2023年3月大氣環(huán)流和天氣分析*

毛 旭 張 濤

國家氣象中心,北京 100081

提 要： 2023年3月主要環(huán)流特征是：極渦呈單極偏心型分布,強(qiáng)度偏強(qiáng);中高緯環(huán)流呈異常4波型,亞洲環(huán)流較平直,西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度較常年略偏弱,南支槽較常年偏西偏弱。我國大部地區(qū)顯著偏暖,全國平均氣溫為6.8℃,較常年同期偏高2.0℃,為1961年以來歷史同期第三高;全國平均降水量為26.5 mm,較常年同期(29.4 mm)偏少9.9%。月內(nèi)出現(xiàn)1次大范圍降水過程,并伴隨顯著強(qiáng)對流天氣,多個省份遭受風(fēng)雹襲擊;冷空氣總體較弱,僅出現(xiàn)2次明顯的全國性冷空氣過程;北方地區(qū)出現(xiàn)4次沙塵天氣過程,其中1次強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級別;華東、華中南部、華南及西南地區(qū)南部出現(xiàn)干旱。

引 言

2023年3月,全國平均氣溫為6.8℃,較常年同期(4.8℃)偏高2.0℃,全國平均降水量為26.5 mm,較常年同期(29.4 mm)偏少9.9%(國家氣候中心,2023)。月內(nèi),我國共發(fā)生1次大范圍降水過程,其中江南、華南等地出現(xiàn)2023年首次大范圍強(qiáng)對流天氣過程;2次全國性冷空氣過程,4次沙塵天氣過程影響北方地區(qū);華東、華中南部、華南等地氣象干旱露頭并階段性發(fā)展,西南地區(qū)南部氣象干旱持續(xù)。

1 天氣概況

1.1 降 水

2023年3月,全國平均降水量為26.5 mm,較常年同期(29.4 mm)偏少9.9%(國家氣候中心,2023)。從空間分布來看(圖1),江南、華南中東部等地降水量在100 mm以上,其中湖南東南部、江西南部、福建西南部、廣東北部等地降水量在200 mm以上;而東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、華北、新疆、西北地區(qū)中西部、西藏西部、西南地區(qū)大部等地,除內(nèi)蒙古北部、東北地區(qū)西北部、新疆北疆北部及伊犁河谷等地以外,其余地區(qū)降水量均不足10 mm。

圖1 2023年3月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation over China in March 2023 (unit： mm)

從降水距平場中可以看出,與常年同期相比,內(nèi)蒙古中部和西部、遼寧、北京、河北、山東、山西中部、陜西北部、甘肅中西部、青海北部、新疆南疆地區(qū)、西藏西部、云南中部、海南西部等地均偏少8成以上;而內(nèi)蒙古北部、新疆北疆地區(qū)、西北地區(qū)東南部、華南南部沿海等地降水量偏多5成以上,其中內(nèi)蒙古東北部、青海東南部、西藏中北部等地偏多1倍以上(圖2)。

圖2 2023年3月全國降水量距平百分率分布(單位：%)Fig.2 Spatial distribution of precipitation anomaly percentages over China in March 2023 (unit： %)

1.2 氣 溫

2023年3月,全國平均氣溫為6.8℃,較常年同期(4.8℃)偏高2.0℃,為1961年以來歷史同期第三高(國家氣候中心,2023)。從全國平均氣溫距平空間分布看(圖3),除西北地區(qū)中部、西藏、西南地區(qū)、華南中東部等地以外,全國其余大部地區(qū)氣溫偏高2℃以上,其中東北地區(qū)大部、華北東南部、黃淮東北部、新疆北疆地區(qū)等地的部分地區(qū)偏高4℃以上。

圖3 2023年3月全國平均氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of monthly mean temperature anomalies over China in March 2023 (unit： ℃)

2 環(huán)流特征

圖4為2023年3月北半球500 hPa平均位勢高度及距平的水平分布,與常年平均比較,3月北半球環(huán)流形勢有以下特點(diǎn)。

圖4 2023年3月北半球500 hPa(a)平均位勢高度場和(b)距平場(單位：dagpm)Fig.4 (a) Monthly averaged geopotential height and (b) monthly geopotential height anomaly at 500 hPa in the Northern Hemisphere in March 2023 (unit： dagpm)

2.1 極渦呈單極偏心型分布,強(qiáng)度偏強(qiáng)

3月,北半球極渦呈單極偏心型分布(圖4a),極渦略偏向亞洲北部一側(cè),位于拉普捷夫海西部地區(qū),中心強(qiáng)度低于496 dagpm。與歷史同期相比,極渦表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常,中心有16 dagpm以上的負(fù)距平,說明本月極渦較歷史同期顯著偏強(qiáng)(圖4b)。和往年同期(麥子和張濤,2022;關(guān)良等,2021)雙極型極渦相比,歐亞大陸極渦位置變化不大,強(qiáng)度明顯偏強(qiáng);而北美大陸極渦僅以一個低值中心的形式出現(xiàn),強(qiáng)度明顯偏弱。

2.2 中高緯環(huán)流異于常年呈四波型,副熱帶高壓較常年略偏弱

3月,北半球常年呈3波型(關(guān)良等,2021;周曉敏和張濤,2020;韓旭卿和張濤,2019),但從圖4a的月平均位勢高度場可以看出,2023年3月北半球中高緯500 hPa環(huán)流與去年同期(麥子和張濤,2022)情況相同,呈4波型分布。除常年的東歐槽、東亞槽與北美槽外,東北太平洋也存在一槽,在距平圖中有明顯的負(fù)距平與之對應(yīng)(圖4b)。從距平場看(圖4b),東歐槽位置偏東,位于波羅的海至大不列顛群島一帶,且強(qiáng)度偏強(qiáng),對應(yīng)有超過-10 dagpm的距平;烏拉爾山地區(qū)中部及偏北地區(qū)為負(fù)距平,僅南部地區(qū)為0～4 dagpm的正距平,這表明烏拉爾山脊偏弱,且由于受強(qiáng)大極渦壓迫不能向北強(qiáng)烈發(fā)展;此外,東亞槽60°N以北也存在較強(qiáng)的負(fù)距平,而其南部為較強(qiáng)正距平,說明東亞槽顯著偏淺偏弱,烏拉爾山高緯地區(qū)位于負(fù)距平區(qū)域,烏拉爾山脊也顯著偏弱,亞洲中高緯度環(huán)流較為平直。以上形勢導(dǎo)致西伯利亞冷空氣很少大規(guī)模南下影響我國,使得我國3月平均氣溫整體偏高。

低緯地區(qū)普遍表現(xiàn)為0～6 dagpm的正距平,南支槽與常年同期相比強(qiáng)度略強(qiáng),約有-2 dagpm左右的距平,但與常年位于90°E附近的南支槽相比,2023年其位置明顯偏西,不利于引導(dǎo)印度洋暖濕空氣北上影響我國;西太平洋副熱帶高壓較常年同期相比,位置略偏西、強(qiáng)度偏弱。這樣的配置導(dǎo)致影響我國3月水汽條件整體較弱,降水偏少,主要降水僅集中在江南南部、華南中東部等地。

2.3 環(huán)流演變與我國天氣

圖5給出了3月上、中、下旬歐亞地區(qū)500 hPa的旬平均位勢高度場。

圖5 2023年3月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬歐亞500 hPa平均位勢高度場(單位：dagpm)Fig.5 The averaged geopotential height at 500 hPa over Eurasia for the (a) first, (b) second and (c) third dekads in March 2023 (unit： dagpm)

3月上旬(圖5a),極渦明顯偏向于歐亞大陸北部,亞洲大部受龐大寬廣的大陸高壓脊控制,東亞大槽位于我國以東洋面上,經(jīng)向度不大,我國大部上旬平均氣溫顯著偏高,東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、華北東南部、黃淮、江南等地旬平均氣溫偏高6℃以上。南支槽位于70°E阿波羅海附近,與常年位于90°E孟加拉灣附近相比明顯偏西,不利于引導(dǎo)孟加拉灣的暖濕空氣向東北方向輸送,上旬我國降水明顯偏少,全國大部降水偏少8成及以上。龐大的大陸高壓脊和偏西的南支槽共同導(dǎo)致蒙古國和我國西北干旱和半干旱地區(qū)氣溫偏高、降水稀少,地表提早解凍而植被尚未生長,使得沙源地土質(zhì)疏松,為中下旬頻發(fā)的沙塵天氣提供了充足的沙塵源。

3月中旬(圖5b),環(huán)流形勢有所調(diào)整,隨著極渦逐漸北收,烏拉爾山脊開始出現(xiàn)并逐漸發(fā)展,在貝加爾湖地區(qū)出現(xiàn)短波槽,引導(dǎo)極地冷空南下,同時東亞槽北段有所加深,經(jīng)向度增加,影響我國的冷空氣趨于活躍,氣溫偏高的幅度逐步降低。此外,低緯南支槽位置與上旬相比略東移,位于印度半島附近,但位置仍然偏西,中旬我國降水略有增加,江南中北部旬累計降水量超過50 mm,但與常年同期相比仍然偏少。由于缺乏暖濕空氣的配合,頻繁的冷空氣帶來的是大風(fēng)降溫,而大風(fēng)天氣配合上旬解凍裸露的沙源地表,形成了多次沙塵天氣。

3月下旬(圖5c),極渦再次南下,東亞大槽強(qiáng)度有所減弱,位于蒙古國至我國東北地區(qū)、華北地區(qū),為一個寬而淺的槽區(qū)。槽后冷空氣頻繁影響我國,冷空氣大風(fēng)途徑裸露的沙源地時,裹挾了大量沙塵,隨系統(tǒng)東移,造成了西北地區(qū)、華北、東北地區(qū)和黃淮等地強(qiáng)烈的沙塵暴天氣。而低緯地區(qū)在旬平均高度場上,南支槽幾乎消失,旬內(nèi)整體降水偏弱,但22—26日南支槽出現(xiàn)一次明顯東移過程,引導(dǎo)西南暖濕氣流北上,與南下的冷空氣在江南、華南等地形成對峙形勢且時間較長,江南、華南等地出現(xiàn)2023年首次大范圍強(qiáng)對流過程,風(fēng)雹強(qiáng)度強(qiáng)而降水強(qiáng)度弱。

3 主要降水和強(qiáng)對流過程

3.1 概 況

3月我國主要降水過程有1次(表1),并伴隨1次明顯的強(qiáng)對流過程(表2)。此次過程為2023年首次區(qū)域性暴雨過程,也是首次大范圍強(qiáng)對流天氣過程,下文具體分析此次過程。

表1 2023年3月主要降水過程Table 1 Main precipitation processes in March 2023

表2 2023年3月主要強(qiáng)對流過程Table 2 Main convective weather processes in March 2023

3.2 強(qiáng)降水及強(qiáng)對流過程分析

3月20—25日,受南支槽東移、低層切變線東移發(fā)展和低空急流的影響,我國南方地區(qū)自西向東出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水及強(qiáng)對流天氣過程,廣東、廣西、湖南、江西、浙江、福建、安徽等7個省(自治區(qū))先后出現(xiàn)較強(qiáng)降雨(表1),此次降水過程持續(xù)了5天,具有涉及范圍廣、持續(xù)時間長、累計降水量大等特點(diǎn),彌補(bǔ)了華南地區(qū)前期降雨不足,有利于蓄水和緩解氣象干旱。

此次降水過程還伴隨明顯的強(qiáng)對流天氣,屬于春季典型南方地區(qū)大范圍強(qiáng)對流過程,雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水、冰雹等特點(diǎn)較為突出,在過去3年春季對流活動顯著偏弱偏少的背景下,為近年來同期最強(qiáng)過程,具有影響范圍廣、局地風(fēng)雹強(qiáng)的特點(diǎn)。此次過程(表2)南方大部地區(qū)出現(xiàn)雷暴天氣,浙江、福建、江西、湖南、廣西、廣東等地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水;湖南南部、江西東南部、浙江中南部和東部、福建中部和西南部、廣東北部等多地出現(xiàn)8～10級雷暴大風(fēng),局地風(fēng)力達(dá)11～12級;此外,江西、浙江、福建、廣西、廣東多地出現(xiàn)冰雹天氣。

21日我國南部沿海的暖濕空氣隨逐步建立的低層偏南急流向東北方向爬升,在斜升過程中水汽逐漸飽和,江南、華南等地500 hPa高度場較為平直,配合700 hPa偏西風(fēng)急流、850 hPa西南風(fēng)急流,在江蘇南部、安徽南部、湖北東南部、浙江、江西北部等地觸發(fā)高架對流,并在上述地區(qū)引發(fā)雷暴和短時強(qiáng)降水天氣。

22日隨著北方冷空氣的逐漸南下,500 hPa等高線經(jīng)向度增強(qiáng)(圖6a),冷暖空氣對峙形勢建立,低層輻合增強(qiáng),在低層西南急流的作用下,江南等地濕度條件改善(圖6b),斜升的暖濕空氣在江南等地達(dá)到飽和,此外配合顯著的垂直風(fēng)切變條件,線狀對流在地面鋒區(qū)附近發(fā)生發(fā)展,江西北部和南部、安徽南部、浙江中南部等地的部分地區(qū)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水天氣,小時降水量達(dá)20～50 mm,其中浙江中南部、江西南部局地出現(xiàn)8～9級雷暴大風(fēng)。

圖6 2023年3月22日14時(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)、850 hPa 風(fēng)場(風(fēng)羽)和整層可降水量(陰影),(b)最有利抬升指數(shù)(等值線,單位：℃)、500 hPa與1000 hPa垂直風(fēng)切變(風(fēng)羽)和850 hPa比濕(陰影)Fig.6 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit： dagpm), 850 hPa winds (barb) and the vertically-integrated precipitable water (shaded) and (b) the best lifting index (contour, unit：℃), vertical wind shear (barb) between 500 hPa and 1000 hPa, and 850 hPa specific humidity (shaded) at 14：00 BT 22 March 2023

23日上午至前半夜為強(qiáng)對流天氣最強(qiáng)時段。從23日14時500 hPa高度場來看(圖7a),南支槽東移加深;配合850 hPa切變線繼續(xù)南壓;同時從最有利抬升指數(shù)(BLI)可以看出(圖7b),華南沿海地區(qū)具有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定條件。低層西南氣流攜帶著不穩(wěn)定能量向東北方向爬升,斜升至850～700 hPa高度在江南、華南東部等地達(dá)到自由對流高度,與此同時,高空冷空氣繼續(xù)南下,500 hPa溫度槽逐漸東移南壓,在江南等地出現(xiàn)顯著的溫度鋒區(qū),冷暖空氣強(qiáng)烈對峙,與圖7b中BLI梯度區(qū)相對應(yīng),不穩(wěn)定條件增強(qiáng)。23日上午對流在福建西北部至江西南部一帶發(fā)展,以短時強(qiáng)降水為主;而后東移南壓,在福建至廣東一帶與攜帶強(qiáng)烈不穩(wěn)定能量的低空急流相遇,對流強(qiáng)烈發(fā)展,在顯著的垂直風(fēng)切變下(圖7b),對流組織化程度高,疊加強(qiáng)降水帶來的拖曳作用,福建東部沿海地區(qū)出現(xiàn)12級以上極端雷暴大風(fēng)。

圖7 2023年3月23日14時(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)、850 hPa 風(fēng)場(風(fēng)羽)和整層可降水量(陰影)和(b)最有利抬升指數(shù)(等值線,單位：℃)、500 hPa與1000 hPa垂直風(fēng)切變(風(fēng)羽)和850 hPa比濕(陰影)Fig.7 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit： dagpm), 850 hPa winds (barb) and the vertically-integrated precipitable water (shaded) and (b) the best lifting index (contour, unit：℃), vertical wind shear (barb) between 500 hPa and 1000 hPa, and 850 hPa specific humidity (shaded) at 14：00 BT 23 March 2023

23日20時,南支槽東移至100°E附近,鋒面位于江南南部至華南北部,華南等地仍具有較好的不穩(wěn)定能量,廣西出現(xiàn)顯著的BLI負(fù)值中心,整層可降水量超過50 mm,0～3 km風(fēng)垂直切變顯著,傍晚至前半夜廣西北部出現(xiàn)多個對流單體,局地小時降水量達(dá)20～50 mm,并伴隨8～9級雷暴大風(fēng)和冰雹天氣。

4 冷空氣和沙塵活動

4.1 冷空氣過程

2023年3月,全國性冷空氣過程主要有2次(表3),分別發(fā)生在10—13日和15—17日,兩次冷空氣過程都是全國中等強(qiáng)度冷空氣過程。第一次冷空氣過程強(qiáng)度略強(qiáng),影響范圍更廣,并且由于前期溫度較高,此次過程造成我國中東部最大降溫幅度普遍超過8℃,其中內(nèi)蒙古中東部、東北地區(qū)中部、華北東部等地部分地區(qū)降溫超過14℃。

表3 2023年3月主要冷空氣過程Table 3 Main cold front processes in March 2023

第二次冷空氣過程影響范圍較小。由于3月中下旬環(huán)流形勢調(diào)整,南支槽逐漸東移,我國水汽條件有所改善,此次冷空氣過程伴隨著明顯的雨雪天氣,其中河南西部出現(xiàn)大到暴雪、局部大暴雪,部分縣(市)過程積雪深度普遍在5 cm以上,嵩縣站最大深度達(dá)26 cm,積雪深度破歷史極值(國家氣候中心,2023)。

4.2 沙塵天氣過程

3月主要有4次沙塵過程影響北方地區(qū)(表4),分別發(fā)生在3月7日、9—12日、13—15日、19—24日,其中19—24日過程達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級別。受蒙古氣旋和地面冷鋒影響, 19—24日北方地區(qū)出現(xiàn)2023年以來強(qiáng)度最強(qiáng)、影響范圍最廣的沙塵過程,造成內(nèi)蒙古、西北地區(qū)、華北、東北地區(qū)中南部等60多個城市的空氣質(zhì)量先后達(dá)到重度及以上污染。

表4 2023年3月主要沙塵天氣過程Table 4 Main sand-dust weather processes in March 2023

4.3 3月19—24日強(qiáng)沙塵暴過程分析

此次沙塵過程是2023年以來強(qiáng)度最強(qiáng)、影響范圍最廣的一次過程,強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)沙塵暴級別,影響面積超過485萬km2,覆蓋20個省(自治區(qū)、直轄市)。19日,沙塵開始影響新疆;20—21日,自西向東影響甘肅、青海北部、內(nèi)蒙古中西部、寧夏、陜西中北部、山西;22日,沙塵主體影響內(nèi)蒙古中東部、河北、北京、天津、黑龍江、吉林、遼寧、山東、河南等地;23日沙塵向南傳輸至湖北、安徽、江蘇、上海、浙江北部。過程強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)沙塵暴等級,為2000年以來3月第三強(qiáng)(表4)。

前期,蒙古國、我國內(nèi)蒙古中西部和西北地區(qū)等地戈壁荒漠地區(qū)受弱西北氣流影響,冷空氣弱、少雨多晴日,有利于太陽輻射積溫,氣溫較常年同期顯著偏高,進(jìn)而地表土壤解凍、松動,為后續(xù)強(qiáng)沙塵暴過程的發(fā)生創(chuàng)造了有利起沙條件。

21日08時(圖8a),隨500 hPa高空槽的快速東移加深,蒙古國西南部、內(nèi)蒙古西部等地高空從暖平流轉(zhuǎn)為強(qiáng)烈的冷平流,同時槽前地面蒙古氣旋強(qiáng)度顯著增強(qiáng)、東移并向南發(fā)展,逐漸逼近我國內(nèi)蒙古地區(qū)。從圖9a可以看出,22日08時高空槽持續(xù)東移,在蒙古國東部至我國內(nèi)蒙古東北部地區(qū)出現(xiàn)切斷低壓,等壓線密集程度顯著增強(qiáng),與前一日相比850 hPa降溫劇烈,風(fēng)速超過20 m·s-1(圖9b)。大股冷空氣在蒙古氣旋后部大舉南下,我國北方大部地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,內(nèi)蒙古東部、黑龍江西南部、河北北部、北京西部陣風(fēng)達(dá)9～10級,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟、赤峰市、興安盟等地陣風(fēng)達(dá)11～12級。大風(fēng)為沙源區(qū)本地起沙和向下游遠(yuǎn)距離傳輸沙塵提供了有利的動力條件,強(qiáng)烈的大風(fēng)卷起沙塵通過高空輸送南下東移,在我國東北地區(qū)、華北、西北地區(qū)以及黃淮、江淮地區(qū)沉降形成沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵等天氣。

圖8 2023年3月21日08時(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)、海平面氣壓(陰影)和(b)850 hPa溫度場(等值線,單位：℃)、風(fēng)場(風(fēng)羽)Fig.8 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit： dagpm) with SLP (shaded) and (b) the 850 hPa temperature (contour, unit： ℃) and winds (barb) at 08：00 BT 21 March 2023

圖9 2023年3月22日08時(a)500 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)、海平面氣壓(陰影)和(b)850 hPa溫度場(等值線,單位：℃)、風(fēng)場(風(fēng)羽)Fig.9 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit： dagpm) with SLP (shaded) and (b) the 850 hPa temperature (contour, unit： ℃) and winds (barb) at 08：00 BT 22 March 2023

5 其他災(zāi)害性天氣——干旱

3月上中旬,隨著冷空氣活動減弱,華東、華中南部、華南等地氣溫快速回升,降水較常年同期偏少8成以上,上述地區(qū)自8日以來,氣象干旱露頭并快速發(fā)展,16日中等及以上氣象干旱影響面積達(dá)到最大,受下半月降水影響上述地區(qū)干旱得到緩解。3月中旬,四川和貴州出現(xiàn)明顯降水,當(dāng)?shù)馗珊档玫讲煌潭染徍突蚓徑?而云南由于持續(xù)溫高雨少,氣象干旱持續(xù)。截至月底,山東、安徽中西部、湖北東南部、四川南部部分地區(qū)、云南大部等地存在中等及以上氣象干旱,局部特旱。干旱對云南、山東、廣東、廣西等地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們生活造成不利影響,部分城市存在供水安全風(fēng)險。由于2月中下旬以來鄱陽湖降水偏少明顯,水位持續(xù)走低, 6日,鄱陽湖星子站水位為6.99 m,僅高于歷史最低水位0.53 m。廣西桂林漓江水位持續(xù)走低,18—25日對旅游客船實(shí)施交通管制(國家氣候中心,2023)。

致謝：感謝國家氣象中心預(yù)報系統(tǒng)開放實(shí)驗(yàn)室宋文彬?yàn)楸疚奶峁┰陆邓俊⒔邓嗥桨俜致屎蜏囟染嗥劫Y料。