2023年夏季我国气候异常特征及成因分析*

支 蓉 高 辉 孙 冷

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：2023年夏季,我国气候特征整体表现为“温高雨少”,区域性、阶段性高温、旱涝等气象灾害明显。降水的空间分布差异显著,主要多雨区位于我国北方,松花江、海河流域出现严重汛情。生成和登陆台风频数均较常年同期偏少,但北上台风却对京津冀等地造成极其严重的雨涝灾害。2023年夏季我国气温为1961年以来历史次高,北方地区暖异常明显,华北、西北等地区阶段性高温热浪尤为突出。华北、东北地区降水偏多是由不同环流系统造成的。其中,华北南部降水异常偏多主要由7月底至8月初一次极为罕见的天气尺度持续性极端降水过程所致,台风杜苏芮和卡努外围环流与异常偏西、偏北的西太平洋副热带高压相配合,再加上太行山东麓的地形效应是其主要原因。盛夏东北东部异常偏南风引导的水汽输送在整个对流层都异常偏强,造成东北北部和东部降水明显偏多,这一异常环流与初夏巴伦支海海冰密集度减小及盛夏西北太平洋海温异常偏暖均有一定关联。

引 言

我国是全球旱涝、高温、台风等气象灾害最频发的国家之一。统计表明,气象灾害经济损失占我国所有自然灾害损失比例可高达七成以上(郑国光,2019),其中干旱和洪涝分别列为前两位。夏季是我国大部地区一年中降水最强、气温最高的时段,夏季气候异常易导致严重的旱涝、高温等组合及衍生灾害(李维京,1999;张庆云等,2003b;黄荣辉等,2006;李永华等,2009;丁一汇,2013;刘芸芸等,2021;赵俊虎等,2022;章大全等,2023)。全球变暖背景下,极端天气气候事件发生更为频繁(Donat et al,2016),我国的气象灾害也呈明显上升趋势(IPCC,2021),这对人民生命财产安全和社会经济发展都造成了严重影响。夏季旱涝灾害的程度直接决定着当年的社会经济发展和防灾减灾决策部署。因此,深入认识我国夏季气候异常成因,对进一步提高短期气候预测准确率及国家防灾减灾等均具有重要意义。

我国地处东亚季风区,是全球季风气候特征最显著的区域之一,我国的夏季气候特征与东亚夏季风系统中的各环流成员直接相关(张庆云等,2003a;Enomoto et al,2003;孙林海等,2005;丁一汇等,2007)。Zhang et al(1999)、张顺利和陶诗言(2001)、Shi et al(2002)、Ashok et al(2007)、陈丽娟等(2013)、He et al(2018)和Han et al(2021)研究表明,东亚夏季风系统受到三大洋海温异常、欧亚和高原积雪以及北极海冰等诸多外强迫因子的显著影响,因此这些外强迫信号的异常及其气候影响机制往往成为短期气候预测中最重要的预测信号来源。但由于外强迫信号对东亚夏季风系统的影响存在显著的年代际变化等,再加上东亚夏季风系统各环流因子之间存在复杂的、非线性的相互作用,导致我国夏季气候异常成为多尺度、多因子协同作用下的最终表现,给预测带来了巨大挑战。

2023年夏季,我国气候总体“温高雨少”,全国平均降水量较常年略偏少且旱涝分布不均,主要多雨区位于东北和华北等地,这些地区暴雨过程频繁,尤其是盛夏强降水引发严重洪涝灾害,出现明显旱涝急转,海河和松花江流域出现重大汛情。夏季台风生成和登陆个数少,但破坏力强,“杜苏芮”和“卡努”导致严重洪涝灾害。全国大部地区气温偏高,其中北方地区的暖异常相对更为明显,华北、西北等地区阶段性高温现象尤为突出,而长江流域的高温日数与2022年夏季相比则明显偏少。此外,短时强降雨、雷暴、风雹、龙卷等灾害多点散发,致灾性强。本文首先回顾了2023年夏季我国气候异常基本特征,并分析导致我国华北和东北降水偏多的不同环流因子及可能的外强迫信号源,以期为今后汛期预测业务工作提供参考。

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)”中的逐日气温和降水观测资料。该数据集包含了中国2474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(任芝花等,2012);(2)美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)发布的大气环流再分析资料(Kalnay et al,1996;Kistler et al,2001),其水平分辨率为2.5°×2.5°;(3)美国国家海洋与大气局(NOAA)发布的全球逐月海温资料和高分辨率海冰密集度资料(Reynolds et al,2007),其水平分辨率分别为2°×2°、0.25°×0.25°。

本文东亚夏季风指数采用张庆云等(2003a)定义的指标,即东亚热带季风槽区(10°～20°N、100°～150°E)与东亚副热带地区(25°～35°N、100°～150°E)6—8月平均850 hPa纬向风的距平差。西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)指数采用刘芸芸等(2012)定义的指标。部分图形和海温指数来源于国家气候中心开发并在气候业务中长期应用的“气象灾害影响评估系统”和“气候与气候变化监测预测系统”。本文冬季为前一年12月至当年2月,春季为3—5月,夏季为6—8月,气候态为1991—2020年平均。

2 2023年夏季我国气候异常特征

2.1 降水情况

2023年夏季,全国平均降水量为319.9 mm,较常年同期(331.5 mm)偏少3.5%,但较2022年同期明显增多(图1a)。从空间分布特征(图1b)来看,我国中东部降水整体呈“北多南少”的分布格局,降水明显偏多的区域主要集中在东北、华北等地区,其中松花江流域降水量为433.6 mm,较常年同期(344.8 mm)偏多25.8%,为1961年以来历史同期第五多;海河流域降水量为422.4 mm,较常年同期(334.6 mm)偏多26.2%。我国中东部其余地区降水则接近常年同期或略偏少。我国西部地区的降水异常空间分布特征则与中东部地区近似相反,整体呈相对“北少南多”的形势,西藏东部及西南等地降水接近常年同期或略偏多,新疆及西北地区大部降水则较常年同期明显偏少。其中新疆降水量为42.5 mm,较常年同期(73.0 mm)偏少41.8%,为1961年以来历史同期最少;宁夏降水量为98.3 mm,较常年同期(166.6 mm)偏少41.0%,为同时段历史第五少。

图1 (a)1961—2023年夏季全国平均降水量距平百分率历年变化;2023年夏季全国(b)降水量距平百分率及(c)极端日降水量事件站点分布

2023年夏季,我国降水的极端性特征较为明显(图1c)。全国有220个国家级气象站日降水量达到极端事件监测标准,主要分布在东北、华北东部、华东北部、西北地区东部、西南地区东部等地。其中有43个国家级气象站日降水量达到或突破历史极值,主要集中在华北地区中部、西北地区东部、西南地区东北部等地。

2023年夏季,我国降水表现出“前少后多”阶段性特征(图2a)。6月全国平均降水量为87.0 mm,较常年同期(102.7 mm)偏少15.3%。此后降水量由偏少逐步转为偏多,7月全国平均降水量为122.0 mm,接近常年同期(121.7 mm)。8月全国平均降水量为110.9 mm,较常年同期(107.1 mm)偏多3.5%。从空间分布特征来看,6月(图2b)我国降水整体呈“北少南多”的异常分布,降水偏多的区域主要集中在黄河以南,区域特征较为分散,强度整体较弱。7月(图2c)开始,我国中东部地区主要雨带发生明显北抬,降水偏多的区域主要集中在长江以北,整体呈“北多南少”的异常分布,东北地区中部和南部、华北东部、长江下游梅雨区东部等地区降水较常年同期偏多5成以上,局部偏多超过1倍。8月(图2d)降水偏多的范围较前期有所扩大,我国中东部的雨带分布整体维持与7月相近的特征,主要多雨区依旧位于东北、华北等地区,中心强度略有减弱。但在长江以南,尤其是西南地区,降水明显增强,西南地区大部、华南西部等地区降水偏多2成以上。此外,西藏东部、青海东部等地区降水也较常年同期明显偏多。

图2 2023年(a)夏季逐月全国面积加权平均的降水量距平百分率,(b)6月、(c)7月、(d)8月全国降水量距平百分率分布

2.2 我国东部季风区雨季进程特征

2023年,南海夏季风于5月第3候爆发,较常年同期(5月第4候)略偏早。我国东部雨季进程表现出明显的转折性变化特征,从前期季节进程偏早、强度偏弱转为后期进程偏晚、强度偏强。表1给出了2023年汛期我国东部季风区雨季进程的主要监测结果。华南前汛期开始时间较常年同期偏早14 d,结束时间偏早6 d,雨期偏长8 d,但累计降水量偏少14.3%。3个梅雨监测区雨季进程均略偏晚。其中江南梅雨开始时间较常年同期偏晚7 d,结束时间偏早8 d,雨期仅16 d,约为常年同期一半,累计降水量明显偏少达50.2%。长江中下游梅雨开始时间较常年同期偏晚2 d,结束时间偏晚8 d,雨期偏长6 d,累计降水量偏多14.6%。江淮梅雨开始时间较常年同期偏晚2 d,结束时间偏晚11 d,雨期偏长9 d,累计降水量偏多13.0%。华北雨季开始时间较常年同期偏晚4 d,结束偏早2 d,雨期偏短6 d,累计降水量偏多14.3%。

表1 2023年汛期我国东部雨季进程

2.3 我国气温异常特征

2023年夏季,全国平均气温为22.0℃,较常年同期(21.2℃)偏高0.8℃,位列1961年以来历史第二位,仅次于2022年同期(图3a)。从空间分布特征(图3b)来看,全国大部地区气温接近常年同期或偏高,整体呈相对“北高南低”的形势,华北东部、华东北部、内蒙古西部、西北地区北部、新疆大部等地区偏高1～2℃,局部偏高达2～4℃。此外,夏季我国高温日数也表现出明显的区域性特征(图3c)。华北东部及周边地区高温日数异常偏多。以津京冀鲁为例,2023年夏季高温日数为22.6 d,较常年同期(9.5 d)偏多137.9%,位列1961年以来历史第一位;此外,内蒙古西部及新疆等地区高温日数也异常偏多。以新疆为例,2023年夏季高温日数为26.7 d,较常年同期(15.5 d)偏多72.3%,同样位列1961年以来历史第一位;上述两个区域高温日数的极端性和其夏季平均气温的明显偏高特征一致。此外,华南中西部、华中东南部、西南地区东部等地区高温日数也较常年同期偏多。但与2022年夏季相比,长江流域的高温日数则明显偏少(章大全等,2023)。

图3 (a)1961—2023年夏季全国平均气温距平历年变化;2023年夏季全国(b)平均气温距平及(c)高温(日最高气温≥35℃)日数距平分布

此外,2023年夏季西北太平洋和南海海域共有10个热带气旋生成,较常年同期(11个)略偏少,其中有2个登陆我国(分别为2304号台风泰利和2305号台风杜苏芮),较常年同期(4.8个)明显偏少。

3 2023年夏季东北华北降水偏多成因分析

3.1 季节平均的大尺度环流背景

注:图b中红色等值线表示气候平均5880 gpm。

3.2 京津冀盛夏降水异常偏多的成因

2023年夏季,我国中东部主要多雨区位于东北、华北等地区,但二者的异常成因并不相同。对华北南部地区而言,7月底至8月初的台风外围环流和西太副高的配置起到了最为直接的贡献。7月28日,5号台风杜苏芮以强台风强度登陆福建,此后一路北上,受其残余环流的影响,7月29日至8月1日,京津冀地区发生了一次罕见的极端暴雨过程(图5a),4 d过程累计降水量为178.1 mm,较常年同期(23.7 mm)偏多651.5%,超过京津冀地区夏季降水常年值(338.7 mm)的一半。图5b给出了京津冀地区6月1日至8月31日累计降水曲线及气候态。可以看出,6月1日至7月28日,京津冀累计降水量为149.6 mm,较常年同期偏少26%,但随着台风影响下极端降水过程的展开,截至7月30日累计降水已超过对应气候态的21%,至7月31日超过40%。若使用逐日降水量气候态代替本次极端降水过程,则截至8月31日京津冀累计降水量都位于气候态之下(图略)。

图5 京津冀地区2023年(a)7月29日至8月1日累计降水量空间分布,(b)6月1日至8月31日累计降水曲线及气候态

本次极端暴雨过程具有典型的天气学成因。图6给出了7月29日至8月1日平均500 hPa位势高度场和850 hPa风场。可以看出,西太副高明显西伸北抬,形成一个控制在华北北部上空的高压坝。当台风杜苏芮残涡北上时,受该高压坝阻挡停滞,同时伴有台风卡努水汽的协同作用,使得低层强盛的东南风急流源源不断向华北地区输送水汽,暴雨区南边界和东边界均为水汽净流入(张芳华等,2023)。同时,地形作用也是本次极端暴雨过程的主要原因之一(杨晓亮等,2023)。水汽输送在太行山东麓强迫抬升,形成强水汽辐合和垂直输送中心,并稳定维持。

注:红、蓝等值线分别为本次过程及气候态5880 gpm线。

由于2023年夏季华北南部降水异常偏多主要是本次天气过程所致,天气学角度的成因诊断本文在此不作详细分析。

3.3 黑龙江吉林盛夏降水异常偏多的成因

从图1可以看出,2023年夏季东北大部降水明显偏多,黑龙江和吉林尤为显著。统计表明,夏季两个省平均降水量为449 mm,较常年同期偏多23%,其中盛夏降水偏多32%,均位列1961年以来历史第四位。因此本文主要分析盛夏时段黑龙江和吉林两个省降水异常偏多的成因。

前文分析指出,2023年夏季西太副高整体略偏北。传统的统计模型表明,当西太副高偏北时,华北和东北南部易多雨(赵振国,1999)。但对比图1b可知,2023年夏季华北北部和辽宁降水并非偏多。事实上,副高仅8月偏北明显,6—7月均接近正常(图4e)。盛夏东北北部和东部降水明显偏多的直接原因是经向水汽输送异常强大,这一特征从图4c可以看出。在东北上空有一个异常明显的气旋式距平环流中心,对应于冷涡较强,冷涡东侧为很强的南风水汽输送。对东北地区而言,强的南风水汽输送是其多雨最直接的原因(Gao and Gao,2018;Xu et al,2023)。图7a给出了1981—2023年盛夏(35°～45°N、125°～140°E)区域平均的850 hPa经向风距平。可以看出,2023年经向风速为1981年以来最强。事实上,2023年盛夏东北东侧异常偏强的水汽输送并非仅仅出现在对流层低层。图7b给出了1000～100 hPa沿125°～140°E平均经向风和距平垂直-纬度剖面图,可以看到强南风及南风距平中心位于对流层中高层。从距平看,850～200 hPa均为正距平中心。这表明,2023年盛夏东北东侧的强南风水汽输送位于整个对流层,也即整层水汽输送强盛,造成了黑龙江和吉林显著多雨。

图7 (a)1981—2023年逐年盛夏(35°～45°N、125°～140°E)区域平均850 hPa经向风距平,(b)2023年盛夏125°～140°E平均经向风(等值线,单位:m·s-1)及距平(填色)垂直剖面

经向水汽输送的异常强大与位于朝鲜半岛及以东、西太副高主体北侧的异常强的高度场正距平中心,即小笠原高压(Enomoto et al,2003)有密切关联。统计表明,2023年盛夏(35°～50°N、140°～170°E)区域的位势高度场亦极为强盛,为1981年以来历史第二强,仅次于2016年。研究表明,小笠原高压具有相当的正压结构,贯穿整个对流层(Enomoto et al,2003),与对流层中层的高压中心相对应,在对流层低层日本海及以东地区出现了明显的反气旋式环流异常。在其引导下,源自西北太平洋的丰沛水汽源源不断输送至我国东北地区,给该地区降水异常偏多创造了有利条件。

已有研究发现,初夏巴伦支海海冰密集度减小造成的近地表异常热力条件往往会激发巴伦支海地区的异常上升运动,从而引发经向翻转环流,以波列的形式延伸到中纬度地区;该波列向南传播,并在里海上空形成异常下沉运动,进一步诱发纬向翻转环流,表现出东西向的波列,即丝绸之路遥相关型。丝绸之路遥相关型沿副热带急流向东传播至东亚,并在朝鲜半岛至日本上空附近引起反气旋式环流异常,即小笠原高压(Enomoto et al,2003;He et al,2018;Han et al,2021)。由图8可见,2023年6月,巴伦支海海冰密集度较常年同期明显偏低,70°～90°N、0°～60°E区域平均标准化海冰密集度指数为-1.14。2023年夏季,欧亚中纬度地区200 hPa经向风距平场呈现清晰的南风和北风交错分布的结构,里海北部、巴尔喀什湖、贝加尔湖以南、朝鲜半岛以北分别为“-+-+”的经向风异常,这与丝绸之路遥相关型负位相的典型模态基本相符。因此,2023年初夏巴伦支海海冰密集度明显偏低,通过热力作用激发丝绸之路遥相关型负位相,进而造成其下游小笠原高压的显著增强,是导致盛夏我国东北降水异常偏多的重要原因。

图8 1982—2023年6月巴伦支海海冰密集度标准化序列

另一方面,局地下垫面海温热力作用也是日本海东部位势高度异常偏强的原因之一。盛夏全球海温监测结果表明,2023年7—8月在北太平洋地区均为海温正距平,其中在北太平洋西侧也即黑潮及其延伸体地区为超过1℃的正距平中心。在上述位势高度正距平区,即35°～50°N、140°～170°E区域下方,区域平均盛夏海温距平为1.8℃,是1981年以来最高值。暖海温的热力效应使得对流层热力膨胀,加强了位势高度场的同时,也增强了正位势高度中心西侧的南风分量。这可能是2023年盛夏东北东部经向水汽输送异常偏强进而导致黑龙江和吉林显著多雨的另一个原因。

4 结论与讨论

2023年夏季,全国平均降水量较常年同期略偏少,但较2022年同期明显增多。空间上我国中东部降水整体呈“北多南少”的分布格局,降水明显偏多的区域主要集中在东北和华北等地区,其中松花江、海河流域汛情严重;西北地区大部降水明显偏少,其中新疆降水量为1961年以来历史最少。季节进程上,降水表现出“前少后多”的阶段性特征,本文详细提供了我国东部季风区雨季进程起讫时间和强度的精细化特征。2023年夏季,全国平均气温位列1961年以来历史第二位,仅次于2022年同期,北方高温日数异常偏多,京津冀鲁较常年偏多1倍以上,内蒙古西部及新疆等地高温日数也超过常年值的7成,上述地区均打破各自高温历史纪录。

2023年夏季,东亚副热带夏季风强度较常年略偏强,500 hPa位势高度距平场上欧亚中高纬整体呈“两槽一脊”的分布型,环流经向度较小,有利于我国大部气温偏高,尤其是北方地区。夏季西太副高偏强、偏西,南北位置在6—7月接近常年,8月偏北显著。但对流层低层从菲律宾以东—东海—黄海区域整体表现为异常气旋式距平环流,与对流层中层的位势高度异常特征并不完全匹配,我国东部地区受气旋式环流西侧异常偏北风的影响,整体的水汽输送及辐合条件较差,不利于夏季降水偏多,尤其是长江中下游以南地区。

2023年夏季华北南部降水异常偏多的原因主要是7月底至8月初的双台风外围环流和副高异常形态相配合所致。这一时期副高明显西伸北抬,形成一个控制在华北北部上空的高压坝。当台风杜苏芮残涡北上时,受该高压坝阻挡停滞,同时伴有台风卡努水汽的协同作用,使得低层强盛的东南风急流源源不断向华北地区输送水汽,同时太行山东麓地形也造成强迫抬升,形成强水汽辐合和垂直输送中心,并稳定维持。

东北北部和东部盛夏降水明显偏多的直接原因则是东北东侧经向水汽输送在整个对流层都异常强大。盛夏35°～45°N、125°～140°E区域平均的850 hPa 经向风距平为1981年以来最强,这和盛夏位于朝鲜半岛及以东、西太副高主体北侧异常强的小笠原高压密切相关,小笠原高压具有相当的正压结构,贯穿整个对流层。其异常偏强一方面可能与初夏巴伦支海海冰密集度减小有关,该地区海冰的减少可以通过丝绸之路遥相关波列沿副热带急流向东传播至东亚,并在朝鲜半岛至日本上空附近引起反气旋式环流异常;另一方面,黑潮区附近局地的下垫面海温热力作用也为1981年以来最高值,通过热力膨胀加强上空位势高度场的同时增强了正位势距平高度中心西侧的南风分量。

2023年夏季,我国中东部地区雨型分布并不具有传统的雨型特征,与前人研究中提出的三类或四类雨型(赵振国,1999;孙林海等,2005)均存在着较大差异。一般情况下,华北地区降水偏多,则往往长江中下游降水偏少,华南降水偏多,自北向南形成“+-+”的三极子型降水模态。但2023年夏季,华北南部降水偏多明显,长江中下游部分地区也同样偏多达2～5成,而华南地区降水偏少,这与传统雨带分布特征和规律认知不符。实际上,在今年的汛期降水预测中,多个传统预测信号对汛期降水的指示意义均与实况出现了较大偏差,例如无论是冬季的三峰拉尼娜事件还是夏季的暖海温快速发展、北大西洋三极子负位相等,其影响均和历史资料统计不符,这对传统的物理统计预测模型提出了很大的挑战,也表明需要进一步加强对全球变暖背景下传统汛期降水影响因子及影响途径新变化开展深入分析。