华南地区2020 年4 月异常低温成因浅析

董少柔，何健，饶方成，李梓贤

(广东省气候中心，广州 510640)

引言

2020 年1—3 月华南地区经历连续三个月的气温偏高，于4 月急转为异常低温，华南地区4 月平均气温较气候态(1981—2010 年)偏低2.6℃，偏低程度为20 世纪80 年代以来第二位，仅次于1996 年(该年华南地区4 月气温偏低2.9℃)。根据前人研究［1-9］，虽然华南地区4 月较3 月低温阴雨日数显著减少，但在气候变暖及极端气候事件增多背景下低温现象依旧高发［10］，值得关注。而较为严重的低温现象将导致低温冷害事件发生［11，12］，对农业生产、林业培育以及市民生活等各方面造成重大的经济损失及不利的社会影响［2，5，13-17］。基于前期华南地区连续三个月气温异常偏高，2020 年4 月华南地区气温骤降且偏低异常显著，极为罕见，针对这一极端气候现象，有必要对其特点及成因进行探讨。已有的研究成果表明，冬春季气温异常与冷空气活动［18-20］及环流形势紧密联系［21-26］，且与ENSO 等气候背景相关联［27-29］。

本文将重点从大气环流角度出发，通过分析华南地区4 月气温特点及月内变化特征、与4 月气温相关联的大气环流形势特点、冷空气活动情况以及2020 年4 月华南地区气温异常偏低成因，可供短期气候预测提供参考。

1 资料和方法

考虑资料完整性，本文选用华南地区192 个测站1978—2020 年常规气象观测资料、美国气象环境预报中心 (National Centers for Environmental Prediction) 及美国国家大气研究中心 (National Center for Atmospheric Research)NCEP/NCAR 精度为2.5°×2.5°的逐日位势高度场、海平面气压及风场再分析资料，欧洲中期天气预报中心European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)第五代(ERA5)精度为0.25°×0.25°的逐日100m 风场及2m温度场再分析资料。选取 (104°E～117.5°E，18°N～26.4°N)作为华南区域。根据国家气候中心对气温异常级别的划分，将气温异常幅度≥2℃定义为二级异常，＜1℃定义为正常级别，而≥1℃且＜2℃则定义为一级异常［30］。本文采用了回归、合成等常规统计方法。

2 华南4 月平均气温的气候特征

如图1 所示，华南地区4 月份平均气温逐年分布情况存在一定的变化规律。20 世纪80 年代气温以低温异常为主导，20 世纪90 年代起至2020 年期间则转为高温异常为主导。在偏暖的近三十年里气温二级异常偏低的年份出现两次 (偏低幅度超过2℃，分别为1996 年与2020 年)，这与全球变暖大背景下极端气候事件增加的规律一致［3］。而与1996 年不同，2020 年华南气温在连续三个月(1—3 月)二级异常偏高的条件下，于4 月急转为二级异常偏低，实属罕见。气温异常的突然变化，将放大低温气候事件带来的不良影响。

图1 1978—2020 年4 月华南192 个测站平均气温距平序列(单位：℃)

3 华南2020 年4 月气温异常和冷空气活动特征

3.1 气温月内变化

华南地区1981—2010 年三十年气候态的4 月逐日气温分布呈现缓慢变化的规律(图2 红柱)，具体表现为：4 月上旬气温平缓升高，于4 月中旬初期下降至19.6℃(4 月12 日)，继续升温至23.9℃(4 月21 日)，后再缓慢回调至23℃(4 月26 日)，并于4 月下旬末再度升温并达到月内日平均气温最高值24.2℃(4 月30 日)。气候态4 月下半月气温均值为23.3℃，较上半月高2.7℃。而2020 年4 月华南地区逐日气温的月内变化(图2 蓝柱)呈现明显异于气候态的波动。其上半月与下半月的气温差距明显增大：下半月气温均值为21.9℃，较上半月偏高3.8℃；上、下半月气温分别较气候态偏低2.5℃及1.4℃。

图2 华南192 个测站平均的气温序列

2020 年4 月主要的低温过程主要集中于4 月上旬、中旬前期及下旬前期，而4 月仅有16—21 日及30 日共计一周的时间气温略高于气候态同期。其中，4 月下旬气温偏低幅度最大 (4 月23—25 日分别偏低5.9℃、6.9℃及4.8℃)，4 月上旬低温跨度最长。

3.2 冷空气活动

从2020 年4 月华南经度范围(104°E～117.5°E)风场、气温平均的纬度-时间剖面图来看(图3)，上旬、中旬前期及下旬前期分别对应三次冷空气南侵过程。伴随着北风异常加大，4 月上旬华南北部气温连续4d 低于12℃。4 月6 日起华南上空转南风主导，暖空气增强北推并使得气温短暂回暖。4 月9 日第二次冷空气南下且北风分量比第一次过程更大，因而降温迅速(图3a 中气温梯度增大)，但同时暖湿空气势力也不断加强，并取而代之占据主导——来自南边的暖湿空气于13 日逐步加强北上，彻底将冷空气北推至华南以北的区域，使得4 月13—20 日华南上空南风主导长达8d，对应气温的持续攀升并超过气候态同期(图2)。4 月19 日较强的北方冷空气再度南下，与暖空气交绥，出现了下旬前期气温较快下降并于下旬后期逐步回暖的过程。气温的波动与南下冷空气及北上暖空气势力的相对强弱以及停留时间长短相关。从月内气温波动情况来看，4 月上旬及下旬前期受冷空气影响程度较大，这也是造成4月气温异常偏低的重要原因。

结合气温与风场分布来看，第一次降温过程暖空气势力明显弱于另外两次过程(图3b)，然而不断有弱冷空气补充南下，偏北风持续了5d，使冷空气得以较长时间盘踞在华南，导致4 月上旬连续十天气温偏低。第二次降温过程北风分量虽大，但由于暖空气势均力敌甚至后期赶超，导致第二次降温过程持续时间短且后期气温回升幅度大。结合图2，4 月下半月气温整体较上半月升高2.7℃，而2020 年4月下旬气温回落点仍低于第二次过程最低值，因此第三次降温过程幅度较第二次更大。总体上，2020年4 月冷空气的南侵占主导地位，使得4 月华南气温偏低。

图3 经度104～117.5°E 平均纬度-时间剖面图

4 华南2020 年4 月气温异常对应的环流特征

4.1 海平面气压分布

4 月华南气温异常与大气环流形势密切联系。2020 年4 月海平面气压异常场分布表现为，东亚大陆和西太平洋沿岸出现明显的正异常区(图4)。类似地，1978 年以来华南4 月气温偏低超过1℃的7个年份(图1)中，东亚大陆和西太平洋沿岸均呈现出明显正异常的分布特征。由此可见，蒙古高压较强、阿留申低压加深，海陆交界处存在较大的气压梯度，高压脊前的偏北气流引导北方冷空气向南侵袭，利于冷空气向南爆发，进而利于2020 年4 月华南气温偏低。

图4 海平面气压异常分布图

对比合成年份，2020 年4 月的蒙古高压明显更强，其与华南4 月气温呈现出显著负相关关系(相关系数达-0.6)，即4 月蒙古高压偏强，则对应华南同期气温偏低。这进一步说明，蒙古高压2020 年4 月异常偏强是造成华南4 月气温异常偏低的重要原因之一。

4.2 低层风场特点

2020 年4 月850hPa 风场如图5a 所示，蒙古上空为弱的反气旋式环流，东北上空为强的气旋式环流。反气旋东侧及气旋西侧区域为明显的偏北风主导，利于北方冷空气南下。同时，华南上空为弱的西南风异常，暖湿气流补给弱，配合风场辐散，尤其集中在华南东南部沿海。反观气候态4 月低层风场(图5b)，蒙古到东北上空为西风横扫，华南上空为强劲的西南气流，利于暖湿气流北上。与气候态同期相比(图5c—d)，低层风场经、纬向风分量异常场分布表明，2020 年4 月华南上空为显著的东北风异常，北风分量异常程度较东风分量更明显，不利于南方暖湿气流北上。东北沿海为显著的气旋式异常，我国东部到南海为东北风异常，低层风场的分布特征有利于北风加强，即利于北方冷空气从北往南侵入华南地区，是造成气温较历史同期偏低的重要原因之一。

图5 低层风场(矢量箭头，单位：m·s-1)及辐合辐散场(填色，单位：s-1)

4.3 中层环流场形势

从中层500hPa 位势高度距平场来看 (图6b)，亚洲中高纬度地区上空为正异常，从日本到我国华东上空为负异常。该分布型近似于华南4 月气温距平场经验正交分解第一模态(方差占比为82.7%，图略)PC 序列与同期500hPa 位势高度的回归场 (图略)，对应华南地区4 月气温大体偏低的空间模态分布型。2020 年4 月，我国东北至日本一带为负异常中心，东亚槽异常偏强，中层配置利于将北方冷空气往南引导，并在华南上空盘踞较长时间，使得2020 年4 月气温异常偏低现象得以维持并发展。

图6 500hPa 位势高度场及异常场

5 小结

在全球变暖大背景下，2020 年1—3 月连续3个月异常高温过后，4 月华南气温突转为异常低温，为1978 年以来4 月同期次低记录。4 月华南气温偏低主要受三次冷空气过程影响，分别出现在4 月上旬、中旬前期及下旬前期。由于暖空气势力较弱，第一次冷空气过程持续时间最长。第二次过程北风虽强劲，但由于暖空气北推增强，使得4 月中旬后期出现气温明显回暖。第三次过程降温幅度最大，但同样后期由于暖空气势力相对强于冷空气，月底出现月内气温最高值。因此华南4 月气温异常情况受冷暖气团活动影响，即气温与南下冷空气及北上暖空气势力的相对强弱、冷暖气团停留时间长短紧密联系。

4 月气温受不同层次环流变化的影响。北半球中纬度的正、负海平面气压异常中心所形成的亚欧大陆东部沿岸气压梯度力利于冷空气南下，同时，蒙古高压加强利于冷空气活动增强，促使华南4 月气温偏低。中高层来看，大气环流波动不稳定发展条件下高空槽脊加深，高压脊前偏北气流引导及气压梯度力作用下引导北方冷空气南侵进。与此同时，蒙古及东北低层上空的反气旋及气旋分布利于北方冷空气由北而南直达华南地区。2020 年4 月暖湿空气补给不充分，同样利于华南地区4 月气温异常偏低。总的来说，大气环流形势引起了4 月气温偏低，而对应的海温背景包括ENSO 信号以及印度洋一致性模态、华南地区1—3 月连续三个月的气温异常偏高则值得进一步的研究和探讨。