2023年春季我國(guó)氣候異常特征及成因分析*

龔振淞 丁 婷

國(guó)家氣候中心,中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

提 要：2023年春季(3—5月),全國(guó)平均氣溫為11.5℃,為1961年以來(lái)歷史同期第七高。除新疆、西北地區(qū)西部、西藏等地氣溫偏低外,我國(guó)大部分地區(qū)氣溫均偏高。全國(guó)平均降水量為132.7 mm,較常年同期偏少7.4%。降水呈現(xiàn)“北多南少”的特征,華北、黃淮及青藏高原等地降水偏多,東北、江南東部、華南和西南地區(qū)降水顯著偏少。在對(duì)流層中層,春季亞歐中高緯度呈現(xiàn)“兩脊一槽”分布,烏拉爾山地區(qū)為正高度距平中心,貝加爾湖至巴爾喀什湖為高度場(chǎng)負(fù)距平中心,而東北亞上空為位勢(shì)高度場(chǎng)正異常;西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度較常年偏弱;在對(duì)流層低層,熱帶西太平洋地區(qū)維持異常氣旋性環(huán)流,其以北則為異常反氣旋性環(huán)流。2023年春季東北亞高壓脊指數(shù)為1.7,超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差,為1961年以來(lái)第四強(qiáng),其異常偏強(qiáng)有利于我國(guó)北方降水偏多。長(zhǎng)江以北地區(qū)受反氣旋環(huán)流影響,異常偏東南風(fēng)強(qiáng)盛,有利于將西北太平洋的暖濕水汽輸送至我國(guó)北方地區(qū)。赤道中東太平洋自2021年9月開(kāi)始一次弱事件,該事件一直持續(xù)至2023年3月結(jié)束,4月赤道中東太平洋海溫開(kāi)始轉(zhuǎn)為暖水位相。2023年春季我國(guó)北方降水異常偏多受到赤道中東太平洋海溫演變的影響,合成分析表明,在海溫由冷轉(zhuǎn)暖的春季,歐亞中緯度地區(qū)易出現(xiàn)“兩脊一槽”的環(huán)流異常分布型,中西路冷空氣南下影響我國(guó),同時(shí)東亞上空反氣旋式環(huán)流使得我國(guó)北方地區(qū)受異常東南風(fēng)控制,西北太平洋水汽向北輸送偏強(qiáng),為北方地區(qū)的降水提供有利條件。

引 言

我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū),冬季受干冷的東亞冬季風(fēng)影響,夏季受暖濕的東亞夏季風(fēng)控制。春季是冬季環(huán)流向夏季環(huán)流的轉(zhuǎn)換季節(jié),冷空氣勢(shì)力逐漸減弱,來(lái)自海洋的暖濕空氣開(kāi)始活躍。中高緯冷空氣和低緯暖濕氣流互相交匯容易造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定的增強(qiáng),因此很多地區(qū)氣溫的變化幅度大,也容易發(fā)生階段性強(qiáng)降水、強(qiáng)對(duì)流等極端天氣氣候事件。春季又正值我國(guó)大部地區(qū)農(nóng)作物播種和生長(zhǎng)關(guān)鍵期,因此,春季氣候異常分析研究對(duì)提高氣候預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率及做好防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)有重要的意義。

1 資料和方法

2 2023年春季我國(guó)主要?dú)夂蛱卣?/h2>

2.1 氣 溫

2023年春季,全國(guó)平均氣溫為11.5℃,較常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,為1961年以來(lái)歷史同期第七高(圖1a)。從空間分布來(lái)看,呈中東部偏高、西部偏低的分布特征:新疆大部、西北地區(qū)西部、西藏大部偏低0～0.5℃,全國(guó)其余大部地區(qū)偏高0.5℃ 以上,其中東北及內(nèi)蒙古東部、華北東部、華東大部、華中東部和南部、西南地區(qū)東部等地氣溫偏高1～2℃(圖1b)。春季季內(nèi)氣溫起伏波動(dòng)明顯。3月全國(guó)平均氣溫為6.8℃,較常年同期(4.8℃)偏高2.0℃,為1961年以來(lái)同期第三高,東北、華北、華東北部和西南部、華中北部和東南部、華南中西部、西北地區(qū)北部等地偏高2～4℃,黑龍江大部、吉林東部、山東中部的部分地區(qū)氣溫偏高4℃以上(圖2a)。4月,我國(guó)北方大部地區(qū)出現(xiàn)低溫,其中西北地區(qū)大部、華北中西部氣溫偏低1～2℃,新疆東部偏低2～4℃,而西南地區(qū)東部、長(zhǎng)江中下游部分地區(qū)氣溫偏高1～2℃,云南東部、四川南部、貴州西南部、廣西西部等地偏高2～4℃(圖2b)。5月,我國(guó)西北、西藏、新疆等地氣溫偏低,西南地區(qū)氣溫異常偏高(圖2c)。進(jìn)一步從逐日氣溫變化來(lái)看,季內(nèi)氣溫起伏波動(dòng)特征明顯,其中3月上、中旬和4月中旬平均氣溫異常偏高,偏高幅度超過(guò)1.5℃,其中3月上旬和4月中旬平均氣溫均為歷史同期最高;4月下旬和5月上旬氣溫偏低1℃以上(圖2d)。

圖1 (a)1961—2023年春季全國(guó)平均氣溫歷年變化和(b)2023年春季全國(guó)平均氣溫距平分布Fig.1 (a) Time series of average air temperature over China in March, April and May (MAM) during 1961-2023 and (b) distribution of air temperature anomaly over China in MAM 2023

圖2 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全國(guó)氣溫距平分布,(d)春季全國(guó)平均的逐日氣溫和氣溫距平序列Fig.2 Distribution of air temperature anomalies over China in (a) March, (b) April and (c) May 2023 and (d) evolution of the averaged daily air temperature and its anomaly in the three months

2.2 降 水

2023年春季,全國(guó)平均降水量為132.7 mm,較常年同期(143.3 mm)偏少7.4%(圖3a)。春季降水空間分布不均,華北大部、華東北部、華中北部、西北地區(qū)東部和西南部、西藏北部和新疆南部等地降水偏多,其中華北西南部、華東西北部、華中北部、西北地區(qū)中部、西藏中部和新疆南部等地偏多5成至1倍以上;全國(guó)其余大部地區(qū)降水以偏少為主,其中內(nèi)蒙古東南部、東北西部、華南西部、西南南部、西北地區(qū)西北部、西藏西部和新疆西部等地偏少5～8成,局地偏少8成以上(圖3b)。云南降水量為86.8 mm,為1961年以來(lái)歷史同期最少,而華北南部降水量為189.9 mm,為1961年以來(lái)歷史同期第二多(圖4d)。從季節(jié)內(nèi)逐月演變來(lái)看,降水異常變率較大。3月,除內(nèi)蒙古東北部、華南東部、西南北部、西藏東部和新疆西北部降水偏多外,全國(guó)其余大部地區(qū)降水以偏少為主(圖4a)。4月,我國(guó)中東部降水偏多,華北大部、東北東部、內(nèi)蒙古中西部、華東西北部、西北地區(qū)東部、西藏東部和新疆南部等地降水偏多5成至2倍,華北西部、內(nèi)蒙古西部等地偏多2倍以上;內(nèi)蒙古東部、華中東部、華南南部、西南大部、西藏西部和新疆北部降水偏少2成以上,其中云南中部偏少8成以上(圖4b)。5月,我國(guó)降水為“北多南少”的分布特征,新疆東北部和南部、青海中東部、黃淮西部、江漢及江淮大部、江南東北部等地偏多了5成至2倍,局部地區(qū)偏多2倍以上;新疆西部、西藏西部和南部、內(nèi)蒙古東北部、東北、華北、山東半島、甘肅、四川及長(zhǎng)江以南大部分地區(qū)降水偏少2～8成,云南東北部、四川南部等地偏少8成以上(圖4c)。

圖3 (a)1961—2023年春季全國(guó)平均降水量歷年變化和(b)2023年春季全國(guó)降水量距平百分率分布Fig.3 (a) Time series of MAM mean precipitation over China during 1961-2023, and (b) distribution of precipitation anomaly percentage over China in MAM 2023

圖4 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全國(guó)降水量距平百分率分布,(d)1961—2023年春季華北南部降水量歷年變化Fig.4 Distribution of precipitation anomaly percentage over China in (a) March, (b) April, (c) May 2023 and (d) time series of MAM mean precipitation in the southern region of North China during 1961-2023

2.3 春季主要天氣氣候事件

2023年華南前汛期于3月26日首先在廣東開(kāi)始,較常年(4月9日)偏早14 d。3月26日至5月31日,華南地區(qū)平均降水量為311.7 mm,較常年同期偏少22.9%,為歷史同期第八少。南海夏季風(fēng)于5月第3候(具體為5月14日)爆發(fā),爆發(fā)日期較常年(5月第4候)偏早1候。

春季氣溫整體偏高但降水空間分布不均,導(dǎo)致了我國(guó)春季旱澇并重。云南溫高雨少,發(fā)生嚴(yán)重的持續(xù)氣象干旱(圖5a～5c),平均氣象干旱日數(shù)為64.9 d,為1961年以來(lái)歷史同期第二多。5月9日,云南中旱及以上和特旱面積均達(dá)到最大,分別為35.4 萬(wàn)km2和17.6 萬(wàn)km2(圖5d)。

圖5 2023年(a)3月31日、(b)4月30日、(c)5月31日全國(guó)氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)圖,(d)3月1日至5月31日云南氣象干旱面積變化Fig.5 Distribution of meteorological drought condition over China on (a) 31 March, (b) 30 April, (c) 31 May and (d) variation of meteorological drought areas in Yunnan Province from 1 March to 31 May 2023

春季我國(guó)共發(fā)生10次暴雨過(guò)程,其中3次為強(qiáng)暴雨過(guò)程。5月2—7日,江淮大部、江漢西部和東部及江西大部、福建大部、湖南西部等地累計(jì)降水量達(dá)50～100 mm,局地超過(guò)100 mm,20個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站日降水量突破5月歷史極值。5月20—22日,南方地區(qū)暴雨過(guò)程強(qiáng)度較強(qiáng)。5月25—28日,西南地區(qū)至江淮、黃淮發(fā)生較強(qiáng)暴雨過(guò)程。由于持續(xù)降水,黃淮等地小麥夏收、部分路段鐵路運(yùn)輸受到影響。

春季我國(guó)共發(fā)生12次強(qiáng)對(duì)流天氣,其中3月1次,4月6次,5月5次。5月12日午后,京津冀地區(qū)發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)雷暴大風(fēng)過(guò)程,河北東北部和中東部風(fēng)力最強(qiáng),局地可達(dá)12級(jí),保定局地發(fā)生冰雹天氣。16日,吉林中東部、遼寧中西部、河北西部和東北部等地出現(xiàn)區(qū)域性雷暴大風(fēng);河北東北部、遼寧西北部、吉林東部等地風(fēng)力最強(qiáng),局地達(dá)11～12級(jí),對(duì)糧食夏收產(chǎn)生不利影響。5月20—23日,大范圍強(qiáng)對(duì)流過(guò)程自北向南影響我國(guó)大部地區(qū),廣西、廣東等地降水強(qiáng)度超過(guò)100 mm·h-1,部分城市出現(xiàn)內(nèi)澇。

春季,共有13次沙塵過(guò)程影響我國(guó),較2000—2022年同期偏多2.5次,較近十年(2013—2022年)同期偏多4.5次。其中,4月9—13日、27—29日和5月19—22日為沙塵暴級(jí)別,3月19—24日和4月18—21日為強(qiáng)沙塵暴級(jí)別,對(duì)空氣質(zhì)量、交通運(yùn)輸及人體健康均造成較大影響。

3 2023年春季北方降水異常偏多成因分析

3.1 大氣環(huán)流異常特征

大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致我國(guó)地面要素異常的直接原因。2023年春季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上,歐亞中高緯呈現(xiàn)“兩脊一槽”型距平分布特征。烏拉爾山地區(qū)為正高度距平中心,貝加爾湖至巴爾喀什湖為高度場(chǎng)負(fù)距平,東北亞地區(qū)為正高度場(chǎng)異常,這種環(huán)流形勢(shì)有利于中路冷空氣南下。東北亞上空的高壓脊有利于引導(dǎo)西北太平洋暖濕水汽沿其外圍輸送至我國(guó),與槽后南下的干冷空氣配合有利于降水產(chǎn)生,并且有利于多雨區(qū)偏北。低緯度地區(qū)副高強(qiáng)度較常年偏弱,東亞地區(qū)自北向南呈現(xiàn)“負(fù)-正-負(fù)”的異常分布(圖6a)。

圖6 2023年春季(a)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線(xiàn),單位:gpm)及其距平場(chǎng)(填色),(b)850 hPa距平風(fēng)場(chǎng),(c)整層(地表至300 hPa)水汽通量距平場(chǎng)(箭矢)、水汽通量散度場(chǎng)(填色,單位:10-5 kg·s-1·m-2)Fig.6 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and its anomaly, (b) 850 hPa horizontal wind anomaly and (c) water vapor flux anomalies vertically integrated from surface to 300 hPa (vector) and its divergence field (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2) in MAM 2023

在對(duì)流層低層850 hPa風(fēng)場(chǎng)上(圖6b),熱帶西太平洋地區(qū)維持異常氣旋性環(huán)流,而其以北為異常反氣旋性環(huán)流。長(zhǎng)江以北地區(qū)受反氣旋環(huán)流的影響,異常偏東南風(fēng)強(qiáng)盛,有利于將西北太平洋的暖濕水汽輸送至我國(guó)北方地區(qū)。從水汽輸送場(chǎng)的分布也可以看到(圖6c),西北太平洋上異常反氣旋西側(cè)的偏南風(fēng)輸送是我國(guó)北方重要的水汽來(lái)源。而江南、華南大部受熱帶西太平洋上空異常氣旋性環(huán)流西側(cè)的東北氣流影響,降水偏少。西南地區(qū)受孟加拉灣北部異常反氣旋東側(cè)的偏北風(fēng)控制,孟加拉灣的水汽不能北上輸送到我國(guó),降水較常年同期明顯偏少。

在前面的分析中發(fā)現(xiàn),東北亞上空的高壓脊對(duì)中國(guó)春季的降水有很大的影響。因此將35°～45°N、 110°～130°E區(qū)域平均的500 hPa高度場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化值作為東北亞上空高壓脊強(qiáng)度指數(shù),計(jì)算了其與全國(guó)2374個(gè)站春季降水的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)該指數(shù)與西北地區(qū)東部至華北黃淮一帶的降水呈顯著正相關(guān),大部分站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.55以上(圖7a)。當(dāng)東北亞高壓脊指數(shù)偏強(qiáng),即東北亞上空為高壓脊控制時(shí),我國(guó)東部降水呈現(xiàn)出“北多南少”的分布型。這與2023年春季降水異常分布非常相似。2023年春季東北亞高壓脊指數(shù)為1.7,超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差,為1961年以來(lái)第四強(qiáng)(圖7b)。這表明東北亞上空的異常高壓脊主導(dǎo)了華北至黃淮的降水偏多。陸日宇(2001)的研究指出,春季華北降水偏多時(shí)東亞上空存在反氣旋式環(huán)流異常,東亞槽偏東偏弱,我國(guó)東部出現(xiàn)南風(fēng)異常并一直到達(dá)華北地區(qū),為華北地區(qū)的降水提供有利條件。東亞反氣旋與起源于歐亞大陸中緯度地區(qū)的波列有密切關(guān)系。王遵婭等(2018)的研究也發(fā)現(xiàn)東北亞上空的高壓脊會(huì)造成中國(guó)春季降水“南少北多”。

圖7 (a)春季東北亞高壓脊指數(shù)與同期中國(guó)春季降水的相關(guān)系數(shù),(b)1961—2023年春季東北亞高壓脊指數(shù)歷年變化Fig.7 (a) Correlation coefficient between the MAM high-pressure ridge over Northeast Asia and the MAM precipitation in China, and (b) time series of the MAM high-pressure ridge over Northeast Asia during 1961-2023

3.2 外強(qiáng)迫因子分析

圖8 (a)2023年春季海表溫度距平分布和(b)2021年9月至2023年5月海溫指數(shù)的逐月變化Fig.8 (a) Distribution of the global sea surface temperature anomaly in MAM 2023,and (b) monthly variation of the sea surface temperature index from September 2021 to May 2023

圖9 (a)上年秋冬季赤道中東太平洋海溫為冷水、次年轉(zhuǎn)為暖水的年份合成,(b)上年秋冬季赤道中東太平洋海溫為冷水、次年持續(xù)冷水的年份合成,以及(c)2023年春季的500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(填色)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(風(fēng)矢)Fig.9 The 500 hPa geopotential height anomalies (colored) and 850 hPa wind anomalies (wind vector) for (a) composite in the years of colder SST in tropical East-Central Pacific in previous autumn and winter and warmer SST in spring, (b) composite in the years of colder SST in tropical East-Central Pacific from previous autumn to spring, and (c) MAM in 2023

反之,如果前一年冬季赤道中東太平洋為冷海溫,次年赤道中東太平洋仍然維持冷海溫,則次年春季500 hPa高度場(chǎng)上(圖9b),西北太平洋地區(qū)雖然也是“北高南低”的分布型態(tài),但是東北亞上空的高壓脊位置主要在鄂霍次克海東部,由于高壓位置偏東,高壓南側(cè)西北太平洋暖濕氣流輸送路徑偏東,不能輸送到我國(guó)華北、黃淮一帶,因此華北、黃淮一帶降水偏少(圖略)。

4 結(jié)論與討論

利用全國(guó)站點(diǎn)降水和氣溫資料,NCEP/NCAR大氣再分析資料和海溫?cái)?shù)據(jù),總結(jié)了2023年春季我國(guó)主要?dú)夂虍惓Ｌ卣?并初步分析了2023年春季導(dǎo)致華北、黃淮地區(qū)降水異常偏多的可能成因。主要結(jié)論如下:

(1)2023年春季全國(guó)平均氣溫為11.5℃,較常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,為1961年以來(lái)歷史同期第七高。從空間分布來(lái)看,呈中東部偏高、西部偏低的分布特征。全國(guó)平均降水量為132.7 mm,較常年同期(143.3 mm)偏少7.4%,呈現(xiàn)“北多南少”的分布特征。華北、黃淮和青藏高原降水異常偏多,內(nèi)蒙古東部、東北和西南地區(qū)降水異常偏少,其中云南東部、廣西西部春季氣象干旱持續(xù)發(fā)展,部分地區(qū)達(dá)到特旱級(jí)別。

(2)2023年春季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上,亞洲中高緯呈現(xiàn)出“兩脊一槽”型分布特征。烏拉爾山和貝加爾湖以東地區(qū)為正高度距平,貝加爾湖至巴爾喀什湖為負(fù)高度距平控制,貝加爾湖低槽有利于冷空氣南下。東北亞上空為異常高壓脊,定義的東北亞高壓脊指數(shù)在2023年春季為1.7,超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差,為1961年以來(lái)第四強(qiáng),其異常偏強(qiáng)利于我國(guó)北方降水偏多。長(zhǎng)江以北反氣旋式環(huán)流異常引導(dǎo)西北太平洋暖濕氣流向西北輸送影響我國(guó),冷暖氣流交匯造成2023年春季華北、黃淮等地降水異常偏多。江南東部、華南受西太平洋異常氣旋西側(cè)東北氣流控制,西南地區(qū)受孟加拉灣異常反氣旋東側(cè)偏北氣流控制,降水偏少。

本文僅對(duì)大氣環(huán)流和赤道中東太平洋海溫外強(qiáng)迫這兩方面對(duì)2023年春季氣候異常的影響進(jìn)行了討論,是否還有其他可能因子影響2023年中國(guó)春季降水還需要進(jìn)一步深入研究。