2021/2022年冬季中国气候异常特征及南方降水异常偏多成因分析*

2022-08-11郑志海

气象 2022年7期

支蓉郑志海

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：2021/2022年冬季，东亚冬季风较常年同期偏强，西伯利亚高压偏强，我国平均气温较常年同期偏低，在空间型上整体表现为“北暖南冷”的异常分布，全国平均降水量较常年同期偏多，尤其是青藏高原、西南、华南等地偏多较为明显。冬季北极涛动长时间维持正位相，有利于乌拉尔山阻塞高压偏弱；而鄂霍次克海阻塞高压异常活跃，500 hPa高度场上正距平中心从鄂霍次克海向西延伸至贝加尔湖—巴尔喀什湖附近；此外，冬季北极涛动正位相还通过南欧亚遥相关型的间接途径影响东亚冬季气候，造成中东急流偏强，高原高度场持续偏低，与赤道中东太平洋的事件相配合，使得东亚地区500 hPa高度场整体呈现近似“北高南低”的距平分布，我国冬季平均气温在空间型上整体表现为“北暖南冷”的异常分布，南方地区降水异常偏多。在季节内变化方面，我国冬季气温呈现“前冬暖、后冬冷”的特点，主要与东亚冬季风“前冬偏弱、后冬偏强”的季节内变化特征密切相关。

引言

东亚冬季风是东亚气候系统的重要组成部分，对中国和整个东亚地区冬季的气候异常有重要影响。东亚冬季风起源于西伯利亚高压，其强度主要取决于西伯利亚高压的发展程度(丁一汇，2013)。东亚冬季风偏强时，西伯利亚高压和阿留申低压偏强，东亚大槽加深，继而引导极地冷空气南下，使得我国除东北北部和西南地区以外的大部分地区气温偏低，易发生强降温、强降雪等天气、气候灾害(郭其蕴，1994；高辉，2007；Huang et al，2007；陈文等，2013)。

除了季节平均特征，东亚冬季风的季节内变率及其影响也广受关注。例如，李崇银(1988)、Chan and Li(2004)研究表明，东亚冬季风具有较为显著的30～60 d(或准40 d)以及10～20 d周期性特征。近年来，由于中国冬季季节内气温变化的“冷-暖(暖-冷)急转”现象频繁发生，给短期气候预测带来巨大的挑战(丁一汇等，2008；布和朝鲁等，2018；司东等，2016；聂羽等2016)。对此，国内外众多专家和学者开展了大量研究：如韦玮等(2014)的研究表明，前冬出现全国型偏暖(冷)或北冷南暖(北暖南冷)的气温异常时，后冬出现类似或相反气温异常的概率分别在50%左右；董文杰等(2003)、黄嘉佑和胡永云(2006)及Cohen et al(2014)的研究较为一致地指出，中国前、后冬气温变化趋势呈现明显的非对称性；Li et al(2021)的研究表明，20世纪90年代末以来，中国12月和1月平均气温的反转现象发生频率大大增加，这一现象可能主要受到中部型ENSO事件的影响，而西伯利亚高压是二者相联系的重要媒介；Ding et al(2021)的研究指出，9—10月北极海冰偏少将有利于后冬1—3月中国北方，尤其是东北地区气温偏低；Xu et al(2021)的研究则指出，前冬11—12月北极海冰减少将会造成后冬1—2月东亚大槽加深，有利于东亚冬季风的增强。

1 资料和方法

本文使用的资料主要有：(1)中国气象局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)”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数据，其中冬季指当年12月至次年2月的三个月平均，如2021/2022年冬季为2021年12月至2022年2月。(2)国家气候中心提供的160个站月降水观测资料。(3)大气环流资料为NCEP/NCAR逐月再分析资料(Kalnay et al，1996)，水平分辨率为2.5°×2.5°。文中所指气候态为1991—2020年平均。

东亚冬季风强度指数采用的是朱艳峰(2008)的定义，即将25°～35°N、80°～120°E范围内500 hPa纬向风的平均值减去50°～60°N、80°～120°E范围内500 hPa纬向风的平均值，并对差值进行标准化处理。西伯利亚高压指数定义为40°～60°N、80°～120°E范围内海平面气压的面积加权平均值，结果同样进行标准化处理。AO指数和高原高度场指数均来源于国家气候中心“气候与气候变化监测预测系统”。

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”。

2 2021/2022年冬季我国气候异常特征

2.1 2021/2022年冬季我国气温异常特征

2021/2022年冬季，全国平均气温为-3.2℃，较常年同期(-3.0℃)偏低0.2℃(图1a)。从气温距平空间分布来看，气温偏低的区域主要集中在青藏高原、西南、华南、华中南部、东北北部等地，其中青藏高原大部、华南西部等地偏低2℃以上；全国其余地区气温接近常年同期至偏高(图1b)。

图1 (a)1961/1962—2021/2022年冬季全国平均气温历年变化及(b)2021/2022年冬季全国气温距平分布

2021/2022年冬季，我国气温整体表现为“前冬暖、后冬冷”的阶段性变化特征；除西藏地区整个冬季表现为持续异常偏冷外，全国其余大部分地区气温季节内波动特征明显。2021年12月和2022年1月，全国平均气温分别为-2.3℃和-4℃，均较常年同期(-3℃和-4.8℃)明显偏高，偏高的异常程度分别位列1981年以来同期第九位和第八位；除西藏及东北北部等地气温持续较常年同期偏低外，全国其余大部地区气温较常年同期偏高(图2a、2b)。2022年2月，气温迅速转低，全国整体以一致偏冷为主要特征(图2c)；全国平均气温为-3.2℃，较常年同期(-1.2℃)偏低2℃，位列1981年以来同期第六位，为2009年以来同期最冷；内蒙古中西部、青藏高原大部、西南地区南部、江南、华南等地气温偏低2～4℃，其中内蒙古中部、华南西部等地偏低超过4℃。从冬季全国平均气温距平逐候演变曲线也可以明显看出2021/2022年冬季我国气温呈“前冬暖、后冬冷”的季节内进程特点，2021年12月至2022年1月，气温维持接近常年至偏暖的状态，仅12月第6候气温明显较常年同期偏低；进入2月，全国平均气温呈现较常年同期持续明显偏低的特点，其中2月第5候较常年同期偏低达4.5℃(图2d)。

图2 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全国气温距平分布，及(d)2021/2022年冬季逐候全国平均气温距平

2.2 2021/2022年冬季我国降水异常特征

2021/2022年冬季，全国平均降水量为52.5 mm，较常年同期(42.1 mm)偏多24.7%，位列1981年以来第八位(图3a)。除新疆、西北地区西部、东北地区南部、华东北部等地降水较常年同期偏少外，全国其余大部地区降水接近常年同期至偏多。其中西北地区东部、西藏大部、西南地区大部、华中南部、华南等地降水偏多超过5成，局部超过1倍(图3b)。

图3 同图1，但为(a)降水量和(b)其距平百分率

2021年12月，降水偏多的区域主要位于105°E以西，我国东部地区整体以降水偏少为主；月平均降水量为8.7 mm，较常年同期(11.9 mm)偏少 26.9%(图4a)。2022年1月，降水偏多的区域较前期明显东扩，我国东部长江中下游及其以北地区降水明显偏多；月平均降水量为18.2 mm，较常年同期(14.3 mm)偏多27.3%，位列1981年以来历史第八位(图4b)。2022年2月，105°E以西地区降水持续明显偏多，东部地区降水偏多的区域明显较1月有所南压，主要位于江南南部至华南；此外，受2月13日前后一次强降雪过程影响，华北北部至内蒙古中部等地降水也表现为偏多的特征；2月全国平均降水量为25.5 mm，较常年同期(16.3 mm)偏多56.4%，位列1981年以来历史第四位(图4c)。

图4 (a)2021年12月、2022年(b)1月和(c)2月全国降水量距平百分率分布

3 2021/2022年冬季北半球大尺度环流及东亚冬季风活动特征

3.1 北半球大尺度环流背景

2021/2022年冬季，AO维持正位相的时间超过2/3(图5c)，有利于乌拉尔山阻塞高压的偏弱(李崇银和顾薇，2010)，500 hPa高度场上乌拉尔山附近呈现负距平特征(图5a)；而鄂霍次克海阻塞高压则异常活跃，且高度场正距平中心向西延伸至贝加尔湖—巴尔喀什湖附近(图5a)，不利于东路冷空气南下，因此冬季影响我国的冷空气路径整体以偏西为主。青藏高原附近为高度场负距平中心(图5a)，从高原高度场指数逐候演变来看，整个冬季大约有2/3 的时间高原高度场维持在较常年同期偏低的状态(图5d)。东亚地区高度场整体呈现“北高南低”的距平分布(图5a)，环流经向度较大，有利于来自中高纬度地区的冷空气南下影响我国。低层风场上(图5b)，印度北部及孟加拉湾附近为明显的气旋式环流异常，冬季南支槽活动较为活跃，西南向水汽输送持续偏强；西北太平洋高度场整体呈现负距平为主的特征(图5a)，西太平洋副热带高压(以下简称副高)总体偏弱。持续的西南向水汽输送和不断南下的冷空气相结合是我国南方地区降水异常偏多的直接原因。

图5 2021/2022年冬季(a)平均500 hPa高度场(等值线，红色等值线为气候平均的5 880 gpm，下同)和距平场(填色),(b)700 hPa风场距平(风矢)，(c)AO指数和(d)高原高度场指数逐候演变

2021/2022年冬季大气环流具有显著的季节内变化特征：2021年12月至2022年1月(图6a)，欧亚中高纬地区以纬向型环流为主，乌拉尔山附近为高度场负距平，贝加尔湖—巴尔喀什湖及我国中东部大部分地区为高度场正距平，东亚大槽整体略偏弱，呈现较典型的冬季风偏弱的特征，不利于冷空气南下，我国大部地区气温较常年同期偏高。而2022年2月(图6b)，环流形势较前期发生明显变化，乌拉尔山附近高度场转为正距平，青藏高原高度场负距平进一步加强，贝加尔湖—巴尔喀什湖以南的东亚大部地区为高度场负距平所控制，东亚地区整体呈现“北高南低”的高度场异常分布，环流经向度明显加大，冷空气活跃且较为持续，我国大部地区气温较常年同期偏低。

图6 (a)2021年12月至2022年1月及(b)2022年2月平均500 hPa高度场(等值线,单位：gpm)和距平场(填色)

3.2 东亚冬季风活动特征

东亚冬季风标准化强度指数和西伯利亚高压标准化强度指数均显示2021/2022年冬季平均东亚冬季风较常年同期偏强(图7a,7b)，这与我国冬季气温整体偏低的特征很好对应。为了进一步分析冬季气候的阶段性变化特征，图7c和7d分别给出了东亚冬季风和西伯利亚高压强度指数的逐候演变，二者一致反映出东亚冬季风季节内“前弱后强”的阶段性特征。1月第5候之前，东亚冬季风整体持续偏弱，受其影响，全国平均气温在此期间也维持以偏暖为主的特征(图2d)；1月第5候之后，东亚冬季风转入持续偏强的状态，与之相对应，全国平均气温也从前期持续偏暖转为后期持续偏冷的状态(图2d)。总体而言，东亚冬季风阶段性特征与全国平均气温的季节内进程特征的反相关系异常清晰，充分显示出2021/2022年冬季东亚冬季风对我国冬季气温的直接和显著影响，这与前人的研究结果也是一致的(丁婷等，2017；章大全和宋文玲，2018；支蓉和高辉，2019；赵俊虎等，2020；韩荣青等，2021)。

图7 (a,b)1961/1962—2021/2022冬季标准化强度指数历年变化和(c,d)2021/2022年冬季强度指数逐候演变(a,c)东亚冬季风，(b,d)西伯利亚高压

4 2021/2022年冬季我国南方降水异常成因分析

2021/2022年冬季高原高度场持续偏低，南支槽活跃，使得我国南方地区水汽输送条件较好，降水偏多。图8a进一步给出了冬季高原高度场与降水的相关分布，可以看出高原高度场与我国西南和华南地区的降水呈现显著的负相关关系。有研究表明，AO长时间维持正位相，有利于出现南欧亚遥相关型的正位相(徐寒列等，2012；Li et al，2019)，表现为在欧洲西南部和阿拉伯海以及亚洲东北部为高度场正距平，而在中东和青藏高原地区为高度场负距平。该遥相关波列以副热带西风急流为波导传播，在AO正位相维持的情况下，200 hPa纬向风距平场上有一支由北大西洋指向阿拉伯海北部的波列(图8c)，中东急流偏强。图8b进一步给出了中东急流与降水的相关分布，可以看出，中东急流指数与我国南方地区降水呈现显著的正相关关系，表明中东急流偏强有利于我国南方地区降水偏多。有研究指出，中东急流偏强有利于冷空气从偏西路径影响青藏高原及我国南方地区，青藏高原至孟加拉湾附近高度场偏低，低层风场上呈现异常气旋式环流(图5b)，南支槽活跃，西南向水汽输送偏强，与不断南下的冷空气相结合，最终造成冬季我国南方地区降水异常偏多(Yang et al，2004；张自银等，2008；Wen et al，2009；倪东鸿等，2010a;2010b；Mao et al，2011；Yang，2011)。2008年1月我国南方发生持续性低温雨雪冰冻天气过程也与该遥相关波列密切相关(Wen et al，2009；徐寒列等，2012)。

5 结论与讨论

(1)2021/2022年冬季，全国平均气温较常年同期偏低；从气温距平的空间分布来看，整体呈现 “北暖南冷”的异常分布；从季节内进程来看，整体表现出“前冬暖、后冬冷”的阶段性变化特征。冬季我国南方地区降水量较常年同期明显偏多。

(2)2021/2022年冬季，AO长时间维持正位相，乌拉尔山阻塞高压偏弱，鄂霍次克海阻塞高压偏强，青藏高原附近高度场长时间维持负距平，导致东亚地区环流经向度较大，影响我国的冷空气路径以偏西为主，我国冬季气温偏低的区域主要集中在青藏高原、西南、华南、华中南部等地，整体呈现“北暖南冷”特征。环流具有显著的季节内变化特征，2021年12月至2022年1月，东亚中高纬地区以纬向型环流为主，西伯利亚高压偏弱，东亚冬季风偏弱，我国大部地区气温偏高；而2022年2月，环流形势较前期有明显变化，西伯利亚高压偏强，东亚冬季风偏强，东亚地区环流经向度明显加大，冷空气活跃且较为持续，我国大部地区气温较常年同期偏低。

近年来，中国冬季季节内气温变化的“冷-暖(暖-冷)急转”现象频繁发生，已有工作研究了中部型ENSO以及北极海冰等下垫面异常的影响，但这些影响机制并不能很好地解释2021/2022年中国冬季气温的阶段性特征，下垫面异常信号对东亚冬季风及我国冬季气温季节内变率的影响还需要在今后的研究中进一步深入探讨。

另一方面，本文的研究表明，2021/2022年冬季AO持续正位相，并通过副热带西风急流造成青藏高原高度场偏低，是我国南方地区降水偏多的重要原因，然而，AO影响我国冬季气候的途径不止一条，比如直接影响北半球高纬度环流、通过中东急流影响中纬度环流、影响准定常行星波等(Li et al，2019)，在冬季AO出现异常的情况下，如何预判优势的影响途径，目前的研究还相对较少，值得进一步探讨。