2023年春季我国气候异常特征及成因分析*

龚振淞 丁 婷

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年春季(3—5月),全国平均气温为11.5℃,为1961年以来历史同期第七高。除新疆、西北地区西部、西藏等地气温偏低外,我国大部分地区气温均偏高。全国平均降水量为132.7 mm,较常年同期偏少7.4%。降水呈现“北多南少”的特征,华北、黄淮及青藏高原等地降水偏多,东北、江南东部、华南和西南地区降水显著偏少。在对流层中层,春季亚欧中高纬度呈现“两脊一槽”分布,乌拉尔山地区为正高度距平中心,贝加尔湖至巴尔喀什湖为高度场负距平中心,而东北亚上空为位势高度场正异常;西太平洋副热带高压强度较常年偏弱;在对流层低层,热带西太平洋地区维持异常气旋性环流,其以北则为异常反气旋性环流。2023年春季东北亚高压脊指数为1.7,超过1个标准差,为1961年以来第四强,其异常偏强有利于我国北方降水偏多。长江以北地区受反气旋环流影响,异常偏东南风强盛,有利于将西北太平洋的暖湿水汽输送至我国北方地区。赤道中东太平洋自2021年9月开始一次弱事件,该事件一直持续至2023年3月结束,4月赤道中东太平洋海温开始转为暖水位相。2023年春季我国北方降水异常偏多受到赤道中东太平洋海温演变的影响,合成分析表明,在海温由冷转暖的春季,欧亚中纬度地区易出现“两脊一槽”的环流异常分布型,中西路冷空气南下影响我国,同时东亚上空反气旋式环流使得我国北方地区受异常东南风控制,西北太平洋水汽向北输送偏强,为北方地区的降水提供有利条件。

引 言

我国地处东亚季风区,冬季受干冷的东亚冬季风影响,夏季受暖湿的东亚夏季风控制。春季是冬季环流向夏季环流的转换季节,冷空气势力逐渐减弱,来自海洋的暖湿空气开始活跃。中高纬冷空气和低纬暖湿气流互相交汇容易造成大气层结不稳定的增强,因此很多地区气温的变化幅度大,也容易发生阶段性强降水、强对流等极端天气气候事件。春季又正值我国大部地区农作物播种和生长关键期,因此,春季气候异常分析研究对提高气候预测的准确率及做好防灾减灾服务有重要的意义。

1 资料和方法

2 2023年春季我国主要气候特征

2.1 气 温

2023年春季,全国平均气温为11.5℃,较常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,为1961年以来历史同期第七高(图1a)。从空间分布来看,呈中东部偏高、西部偏低的分布特征:新疆大部、西北地区西部、西藏大部偏低0～0.5℃,全国其余大部地区偏高0.5℃ 以上,其中东北及内蒙古东部、华北东部、华东大部、华中东部和南部、西南地区东部等地气温偏高1～2℃(图1b)。春季季内气温起伏波动明显。3月全国平均气温为6.8℃,较常年同期(4.8℃)偏高2.0℃,为1961年以来同期第三高,东北、华北、华东北部和西南部、华中北部和东南部、华南中西部、西北地区北部等地偏高2～4℃,黑龙江大部、吉林东部、山东中部的部分地区气温偏高4℃以上(图2a)。4月,我国北方大部地区出现低温,其中西北地区大部、华北中西部气温偏低1～2℃,新疆东部偏低2～4℃,而西南地区东部、长江中下游部分地区气温偏高1～2℃,云南东部、四川南部、贵州西南部、广西西部等地偏高2～4℃(图2b)。5月,我国西北、西藏、新疆等地气温偏低,西南地区气温异常偏高(图2c)。进一步从逐日气温变化来看,季内气温起伏波动特征明显,其中3月上、中旬和4月中旬平均气温异常偏高,偏高幅度超过1.5℃,其中3月上旬和4月中旬平均气温均为历史同期最高;4月下旬和5月上旬气温偏低1℃以上(图2d)。

图1 (a)1961—2023年春季全国平均气温历年变化和(b)2023年春季全国平均气温距平分布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

图2 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全国气温距平分布,(d)春季全国平均的逐日气温和气温距平序列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,全国平均降水量为132.7 mm,较常年同期(143.3 mm)偏少7.4%(图3a)。春季降水空间分布不均,华北大部、华东北部、华中北部、西北地区东部和西南部、西藏北部和新疆南部等地降水偏多,其中华北西南部、华东西北部、华中北部、西北地区中部、西藏中部和新疆南部等地偏多5成至1倍以上;全国其余大部地区降水以偏少为主,其中内蒙古东南部、东北西部、华南西部、西南南部、西北地区西北部、西藏西部和新疆西部等地偏少5～8成,局地偏少8成以上(图3b)。云南降水量为86.8 mm,为1961年以来历史同期最少,而华北南部降水量为189.9 mm,为1961年以来历史同期第二多(图4d)。从季节内逐月演变来看,降水异常变率较大。3月,除内蒙古东北部、华南东部、西南北部、西藏东部和新疆西北部降水偏多外,全国其余大部地区降水以偏少为主(图4a)。4月,我国中东部降水偏多,华北大部、东北东部、内蒙古中西部、华东西北部、西北地区东部、西藏东部和新疆南部等地降水偏多5成至2倍,华北西部、内蒙古西部等地偏多2倍以上;内蒙古东部、华中东部、华南南部、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(图4b)。5月,我国降水为“北多南少”的分布特征,新疆东北部和南部、青海中东部、黄淮西部、江汉及江淮大部、江南东北部等地偏多了5成至2倍,局部地区偏多2倍以上;新疆西部、西藏西部和南部、内蒙古东北部、东北、华北、山东半岛、甘肃、四川及长江以南大部分地区降水偏少2～8成,云南东北部、四川南部等地偏少8成以上(图4c)。

图3 (a)1961—2023年春季全国平均降水量历年变化和(b)2023年春季全国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

图4 2023年(a)3月、(b)4月、(c)5月全国降水量距平百分率分布,(d)1961—2023年春季华北南部降水量历年变化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 春季主要天气气候事件

2023年华南前汛期于3月26日首先在广东开始,较常年(4月9日)偏早14 d。3月26日至5月31日,华南地区平均降水量为311.7 mm,较常年同期偏少22.9%,为历史同期第八少。南海夏季风于5月第3候(具体为5月14日)爆发,爆发日期较常年(5月第4候)偏早1候。

春季气温整体偏高但降水空间分布不均,导致了我国春季旱涝并重。云南温高雨少,发生严重的持续气象干旱(图5a～5c),平均气象干旱日数为64.9 d,为1961年以来历史同期第二多。5月9日,云南中旱及以上和特旱面积均达到最大,分别为35.4 万km2和17.6 万km2(图5d)。

图5 2023年(a)3月31日、(b)4月30日、(c)5月31日全国气象干旱综合监测图,(d)3月1日至5月31日云南气象干旱面积变化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

春季我国共发生10次暴雨过程,其中3次为强暴雨过程。5月2—7日,江淮大部、江汉西部和东部及江西大部、福建大部、湖南西部等地累计降水量达50～100 mm,局地超过100 mm,20个国家气象观测站日降水量突破5月历史极值。5月20—22日,南方地区暴雨过程强度较强。5月25—28日,西南地区至江淮、黄淮发生较强暴雨过程。由于持续降水,黄淮等地小麦夏收、部分路段铁路运输受到影响。

春季我国共发生12次强对流天气,其中3月1次,4月6次,5月5次。5月12日午后,京津冀地区发生区域性强雷暴大风过程,河北东北部和中东部风力最强,局地可达12级,保定局地发生冰雹天气。16日,吉林中东部、辽宁中西部、河北西部和东北部等地出现区域性雷暴大风;河北东北部、辽宁西北部、吉林东部等地风力最强,局地达11～12级,对粮食夏收产生不利影响。5月20—23日,大范围强对流过程自北向南影响我国大部地区,广西、广东等地降水强度超过100 mm·h-1,部分城市出现内涝。

春季,共有13次沙尘过程影响我国,较2000—2022年同期偏多2.5次,较近十年(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日为沙尘暴级别,3月19—24日和4月18—21日为强沙尘暴级别,对空气质量、交通运输及人体健康均造成较大影响。

3 2023年春季北方降水异常偏多成因分析

3.1 大气环流异常特征

大气环流异常是导致我国地面要素异常的直接原因。2023年春季500 hPa位势高度场上,欧亚中高纬呈现“两脊一槽”型距平分布特征。乌拉尔山地区为正高度距平中心,贝加尔湖至巴尔喀什湖为高度场负距平,东北亚地区为正高度场异常,这种环流形势有利于中路冷空气南下。东北亚上空的高压脊有利于引导西北太平洋暖湿水汽沿其外围输送至我国,与槽后南下的干冷空气配合有利于降水产生,并且有利于多雨区偏北。低纬度地区副高强度较常年偏弱,东亚地区自北向南呈现“负-正-负”的异常分布(图6a)。

图6 2023年春季(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及其距平场(填色),(b)850 hPa距平风场,(c)整层(地表至300 hPa)水汽通量距平场(箭矢)、水汽通量散度场(填色,单位: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

在对流层低层850 hPa风场上(图6b),热带西太平洋地区维持异常气旋性环流,而其以北为异常反气旋性环流。长江以北地区受反气旋环流的影响,异常偏东南风强盛,有利于将西北太平洋的暖湿水汽输送至我国北方地区。从水汽输送场的分布也可以看到(图6c),西北太平洋上异常反气旋西侧的偏南风输送是我国北方重要的水汽来源。而江南、华南大部受热带西太平洋上空异常气旋性环流西侧的东北气流影响,降水偏少。西南地区受孟加拉湾北部异常反气旋东侧的偏北风控制,孟加拉湾的水汽不能北上输送到我国,降水较常年同期明显偏少。

在前面的分析中发现,东北亚上空的高压脊对中国春季的降水有很大的影响。因此将35°～45°N、 110°～130°E区域平均的500 hPa高度场标准化值作为东北亚上空高压脊强度指数,计算了其与全国2374个站春季降水的关系,发现该指数与西北地区东部至华北黄淮一带的降水呈显著正相关,大部分站点的相关系数可达0.55以上(图7a)。当东北亚高压脊指数偏强,即东北亚上空为高压脊控制时,我国东部降水呈现出“北多南少”的分布型。这与2023年春季降水异常分布非常相似。2023年春季东北亚高压脊指数为1.7,超过1个标准差,为1961年以来第四强(图7b)。这表明东北亚上空的异常高压脊主导了华北至黄淮的降水偏多。陆日宇(2001)的研究指出,春季华北降水偏多时东亚上空存在反气旋式环流异常,东亚槽偏东偏弱,我国东部出现南风异常并一直到达华北地区,为华北地区的降水提供有利条件。东亚反气旋与起源于欧亚大陆中纬度地区的波列有密切关系。王遵娅等(2018)的研究也发现东北亚上空的高压脊会造成中国春季降水“南少北多”。

图7 (a)春季东北亚高压脊指数与同期中国春季降水的相关系数,(b)1961—2023年春季东北亚高压脊指数历年变化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 外强迫因子分析

图8 (a)2023年春季海表温度距平分布和(b)2021年9月至2023年5月海温指数的逐月变化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

图9 (a)上年秋冬季赤道中东太平洋海温为冷水、次年转为暖水的年份合成,(b)上年秋冬季赤道中东太平洋海温为冷水、次年持续冷水的年份合成,以及(c)2023年春季的500 hPa位势高度距平场(填色)和850 hPa风场距平(风矢)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东太平洋为冷海温,次年赤道中东太平洋仍然维持冷海温,则次年春季500 hPa高度场上(图9b),西北太平洋地区虽然也是“北高南低”的分布型态,但是东北亚上空的高压脊位置主要在鄂霍次克海东部,由于高压位置偏东,高压南侧西北太平洋暖湿气流输送路径偏东,不能输送到我国华北、黄淮一带,因此华北、黄淮一带降水偏少(图略)。

4 结论与讨论

利用全国站点降水和气温资料,NCEP/NCAR大气再分析资料和海温数据,总结了2023年春季我国主要气候异常特征,并初步分析了2023年春季导致华北、黄淮地区降水异常偏多的可能成因。主要结论如下:

(1)2023年春季全国平均气温为11.5℃,较常年同期(10.9℃)偏高0.6℃,为1961年以来历史同期第七高。从空间分布来看,呈中东部偏高、西部偏低的分布特征。全国平均降水量为132.7 mm,较常年同期(143.3 mm)偏少7.4%,呈现“北多南少”的分布特征。华北、黄淮和青藏高原降水异常偏多,内蒙古东部、东北和西南地区降水异常偏少,其中云南东部、广西西部春季气象干旱持续发展,部分地区达到特旱级别。

(2)2023年春季500 hPa位势高度场上,亚洲中高纬呈现出“两脊一槽”型分布特征。乌拉尔山和贝加尔湖以东地区为正高度距平,贝加尔湖至巴尔喀什湖为负高度距平控制,贝加尔湖低槽有利于冷空气南下。东北亚上空为异常高压脊,定义的东北亚高压脊指数在2023年春季为1.7,超过1个标准差,为1961年以来第四强,其异常偏强利于我国北方降水偏多。长江以北反气旋式环流异常引导西北太平洋暖湿气流向西北输送影响我国,冷暖气流交汇造成2023年春季华北、黄淮等地降水异常偏多。江南东部、华南受西太平洋异常气旋西侧东北气流控制,西南地区受孟加拉湾异常反气旋东侧偏北气流控制,降水偏少。

本文仅对大气环流和赤道中东太平洋海温外强迫这两方面对2023年春季气候异常的影响进行了讨论,是否还有其他可能因子影响2023年中国春季降水还需要进一步深入研究。