2021年春季我国气候异常特征及可能成因分析*

刘芸芸 高 辉

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： 利用中国站点降水和气温资料、NCEP/NCAR大气再分析资料和海温数据，总结了2021年春季(3—5月)我国气候异常特征，并初步分析了其可能成因。2021年春季全国平均气温为11.6℃，为1961年以来第四暖，但4月我国中部地区出现阶段性气温偏低；全国平均降水量为145.3 mm，接近常年同期，但季内阶段性变化显著，这与环流的阶段性调整密切相关。3—4月亚洲中纬度环流为“东高西低”型，副热带高压偏弱偏东，有利于来自西北太平洋的水汽向长江以北输送，降水呈“北多南少”分布。5月中纬度环流转变为“东低西高”型，副热带高压西伸北扩，低层西南暖湿气流增强，在江南、华南强烈辐合上升，为强对流天气的频繁发生提供了有利条件，降水调整为“南多北少”分布。此外4月中旬开始，中高纬阻塞活动逐渐频繁，一方面导致我国中部地区气温阶段性偏低，另一方面也是造成南方强对流天气发生的重要因素之一。春季后期环流出现明显调整与高低纬度环流相互作用及热带海温的演变有关。4月中旬北极圈大气明显回暖，乌拉尔山高压脊增强，进而造成上述“东低西高”型环流异常；同时，随着5月热带印度洋的快速增暖，前期表现为对事件响应的东亚低纬度环流形势也出现明显调整，从而导致季内降水分布也发生了明显变化。

引 言

我国是典型的季风气候，气候受季风影响很大。冬季我国大部主要受干冷的冬季风控制，而夏季则受来自热带暖湿的夏季风控制。春季是冬季风和夏季风更替的季节，时而来自北方的冷空气强，时而来自南方的暖湿气流强，两股势力此消彼长，导致春季气候变化较为剧烈，天气多变。当冷空气强时，北方容易出现大风降温甚至沙尘天气。当暖湿气流比较强时，气温则会相对较高，冷暖空气交汇的地方，就容易发生降水，甚至出现雷暴、冰雹、龙卷等强对流天气。此外，华南前汛期、江南春雨(Tian and Yasunari,1998;詹丰兴等，2013)以及南海夏季风的爆发(Tao and Chen,1987)等气候事件都在春季发生，从而造成春季复杂多变的区域气候特征。已有研究表明，我国春季气候具有显著的年际变化(邵勰等，2015;2016；龚志强等，2017；王遵娅等，2018；刘芸芸和陈丽娟，2019)，而此时大多数地区正值农作物播种和生长期，因此春季的气候异常将对农业生产和人民生活造成重要的影响，有效地理解春季气候异常并做好预报服务有利于防灾减灾。

1 资料与方法

2 2021年春季中国气候异常特征

2.1 气 温

2021年春季(3—5月，下同)，全国平均气温为11.6℃，较常年同期(10.4℃)偏高1.2℃，为1961年以来历史同期第四高(图1)。与常年同期相比，全国大部地区气温较常年同期偏高0.5℃以上，其中东北地区及内蒙古大部、华北中西部、西北北部、江南东部、华南大部、西南地区中南部偏高1～2℃，局地偏高2℃以上(图2a)。从春季逐月的气温距平分布可以看到，季节内的气温空间分布差异很大(图2b～2d)。3月，全国大部地区气温偏高1～4℃，内蒙古中东部、黑龙江西部、吉林西部等地偏高4～6℃(图2b)。4月我国中部大部地区气温偏低，其中华北西南部、黄淮大部、江淮西北部、江汉、江南西部、华南西部、西南地区东部、西北地区东部和中部、新疆西部、西藏西南部等地气温偏低0.5～2℃，局部偏低2～4℃；其余大部地区气温接近常年到偏高(图2c)。5月，气温偏低的范围明显缩小，仅在东北地区东南部、内蒙古中东部部分地区偏低1～2℃，其余大部地区气温接近常年到偏高，其中江南东部、华南大部、云南大部、西藏东部、西北地区北部等地偏高1～2℃，局部偏高2℃以上(图2d)。

图1 1961—2021年春季全国平均气温历年变化

图2 2021年(a)春季和(b)3月、(c)4月、(d)5月的全国平均气温距平分布

2.2 降 水

2021年春季，全国平均降水量为145.3 mm，接近常年同期(143.7 mm)(图3)。降水空间分布不均，其中东北地区北部、内蒙古东北部和西部、山东半岛、江汉、江南、西南地区东南部、西藏中西部、西北地区大部和新疆中南部等地降水偏多2成至2倍，局地偏多2倍以上；而东北地区中南部、华北东部、黄淮西部、华南南部、西南地区中南部、新疆西北部等地降水偏少2～8成，云南西部偏少8成以上(图4a)。从春季逐月的降水分布来看，南北方旱涝转换明显：3月，东北地区北部、华北大部、黄淮东部、江汉东部、西南地区东北部、西藏中部、新疆中部和北部等地偏多5成至2倍，部分地区偏多2倍以上；而东北地区西南部、江南南部、华南大部、西南地区南部、西北地区中西部、新疆西部等地偏少2～8成，云南大部、四川南部、贵州西部和新疆西部偏少8成以上(图4b)。4月降水偏多的区域仍以北方为主，但偏多的中心较3月有所偏西；而我国东北、华北东部、江淮、江南东部、华南中东部、西南中西部和新疆北部降水偏少2～8成，云南西北部和四川南部仍偏少8成以上(图4c)。5月降水异常空间分布出现了明显调整，由前期的“北多南少”转变成“北少南多”分布，江淮南部、江南、华南北部、四川西北部和西藏大部降水偏多2成至2倍，部分地区偏多2倍以上，而北方大部地区降水偏少(图4d)。

图3 1961—2021年春季全国平均降水量历年变化

2.3 气象灾害

气温总体偏高和降水空间分布不均导致我国春季旱涝灾害并重。一方面，由于温高雨少，区域性、阶段性气象干旱明显(图5)。3月我国云南、江南南部、华南等地气象干旱发展(图5a)，4月4日干旱地区最大中度以上干旱面积达到104.9万km2，4月5日重旱以上干旱面积为63.3万km2(图5d)。4月12日之后，旱区降水明显增多，江南东南部、华南中东部等地气象干旱得到缓和，但云南、广东等地降水少，气象干旱维持或发展(图5b)。5月华北地区、东北地区南部旱情露头并发展，至5月31日，云南大部、四川南部、广东西南部、海南、吉林西南部、辽宁西部、河北南部等地存在中度及以上气象干旱，四川南部、云南北部以及海南东北部重旱，局地特旱(图5c)。另一方面，南方区域性暴雨过程频繁，多地河流水库水位超警。春季我国南方共出现8次区域性暴雨过程，其中有6次发生在5月。5月15—23日，我国长江以南大部地区遭遇持续性强降水天气，累计降水量普遍超过100 mm。5月30—31日，华南大部遭遇强降雨天气，广东中东部出现暴雨到大暴雨，惠州、河源、汕尾和揭阳等局地特大暴雨。

图5 2021年(a)3月31日、(b)4月30日和(c)5月31日的全国气象干旱综合监测图及(d)4月1—30日气象干旱面积变化

春季后期，多个地区遭受强对流天气影响，4月30日江苏沿江及以北地区遭受强对流天气袭击，南通局地风力达13～15级，对当地造成较大影响。5月14日，湖北武汉市出现短时强降水、雷暴、大风、冰雹等强对流天气，局地出现龙卷风；江苏苏州市吴江区遭龙卷风袭击，中心最大风力为17级，造成人员伤亡，局部电力设施、多处房屋受损。

此外，2021年春季我国北方还出现了9次沙尘天气过程，比2011—2020年同期平均(8.3次)偏多0.7次。其中3月13—18日、3月27日至4月1日为强沙尘暴天气过程，4月14—16日、5月5—8日为沙尘暴天气过程，其余5次为扬沙天气过程。华北以及内蒙古地区沙尘日数为2003年以来同期第二多(仅次于2006年)。

从上面的分析可以看到，无论是气温还是降水，春季气候季内变化都非常显著，造成灾害发生也具有明显的阶段性特点，这些与春季季内大气环流发生阶段性变化有关。下面将根据2021年春季气温和降水的季内异常变化特点，分阶段对大气环流和可能的外强迫因子做进一步的成因分析。

3 2021年春季气候异常的可能成因

3.1 大气环流异常特征

2021年春季环流呈现显著的阶段性变化，这是春季作为东亚冬季风环流向夏季风环流的转换期所特有的表现。3—4月，亚洲中纬度地区环流异常空间型基本呈现“东高西低”分布，即贝加尔湖以东至东亚的大部地区位势高度场较常年同期偏高，对应东亚槽偏弱，而贝加尔湖以西的地区高度场偏低，从而有利于中西路冷空气活动。低纬度地区的西太平洋副热带高压(以下简称副高)较常年偏弱，位置偏东，使得东亚地区自南向北呈现“负—正—负”的异常分布(图6a)。对应低层风场上，30°N以南为显著的异常气旋性环流，而30°N以北为庞大的异常反气旋性环流(图6c)，这样的环流形势有利于来自西北太平洋的水汽向我国长江以北地区输送，与来自北方的中西路冷空气活动配合，从而导致我国3—4月北方大部降水偏多。另一方面，孟加拉湾北部为异常反气旋性环流，而长江以南大部处在异常气旋性环流西侧的偏北风控制下，使得向我国西南、华南地区的水汽输送条件也偏差，造成南方降水较常年同期明显偏少(Ding and Gao,2020)，西南和华南的气象干旱发展，华南前汛期开始时间较常年(4月6日)偏晚20 d。

5月大气环流形势出现明显调整，亚洲中纬度地区环流转变为“东低西高”分布，我国东北、华北上空高度场偏低，有利于冷涡活跃及东路冷空气南下影响我国，同时造成东北和华北北部部分地区的气温偏低和降水偏多；低纬度地区副高较前期明显增强西伸，东亚地区自南向北转变为“正—负—正”的异常分布(图6b)，这也使得南方大部地区气温迅速升高，并较常年同期偏高1～2℃，其中长江下游偏高2℃以上。同时副高位置较常年同期偏北，对应低层风场上为明显的反气旋性环流(图6d)，有利于引导南海和西太平洋的暖湿气流到达江淮和江南地区(Ding et al,2020)。江淮和江南大部地区处于高温高湿的环境，在与来自北方的东路冷空气活动的有力配合下，为5月该区域强降水和强对流天气的频繁发生创造了有利的气象条件，同时华南北部的气象干旱也得到缓解。另一方面，孟加拉湾仍然存在异常反气旋性环流，在其南侧为弱的偏东风距平，对应印度西南夏季风偏弱，输送到我国西南南部地区的水汽明显减弱，从而导致云南大部地区春季降水异常偏少，气象干旱持续发展。

图6 2021年(a,c)3—4月和(b,d)5月的(a,b)500 hPa位势高度场分布(等值线为原始场，填色为距平场，单位：gpm)及(c，d)850 hPa距平风场(单位：m·s-1)

图7进一步给出了春季南方关键大气环流系统的逐日演变特征，3—4月副高总体偏弱，5 840 gpm线基本在25°N以南，其北侧的垂直上升运动弱，对应低层的西南气流和水汽辐合也不明显(图7a)。5月副高显著加强且北扩，5 840 gpm线最北达到30°N，中心出现闭合的5 900 gpm线，其北侧的垂直上升运动也明显加强。南方低空西南急流活跃，随着西南急流的加强，南风大值中心反复建立，并在其北侧形成经向风强梯度带，都为南方的强降水或强对流天气提供了有利的低层动力条件(图7b)(刘芸芸和丁一汇，2020)。另一方面，低空西南急流也是强水汽输送带，它不仅将来自热带海洋的暖湿气流输送到我国南方，为强降水过程的形成提供必要的水汽条件和不稳定能量，而且西南急流北侧的南风经向强梯度带还促成了源自低纬地区的水汽在此区域的强烈辐合(图7b)，上升运动发展，促使其不稳定能量释放，为强对流的频繁发生提供了有利的气象条件。

图7 2021年春季110°～122.5°E平均的逐日(a)500 hPa位势高度(等值线，仅给出5 840 gpm以上数值)、纬向风零线(红线，单位：m·s-1)与垂直上升运动(填色，单位：10-2 m·s-1)，(b)850 hPa经向风(等值线，>6 m·s-1)和矢量风(箭头，单位：m·s-1)及整层水汽通量散度(填色，单位：10-5 kg·m-2·s-1)的时间-纬度剖面

相比于低纬地区环流的调整，欧亚中高纬地区的大气环流季内转换似乎要复杂一些。图8为春季欧亚中高纬阻塞高压(以下简称阻高)的逐日演变，它是造成中高纬大气环流异常的一个主要环流系统(Tibaldi and Molteni,1990)。可以看到，3月欧亚中高纬几乎没有阻塞活动；4月中旬开始，中高纬阻塞活动开始逐渐频繁，主要以乌拉尔山阻高和鄂霍次克海阻高的形式表现，两者或此消彼长，或“双阻鼎立”(图8)。当阻塞形势建立，中高纬环流经向度加大，则有利于来自于极区的冷空气自北向南影响我国。其中4月出现4次冷空气过程，较常年同期(2.9次)偏多，这也是4月我国中部大部地区气温偏低的直接原因。冷空气活动也是强降水和强对流天气发生的重要因素之一，它能够促成产生强降水所必须的低层辐合抬升(姚秀萍和于玉斌，2005)。冷空气南下，正好与低层一次次加强的西南暖湿水汽交汇(图7)，造成5月我国南方强降水强对流天气的频繁发生。

图8 2021年春季北半球中高纬度阻塞高压强度的时间-经度剖面(红色、绿色和蓝色虚线分别代表乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍次克海区域)

3.2 外强迫因子分析

与此同时，春季热带印度洋海温表现为偏暖的特征(图9a)，IOBM指数(Chambers et al,1999)自2021年3月开始由前期的负距平转为正距平，尤其在5月增暖迅速(图9b)。印度洋暖海温的发展通过Matsuno-Gill响应(Matsuno，1966；Gill，1980)激发Kelvin波，在孟加拉湾和南海分别产生异常的反气旋环流，该反气旋环流有利于副高的加强西伸(Yuan et al,2012)。5月的低纬度大气环流系统就表现出对热带印度洋迅速增暖的响应，孟加拉湾和南海地区均存在较明显的反气旋性异常环流(图6)，有利于副高从3—4月的偏弱偏东转变为5月偏强偏西的特征。春季副高强度指数与前期逐月热带海温指数的相关也可以看到，随着时间的演变，春季3—5月IOBM指数与副高强度指数的正相关关系最为显著，超过0.01的显著性水平(图10a)。由于副高强度和西伸脊点本身具有高相关性(刘芸芸等，2012)，副高的西伸脊点指数与热带海温指数的相关与前者类似(图略)。即春季热带印度洋海盆整体偏暖时，副高容易偏强偏西。同时也注意到，相比热带印度洋海温异常，赤道中东太平洋的海温异常对西太副高强度的影响在逐渐减弱，这也进一步说明，今年5月低纬环流出现明显调整是热带印度洋海温的增暖起了重要作用。这与先前的研究结果也是一致的(Xie et al,2009；Liu et al,2013；袁媛等，2014；He and Zhou,2015)。

图9 (a)2021年春季全球海温距平场分布和(b)2020年1月至2021年5月与IOBM海温指数的逐月变化

而对于中高纬环流同样在春季季内也发生了明显变化，这似乎更像是大气内部过程相互适应的结果。从对极区的实况监测看到，北极地区850 hPa气温在4月上旬末开始从偏冷转为偏暖(图11a)，相应地，极区上空的位势高度场也出现调整，由前期的高低层一致的负位势高度场距平而转为中低层的正位势高度场距平(图11b)。这些环流系统的调整时间节点与欧亚中纬度地区阻塞活动的阶段性活跃有很好的对应关系。但它们是通过怎样的物理机制相互联系，以及是否还有其他先兆信号对其产生影响，还值得进一步的深入分析。

图11 2021年春季北极(65°～90°N)(a)850 hPa气温距平(红色阴影表示正距平，蓝色阴影为负距平)的逐日演变，(b)北极上空位势高度距平的时间-高度剖面

4 结论与讨论

本文利用中国站点降水和气温资料、NCEP/NCAR大气再分析资料和海温数据，总结了2021年春季我国主要气候异常特征，并初步分析了导致春季气候异常的可能成因。主要结论如下：

Fig.10 1981—2020年春季(a)西太副高强度指数和(b)脊线指数分别与前期海温指数的线性相关[相关系数≥0.31或≤-0.31表示通过0.05显著性水平检验，图中虚线所示；蓝色柱状代表与指数的相关，橙色柱状代表与IOBM指数的相关；横坐标中的(-1)表示超前一年，(0)表示同一年]

2021年春季(3—5月,下同)，全国平均气温为11.6 ℃，较常年同期偏高1.2℃，为1961年以来历史同期第四高；其中4月我国中部大部地区出现阶段性低温过程。全国平均降水量145.3 mm，接近常年同期，但季内阶段性变化特征显著。3—4月我国北方大部降水偏多，而江南南部、华南、西南南部降水明显偏少；5月降水偏多的区域集中在江南、华南北部，而北方大部转为降水偏少。气温偏高和降水空间分布不均导致春季旱涝灾害并重。西南南部、华南南部气象干旱持续发展，5月南方强降水强对流天气频发，北方多次出现大风沙尘天气过程。

春季季内环流阶段性特征显著，3—4月亚洲中纬度环流异常空间型为“东高西低”型，副高较常年偏弱偏东，东亚地区自南向北呈现“负—正—负”的分布，有利于来自西北太平洋的水汽向我国长江以北地区输送，与来自北方的中西路冷空气活动配合，使得北方大部降水偏多。5月环流形势出现明显调整，亚洲中纬度环流转变为“东低西高”型，副高明显增强西伸且北扩，东亚地区自南向北转变为“正—负—正”的分布，有利于引导南海和西太平洋的暖湿气流到达江淮和江南地区。低层西南暖湿气流增强，在江淮和江南大部地区强烈辐合，上升运动发展，促使其不稳定能量释放，为该区域强降水和强对流天气的频繁发生提供了有利的气象条件。另外，4月中旬开始，中高纬阻塞活动开始逐渐频繁，有利于冷空气南下影响我国，其中4月出现4次冷空气过程，较常年偏多，这也是我国中部大部地区气温阶段性偏低的直接原因。冷空气活动也是强降水和强对流天气发生的重要因素之一，当冷空气南下正好与低层反复加强的西南暖湿水汽交汇，则造成南方强降水的频繁发生。

本文仅从大尺度环流和热带海洋外强迫信号分析了这些因子对春季基本气候特征的影响。值得关注的是，2021年春季我国极端气候事件频频发生，例如我国南方地区持续的干旱、华南前汛期和西南雨季明显偏晚，北方强沙尘暴影响偏重等等，这些具体的极端事件国家气候中心目前已组织开展分析，其中的机理将在后续文章中揭示。