2021年12月大气环流和天气分析

尤 媛 马学款 李思腾 关 良

1 国家气象中心，北京 100081 2 北京城市气象研究院，北京 100089

提 要： 2021年12月大气环流的主要特征是：北半球极涡呈偶极型分布，东亚大槽偏西偏强，西太平洋副热带高压接近常年同期。12月，全国平均降水量为8.7 mm，比常年同期(10.5 mm)偏少17.1%；全国平均气温为-2.3℃，比常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃。月内出现了3次冷空气过程和1次大范围持续性雾-霾天气过程，此外超强台风雷伊正面袭击南沙群岛。

1 天气概况

1.1 降 水

12月，全国平均降水量为8.7 mm，较常年同期(10.5 mm)偏少17.1%(图1)。从空间分布看，降水量空间分布不均，除新疆北部和东北地区北部等地外，我国北方地区降水量不足10 mm，江南大部、华南大部、西南地区东部和南部降水量在10～50 mm，福建东南部、广东东北部和海南东部降水量在50 mm以上；与常年同期相比(图2)，西北地区东部、西南地区南部、华南东北部及西藏大部、黑龙江西北部、河北南部等地降水量较常年同期偏多5成至2倍，西藏大部、内蒙古西部、四川北部、云南东南部等地偏多2倍以上；西北地区中部和西部、华北大部、黄淮、东北地区南部和西部、江淮、江南、华南西部和西南地区北部等地降水量偏少2～8成，新疆大部、内蒙古西部、青海北部、甘肃西北部、山西北部、河北北部、山东南部、河南东部、安徽北部、江苏大部、上海、江西北部等地降水量偏少8成以上(国家气候中心, 2021)。

图1 2021年12月全国降水量分布(单位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation in China in December 2021(unit: mm)

图2 2021年12月全国降水量距平 百分率分布(单位:%)Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage in China in December 2021(unit:%)

1.2 气 温

2021年12月，全国平均气温为-2.3℃，较常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃ (图3)。空间分布上，西北地区大部、东北地区东部等地气温较常年同期偏低，其中西藏大部、新疆中部、黑龙江北部等地偏低1～4℃；华北大部、黄淮、江淮、江南、西南地区西部和南部、西北地区东部、新疆北部、内蒙古大部、西藏中东部等地偏高1℃以上，其中新疆北部、内蒙古东部、河北西部和南部、山东北部和河南北部等地气温偏高2～4℃(国家气候中心, 2021)。

2 环流特征和演变

图4为2021年12月北半球500 hPa平均位势高度场和距平分布，与常年同期相比，12月环流形势有以下特点：

图3 2021年12月全国气温距平分布(单位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in December 2021(unit: ℃)

2.1 极涡呈偶极型分布，东亚大槽偏强

如图4a所示，12月北半球极涡呈偶极型分布，主极涡位于加拿大巴芬岛附近，另一个极涡中心位于新西伯利亚群岛附近。从距平场来看(图4b)，新西伯利亚群岛附近的极涡中心处于负距平区，强度较常年同期偏强，极涡中心超过-6 dagpm。西伯利亚地区附近环流形势比较平直，中高纬地区环流经向度小，不利于西北路径冷空气南下；东亚大槽强度较常年同期偏强，我国东北地区受负距平控制，导致东北地区温度偏低，我国其余大部地区气温较常年同期偏高。

图4 2021年12月北半球500 hPa平均位势 高度(a)和距平(b)(单位：dagpm)Fig.4 Geopotential height at 500 hPa (a) and its anomaly (b) in the Northern Hemisphere in December 2021 (unit: dagpm)

2.2 北半球环流呈三波型，西太平洋副热带高压接近常年同期

12月北半球呈三波型，三个高空槽分别位于北美西部、欧洲南部及东亚东部。西北太平洋副热带高压西脊点位于100°E附近，较常年同期(105°E)偏西，强度接近常年同期。南支槽位于弱的负位势高度距平内，强度较常年略偏强，该形势有利于孟加拉湾水汽向我国南方地区输送，导致月内西南大部地区降水偏多。

2.3 环流演变与我国天气

2021年12月上、中、下旬三个时段欧亚地区500 hPa大气环流发展演变趋势的平均高度场如图5所示，具体如下：

上旬(图5a)，欧亚中高纬环流总体为西高东低的分布形势，整体环流经向度不大。在这种环流背景下，影响我国的冷空气势力偏弱，全国大部地区较常年同期偏高1～2℃。12月9—11日，受静稳形势影响，华北、黄淮、江淮等地出现了持续性雾-霾天气。另外，中东部地区受西北气流控制，不利于水汽输送，导致旬内中东部大部地区降水稀少。

中旬(图5b)，欧亚中高纬环流为两槽一脊型，冷空气较为活跃，旬前期和中期先后有两次冷空气影响我国。其中11—13日受新疆南疆盆地高空槽东移影响，我国中东部大部地区出现了8～12℃降温，给甘肃中东部、青海东部及内蒙古东部、黑龙江等地带来较强降雪。 15—18日，贝加尔湖附近的高空槽东移引导冷空气南下影响我国中东部大部地区，再次出现大风降温和雨雪天气，西北地区东部、华北、黄淮东部及东北地区大部出现6～10℃的降温，局地降温12～14℃。在两次冷空气间歇期的14—15日，华北、黄淮等地出现了雾-霾天气。

下旬(图5c)，欧亚中高纬环流形势较前期调整明显，亚洲东部中高纬环流经向度加大，地面冷空气频繁由西伯利亚东部向东南侵入我国北方地区，势力偏强，导致下旬出现了一次全国型寒潮过程。23—26日我国北方地区降温明显，大部地区气温达到2021年入冬以来最低，中东部大部地区出现雨雪天气。旬内，气温冷暖起伏，总体接近常年同期或略偏低。在两次冷空气间歇期的25—29日，华北、黄淮、汾渭平原等地出现了雾-霾天气。

图5 2021年12月欧亚500 hPa上(a)、 中(b)、下(c)旬平均位势高度 (单位: dagpm)Fig.5 Eurasia geopotential heights (unit: dagpm) at 500 hPa averaged in the 1st (a), 2nd (b) and last (c) dekads of December 2021

3 冷空气活动

3.1 概 况

依据中央气象台冷空气划分标准，12月有三次冷空气过程影响我国(表1)，与历史同期相比(徐冉等，2020；2019；迟茜元等，2020)，冷空气活动频次较2020年(2次)略偏多，与2018年(3次)和2019年(3次)相当，其中11—13日、15—18日为全国中等冷空气过程，23—26日为全国型寒潮过程。

表1 2021年12月主要冷空气过程Table 1 Main cold air processes in December 2021

3.2 2021年12月23—26日寒潮天气过程

23—26日我国自西北向东南经历了一次寒潮天气过程，造成的影响详见表1。本次寒潮过程为横槽转竖型，中东部地区出现明显大风降温，降温剧烈，大部地区最低气温达到入冬以来最低值，南方地区气温持续明显偏低。受此次寒潮过程影响，西北地区东部、东北地区东南部、华北、黄淮、江淮、江汉、江南北部和西部及贵州东部等地出现4～10℃降温，黄淮东部、江淮东部降温幅度达12～16℃,气温降幅超过8℃的国土面积为360×104km2，约占全国面积的38%；气温降幅超过14℃的面积为37.6×104km2。西北地区、华北、黄淮、江淮、江南等地出现降雪或雨夹雪天气，其中贵州东部、湖南中北部积雪深度达5～10 cm，贵州铜仁、湖南怀化和益阳等局地达10～20 cm。北方和沿海各省出现大风天气，其中内蒙古东南部、辽宁东南部、山东沿海、浙江沿海、福建沿海出现7～9级阵风，浙江中部沿海出现11级阵风。低温雨雪天气对上述地区的居民生活、农业生产、交通运输和能源供应等造成一定不利影响。

从23—26日的500 hPa平均位势高度场和海平面气压场来看(图略)，大西洋和乌拉尔山附近高压脊向极地强烈发展，致使极涡分裂，呈多极型分布，其中一个位于西西伯利亚附近，有利于冷空气在此堆积，伴随横槽旋转，冷空气分两股南下，寒潮爆发。23日08时(图6)，北方地区受强冷涡影响，冷空气主体位于贝加尔湖附近，华北地区受高空冷槽和弱切变线影响，槽前有弱偏南水汽输送，冷暖气流在此交汇，给华北地区带来了雨雪天气。24日08时，500 hPa横槽下摆，移动至我国华北东部一带，槽后偏北气流不断引导冷空气南下，地面冷高压向南移动，主体移到蒙古国一带，中心强度为1 060 hPa，给我国中东部地区带来大风降温天气，山西东部、河北南部、山东等地出现小雪或雨夹雪。25日08时，冷高压主体位置移至我国内蒙古东部，随着冷涡后部的横槽下摆，冷空气前锋到达我国华南北部，持续影响我国南方地区。此外，南支槽强度偏强，南方地区处于槽前辐合区，为强降雪提供了有利的水汽和动力条件，西北地区东部、湖北西部、湖南中北部、贵州北部、安徽东南部、山东半岛、浙江中部、江西东北部等地部分地区出现降雪天气(图7)。 27日起，随着冷空气逐渐东移入海，寒潮天气过程趋于结束。

图6 2021年12月23日08时500 hPa位势 高度场(等值线，单位：dagpm)、 850 hPa风场(风羽，单位：m·s-1) 和海平面气压(阴影)Fig.6 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa and sea level pressure (shaded) at 08:00 BT 23 December 2021

4 超强台风雷伊过程分析

4.1 概 况

12月，2021年第22号台风雷伊具有“强度大，移速快，影响大”的特点，是有历史记录以来影响南沙诸岛的最强台风。受“雷伊”和冷空气共同影响，17—20日，南沙群岛、西沙群岛、中沙群岛出现8～10级阵风，局地11～13级。海南岛沿海、广东沿海、福建南部沿海出现7～9级阵风。三沙市共有5个岛礁出现50 mm以上降水，其中超过100 mm的有3个，美济礁降水量最大为177.8 mm。海南岛东半部地区普降大到暴雨，局地出现大暴雨，其中文昌等9个市县雨量超过50 mm,局地超过100 mm。台风降雨对于缓解华南地区的气象干旱、增加空气湿度和降低森林火险气象等级、增加库塘蓄水大有裨益(国家气候中心，2021)。

图7 同图6，但为2021年12月25日08时Fig.7 Same as Fig.6, but at 08:00 BT 25 December 2021

4.2 2021年12月17—20日台风过程

第22号台风雷伊于12月13日14时在菲律宾棉兰老岛以东洋面生成，以20 km·h-1左右的速度向西偏北方向移动，强度逐渐加强，16日08时在菲律宾棉兰老岛东部近海加强为超强台风级(图8)，16—17日以超强台风级或强台风级先后登陆菲律宾的锡亚高岛、迪亚加特岛、帕纳翁岛、莱特岛、薄荷岛、宿务岛、内格罗斯岛和巴拉望岛等8个岛屿， 17日夜间至20日，南海大部海域出现明显的大风天气，我国南沙群岛、中沙群岛、海南岛东部沿海出现8～10级阵风，部分岛礁阵风达12级以上，渚碧礁最大阵风达13级，17日20时以强台风级强度移入南海东南部(图9)，18日14时再度加强为超强台风级，穿过南沙群岛北部。19日上午转向偏北方向移动，由西沙群岛西侧海域向海南岛东部海面靠近，强度逐渐减弱。

5 雾-霾过程

5.1 概 况

2021年12月共有1次雾-霾天气过程，出现在9—11日，较往年同期偏少。

5.2 12月9—11日雾-霾天气过程

9—11日，受静稳形势影响，华北中南部、黄淮西部、汾渭平原、江汉、江南北部等地气象条件不利于污染物扩散，出现了轻至中度霾，局地重度霾，其中10—11日，河南、山东西部、湖北、湖南等地出现重度污染，10日河南郑州PM2.5峰值浓度达到189 μg·m-3。11日夜间起，受冷空气东移南下影响，上述地区霾天气自北向南逐渐减弱消散。此外，10—11日早晨至上午时段，华北、黄淮、江淮、江汉等地出现了明显的大雾天气，其中最重时段为10日早晨至上午时段，河北中南部、山东西部、河南中东部、江苏北部、安徽北部等地的部分地区出现能见度不足200 m的强浓雾，局地出现能见度不足50 m的特强浓雾。

图8 2021年12月16日08时500 hPa位势高度场 (等高线，单位：dagpm)、850 hPa风场 (风羽，单位：m·s-1)Fig.8 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa at 08:00 BT 16 December 2021

图9 同图8，但为2021年12月17日20时Fig.9 Same as Fig.8, but at 20:00 BT 17 December 2021

从此次持续雾-霾过程的大尺度环流背景看(图10)，9—11日，我国中东部地区高空500 hPa处在西风带纬向环流控制中，无明显槽脊活动，地面高压主体位于贝加尔湖以西，冷空气势力较弱，华北、黄淮等地位于均压场中，等压线稀疏，气压梯度小，水平风速弱，同时，850 hPa有暖脊发展，华北中南部、黄淮中西部等地上空处于“暖干盖”控制，有利于水汽和污染物在近地层积聚，随着这种静稳形势的建立，污染物和水汽的水平扩散条件转差，华北中南部、黄淮等地的霾逐渐发展，有利于雾-霾天气的形成和维持。夜间至上午时段，华北、黄淮、江淮、江汉地区相对湿度增高至95%以上，有利于大雾天气的形成。高湿环境有利于液相反应，生成二次污染物，进一步加重污染。9日，华北中南部、黄淮、江汉、江南西部等地受不利扩散条件影响，污染物开始积累，出现了轻至中度霾，局地重度霾。10日，受冷空气前沿小高压影响，白天受东北路径冷空气和降水影响，华北中部大气扩散条件逐渐好转，霾天气有所减弱，华北南部、黄淮中西部、江淮中西部、江汉等地大气扩散条件较差，有轻至中度霾，部分地区有重度霾，11日，受弱偏北路径冷空气以及降水影响，黄淮、江淮、江汉等地的大气扩散条件有所转好，霾天气有所减弱，12日02时受冷空气东移南下持续影响，地面风场逐渐加大，华北中南部、黄淮中西部、江淮中西部、江汉等地大气扩散和清除条件逐渐好转，霾天气自北向南减弱或消散。

图10 2021年12月9—11日平均500 hPa 平均位势高度场(等值线，单位：dagpm)和 海平面气压(阴影)Fig.10 Average geopotential height at 500 hPa (contour,unit:dagpm) and sea level pressure (shaded) from 9 to 11 December 2021

致谢：感谢国家气象中心宋文彬提供的降水量、降水距平和温度距平资料。