我国中西部地区降水偏多。

2.2 环流演变与我国天气

图5为4月上、中、下旬欧亚地区500 hPa的旬平均位势高度场。4月上旬(图5a)极涡中心位于中西伯利亚北部地区，中心强度低于504 dagpm。和气候平均态相比，500 hPa中高纬乌拉尔山脊偏西，东亚大槽偏弱偏东，环流纬向分量较强，中间多短波活动，强冷空气过程较少。4月上旬(图5a)，巴尔喀什湖以东地区有高空槽存在，受该高空槽带来的冷空气的影响，新疆西部气温较常年同期显著偏低。在低纬，南支槽偏弱，水汽输送较弱，导致我国降水总体偏少。从500 hPa高度场逐日演变图来看(图略)，旬初，亚洲中高纬环流呈现为“西低东高”的形势，巴尔喀什湖上空高空槽东移，给新疆、青海地区带来显著的雨雪天气。低纬地区，副热带高压西伸至广东地区上空，强度偏强，高原槽与南支槽相配合，长江中下游地区切变线维持，给南方地区带来大范围的降水天气。5日后，贝加尔湖高压脊建立，其东部冷空气南下，南支槽加深，有利于暖湿气流向北输送，南方地区降水增强，并伴有强对流天气发生，云南东南部、湖南西部、广西东部等地局地出现暴雨或大暴雨。9—10日，受东移高原槽影响，西北地区东部仍出现降雪天气。

图5 2021年4月(a)上旬、(b)中旬、 (c)下旬500 hPa平均位势 高度场(单位：dagpm)Fig.5 Average geopotential height at 500 hPa for the (a) first, (b) second, and (c) third dekads in April 2021 (unit: dagpm)

4月中旬(图5b)，欧亚中高纬度环流仍为“西高东低”型，但有所调整。和上旬相比，中高纬东亚大槽建立，乌拉尔山脊加强，位置和强度趋于平均态。我国东北地区上空有冷涡长时间维持，西西伯利亚到蒙古国上空为一致的西北气流，冷空气活动频繁，影响我国大部地区。从500 hPa高度场逐日演变图来看(图略)，11—13日，贝加尔湖附近横槽东移转竖，槽后冷空气南下影响我国大部分地区，地面冷高压中心强度超过1 047.5 hPa，位置偏北。受其影响，我国北方大部分地区出现扬沙、大风、降温天气。14—16日，蒙古国上空西北气流里的短波小槽发展，带动地面蒙古气旋发展，给我国北方地区再次带来明显的大风降温、沙尘及雨雪天气，西北地区东部、内蒙古、华北、东北地区大部出现大范围8～10级大风，局地达11～12级，内蒙古东北部出现大到暴雪；冷空气南下后与活跃的南支槽和高空短波槽配合，冷暖空气在云南东部、江南南部到华南北部上空对峙，带来持续性降水，其中海南出现局地大暴雨(过程累计降水量为100～140 mm，最大小时降雨量达40～79 mm)。19日以后，东北冷涡东移入海，其后部气流平直，我国北方以晴好天气为主；受高原槽、南支槽和低层切变线影响，高原、西南和华南地区出现降水。

4月下旬(图5c)，欧亚大陆中高纬环流形势基本维持，但东亚槽加深发展，经向度增强，冷空气活动频繁。低纬南支槽明显加深，有利于暖湿气流向北输送。下旬共发生三次主要降水过程，和中上旬相比明显增多。具体为：22—23日，巴尔喀什湖附近深槽发展，500 hPa出现闭合冷低涡，受其影响，配合持续的水汽输送，西北地区出现大风降温和雨雪天气。23—26日，原巴尔喀什湖上空高空槽缓慢东移至新疆地区上空，华北、东北附近有高压脊发展并维持，日本海上空高空槽加深。在这种环流形势下，华北、东北地区降水偏少，气温偏高。中低纬地区，南支槽宽广，有利于西南急流发展，并与西风槽后冷空气在我国中部地区形成切变线并南压，河南、陕西、四川等地部分地区23—24日累计降水量达到100～190 mm，多个国家气象观测站突破4月历史极值。26—28日，环流形势调整为“西高东低”型，东北地区上空冷涡底部冷空气活跃，给北方地区带来大风降温及沙尘天气。北方冷空气渗透南压与西南暖湿气流在华南地区交汇，配合充沛的水汽条件和能量条件，云南、华南地区出现短时强降水及风雹天气，广东入汛。29—30日，我国江淮黄淮地区处于冷涡底部，在西风急流强迫及一定的能量水汽条件下，出现雷暴大风等强对流天气，江苏多地出现8级(17.2 m·s-1)以上雷暴大风和冰雹天气，南通出现15级(47.9 m·s-1)极大风，最大冰雹直径达到3～5 cm。

3 冷空气活动和沙尘天气

3.1 冷空气过程

4月以来我国共出现四次冷空气过程(具体影响范围和强度详见表1)：分别发生在5—8、12—13、14—16和25—28日，其中12—13日为全国性中等偏强冷空气，其他为一般冷空气过程。12—13日，西北地区东北部、内蒙古大部、东北地区大部、华北大部、黄淮地区等地最大降温幅度达8℃以上，其中内蒙古中部、黑龙江中部等地超过14℃。受冷空气过程影响，山西、陕西、新疆、内蒙古、河北、宁夏等多地局部遭受雪灾或低温冷冻灾害，山西受灾较重。

表1 2021年4月主要冷空气过程Table 1 Main cold air processes in April 2021

3.2 沙尘天气过程

4月受地面冷锋和蒙古气旋影响，我国北方出现两次沙尘天气过程(表2)，沙尘天气过程次数较2000—2020年同期平均值(4.3次)明显偏少，其中14—16日过程为沙尘暴天气过程，25—27日则为扬沙天气过程。14—16日，我国西北大部、内蒙古大部、东北大部、华北、黄淮、江淮等地出现扬沙和浮尘天气，内蒙古中西部局地出现沙尘暴，受灾较重，下文具体分析此次过程。

由于2—3月蒙古国、西北地区等地气温与常年同期相比一直显著偏高、降水显著偏少，且蒙古国植被覆盖率降低，周边沙源地由于干旱和解冻导致土壤松动，利于起沙(周晓敏和张涛，2019；关良等，2020)。从环流背景看，14日08时(图略)新疆西北部为强大的高压脊，蒙古国西南部地区上空西北气流里短波小槽发展，带动蒙古气旋和地面冷锋发展并东移。大风位于气旋与冷高压结合部高梯度区，也是最强冷平流区。14日14时(图略)，内蒙古西部地区为地面气温在20℃以上，10 m阵风风速达到10～11级，土壤体积含水量较低，说明有较好的起沙动力条件；20时，500 hPa上内蒙古中西部有强冷平流侵入，850 hPa上则表现为暖脊，这种不稳定层结有利于高空动量下传及低层湍流交换，引起地面大风及地面沙尘向上输送。15日14时(图6a)，500 hPa上原蒙古国西部的低槽加深东移至蒙古国—内蒙古一带，环流经向度加大，偏北气流增强，引导冷空气影响我国华北地区。地面场上，蒙古气旋位于蒙古国南部至内蒙古中西部地区，中心气压低于1 000 hPa，大风位于气旋与冷高压结合部高梯度区。850 hPa上，该区域存在强冷平流，最强风速超过20 m·s-1(图6b)。沙尘在有利条件下向东传输，导致我国华北、内蒙古中东部出现大范围沙尘天气及9～10级平均风，阵风为11～12级，局地阵风达到12级以上。由于我国中东部地区原为高压场控制，西高东低的形势场不明显，同时，内蒙古中部和华北北部出现降水，引起起沙抑制和湿沉降，因而此次过程相比2021年3月15日沙尘暴过程强度偏弱。另外，受系统强迫影响，该过程配合以较好的能量条件，京津冀地区出现强对流天气。

表2 2021年4月主要沙尘天气过程Table 2 Main sand-dust weather processes in April 2021

图6 2021年4月15日14时(a) 500 hPa位势高度场(实线，单位：dagpm)和 海平面气压场分布(虚线，单位：hPa)及(b) 850 hPa温度场(实线，单位：℃) 和风场(风羽，单位：m·s-1)Fig.6 (a) The 500 hPa geopotential height (solid line, unit: dagpm) and SLP (dashed line， unit: hPa)， (b) 850 hPa temperature (solid line, unit: ℃) and winds (barb, unit: m·s-1) at 14:00 BT 15 April 2021

4 主要降水过程和强对流过程

4.1 概 况

2021年4月我国主要有四次降水过程和强对流过程(表3)。23—24日过程，我国西北东部、黄淮、江汉、江南等地出现大范围强降水，其中，陕西东南部、河南西部、四川东部、重庆北部、湖北西北部、江西北部等地部分地区降水量达100～190 mm，青海、甘肃、宁夏、陕西等地共37个国家气象观测站过程累计降水量突破4月历史降水极值。28—30日，我国东北地区南部、华北、黄淮、江淮及其近海区域等多地出现大范围雷暴大风和冰雹天气，其中，29日18时左右山东省日照市近海出现12级强风；30日20时左右江苏南通局地记录到14～15级极端大风，多站创建站以来大风观测极值。

表3 2021年4月主要降水和强对流过程Table 3 Main precipitation and convective weather processes in April 2021

4.2 4月23—24日大范围强降水过程分析

从形势场上看，23—24日过程是南下冷空气与西南暖湿气流形成的切变共同造成的。23日08时，在500 hPa上(图7a)，我国中东部地区为高压脊控制，东北地区至朝鲜半岛一带为一高空槽，高原短波槽东移至四川盆地—西北地区南部一带并发展加深，为系统的形成提供了良好的动力强迫作用。冷空气主体位于蒙古高原、内蒙古东部到东北地区一带，槽底冷空气沿东路自华北地区东部向南渗透，一直南压到西北地区东部、四川盆地、黄淮一带，与南支槽输送的西南暖湿气流汇合，形成切变系统。该切变系统逐渐加强形成低涡。在925 hPa上(图7b)，上述地区表现为偏东风，冷垫深厚，700 hPa 和850 hPa上暖湿气流沿冷垫爬升，带来较强的上升气流。从水汽条件看，在西南暖湿气流的持续稳定输送作用下，甘肃南部、陕西南部、四川东部、重庆、湖北西部等地整层可降水量普遍达到30～30 mm，部分地区超过40 mm，850 hPa 比湿达到了8～10 g·kg-1，局地超过了12 g·kg-1，水汽条件充沛，因而在上述地区产生了区域性暴雨天气。24日08时，低涡继续发展东移，切变线南压至江南、华南一带，配合良好的水汽条件给当地造成了大范围暴雨、局地大暴雨天气。25日，随着切变线继续南压入海，冷空气减弱，本轮降水过程结束。

图7 2021年4月23日08时(a) 500 hPa位势高度场(实线，单位：dagpm)和海平面气压场 分布(虚线，单位：hPa)，(b) 850 hPa绝对湿度(阴影，单位：g·kg-1)、 对流有效位能(虚线，单位：J·kg-1)和925 hPa风场(风羽，单位：m·s-1)Fig.7 (a) The 500 hPa geopotential height (solid line, unit: dagpm) and SLP (dashed line， unit: hPa), (b) 850 hPa absolute humidity (shaded, unit: g·kg-1), CAPE (dashed line, unit: g·kg-1) and 925 hPa winds (barb, unit: m·s-1) at 08:00 BT 23 April 2021

4.3 4月28—30日强对流过程分析

28—30日，我国的东北地区上空受一深厚冷涡控制，冷涡缓慢向东南方向移动，其中心强度低于536 dagpm。29日08时，东亚大槽位于我国东部地区，在925 hPa上冷涡后部冷空气南下，与低层西南暖湿气流在江淮地区东部交汇。30日20时(图8)，东亚大槽东移至朝鲜半岛附近，黄淮、江淮流域一带高空(500 hPa)气流经向度加大，925 hPa表现为一致的西南暖湿气流，地面气温回升。受其共同影响，黄淮、江淮流域一带上冷下暖，大气层结不稳定状态持续增强，大气层结极度不稳定。从水汽条件看(图8)，黄淮、江淮流域整层可降水量接近30 mm。在这些强对流天气发生的有利环境条件条件下，出现了雷暴大风、小时强降水和冰雹天气。

图8 2021年4月30日20时500 hPa位势 高度场(等值线，单位：dagpm)、 925 hPa 风场(风羽，单位：m·s-1)、 整层可降水量分布(阴影)Fig.8 The 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm), 925 hPa winds (barb, unit: m·s-1) and PWAT (shaded) at 20:00 BT 30 April 2021

从对流条件来看，30日14时江苏省中西部对流有效位能(CAPE)在1 600 J·kg-1以上(图9)。根据欧洲中期天气预报中心预报的模式探空图分析(图略)，14时南通极端大风发生地附近CAPE达3 106 J·kg-1，下沉对流有效位能达1 120 J·kg-1。同时，各层湿度条件都偏干，有利于降水蒸发及冷池的形成。另外，850～500 hPa温差可达30℃以上，0℃层高度在3 629 m，0～1和0～6 km 垂直风切变分别为25、37 m·s-1。这些能量条件、水汽条件、风切变条件均有利于冰雹和雷暴大风的产生。

从雷达回波来看(图略)，30日中午前后，江苏淮北东部地区已有对流生成，强度较弱。16时前后，徐州—宿迁一带有两个对流单体触发并迅速发展，17:30前后，这两个对流单体发展为超级单体，出现钩状回波形态、中气旋及速度模糊特征。此时，淮安站测得36.2 m·s-1大风，打破该站历史极值。随后，对流单体随引导气流南下，其出流形成多条阵风锋。19:30左右，多条阵风锋合并，并快速南压。20:40地面观测显示，阵风锋位于安徽东部和江苏南部，强回波主要位于江苏南部到海上，表现为多单体排列的线状结构，阵风锋后部引起了大面积的9级以上大风。20：50，回波快速南压，原强回波带趋于减弱，其南边的回波加强发展为明显的带状结构。

图9 2021年4月30日20时南通站探空图Fig.9 Skew-T charts at Nantong Site at 20:00 BT 30 April 2021

阵风锋叠加下击暴流产生了更为极端的风速(47.9 m·s-1)。此外，在此次极端大风事件中，高空急流动量下传与大风由陆入海的地形变化都产生了重要影响。

5 其他灾害性天气——干旱

4月西南地区西部降水量不足50 mm，较常年同期偏少5～8成，部分地区偏少8成以上，华南东部降水不足100 mm，较常年同期偏少5～8成，降水偏少加上同期气温偏高，云南西北部、四川西南部、广东东部、福建大部气象干旱持续或发展。干旱地区最大中度以上干旱面积为104.9万km2(4月4日)，重旱以上干旱面积达63.3万km2(4月5日)。5—8日，西南东部，华南西部出现10～50 mm降水，西南东部，华南西部干旱缓解。截至4月底，云南西北部、四川西南部、广东东部、福建东南部等地存在中度及以上气象干旱，部分地区达到特旱。云南、广东省部分地区遭受旱灾，农作物、人民生活和大牲畜受到较大影响(国家气候中心，2021)。

致谢：感谢国家气象中心气象服务室向欣为本文提供月降水量、降水距平百分率和温度距平资料。