2022/2023年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响*

李 想 王永光

国家气候中心,北京 100081

提 要：2022/2023年冬季全国平均气温较常年同期偏高0.2℃,我国大部地区气温偏高;全国平均降水量较常年同期偏少24.6%,空间上呈现北多南少的分布形势。东亚冬季风标准化指数为0.25,较常年同期略偏强;西伯利亚高压标准化强度指数为0.47,较常年同期略偏强;冬季北极涛动指数为-0.6,“前负后正”的阶段性特征显著;西太平洋副热带高压强度指数为-45.6 gpm,较常年同期偏弱;冬季欧亚大陆中高纬地区500 hPa为西高东低的环流形势,我国除华北、东北高度场偏低外,其余地区高度场偏高。冬季大气环流具有显著的季节内变化特征,12月为异常经向型环流,2月转为纬向型环流;对应冬季风也表现为前强后弱的变化趋势。北大西洋海温三极子(NAT)与乌拉尔山500 hPa高度场相关结果显示,8月、9月NAT与12月乌拉尔山地区高度场呈显著负相关,前期NAT异常负位相(正位相)有利于前冬东亚经向环流加强(减弱)。

引 言

我国位于东亚季风区,东亚冬季风的异常对我国冬季的天气气候有着直接的影响(朱乾根,1990;黄荣辉等,2014)。作为北半球冬季最活跃的大气环流系统之一,东亚冬季风与全球范围的大气环流变化紧密联系,季风的强度、季节和年际变化均与大气环流的异常密切相关,冬季风偏强时,对流层中低层乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚近地面高压偏强,高压前部偏北气流引导中高纬冷空气南下,不仅导致我国中东部大部地区气温偏低(丁一汇等,2004;Li et al,2021),同时极易发生寒潮,引发剧烈的低温冷冻灾害,给国民经济尤其是农林、畜牧、交通运输、电力等行业及人民生命财产安全造成严重的危害(郑国光,2019)。反之当东亚冬季风偏弱时,乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚高压均偏弱,冷空气被阻挡在中高纬地区,我国则容易出现暖冬(Chang and Lun,1982;高辉,2007;聂羽等,2016)。

另外,由于北大西洋暖流是最主要的向北极输送热量的洋流,秋季北大西洋暖流偏强会导致北极海冰异常偏少,因此北大西洋海温与冬季风的关系也受到了越来越多的关注。利用北大西洋海温资料和大气再分析资料,聂羽等(2016)分析了秋季北大西洋海温三极子和北大西洋涛动(North Atlantic oscillation,NAO)之间的关系,发现从次季节的角度两者有很好的相关关系。还有研究发现秋、冬季大西洋海温异常能够激发出定常波列,引起乌拉尔山地区阻塞高压的生成和发展,导致西伯利亚高压加强,使得东亚冬季风异常(李崇银和顾薇,2010;Luo et al,2016;Chen et al,2019)。这些研究强调了北大西洋暖流对东亚冬季风偏强的重要作用。

近年来国家气候中心每年都及时开展冬季气候异常特征的分析及成因诊断工作(丁婷等,2017;章大全和宋文玲,2018;支蓉和高辉,2019;支蓉和郑志海,2022;赵俊虎等,2020;韩荣青等,2021)。2022/2023年冬季(2022年12月至2023年2月),东亚冬季风强度较常年同期(文中所用多年平均时段为1991—2020年平均)略偏强,西伯利亚高压强度接近常年同期,我国平均气温较常年同期偏高,但气温的波动性较大,具有前冬冷后冬暖的特征,前冬偏冷时段主要发生在2022年12月,除东北北部、西南地区及青藏高原气温较常年同期偏高外,我国其余大部地区气温偏低,全国有多个国家气象站日最低气温达到极端事件监测标准。冬季全国平均降水量较常年同期明显偏少,尤其是南方地区偏少更为明显。对于2022/2023年我国冬季气温异常空间分布及阶段性特征与东亚大气环流之间有着怎样的联系?除了ENSO循环外,是否还有其他因子可能与前冬气温异常偏低有关,包括相互之间存在怎样的关系?本文将针对以上问题展开分析。

1 资料和方法

2 2022/2023年冬季我国气候异常特征

2.1 2022/2023年冬季我国气温异常特征

2022/2023年冬季,全国平均气温为-2.9℃,较常年同期(-3.1℃)偏高0.2℃(图1a)。从全国冬季气温距平的空间分布来看(图1b),河北北部、内蒙古东北部、黑龙江北部、贵州西部、新疆西部和北部等地气温偏低0.5～2℃,全国其余大部地区气温接近常年同期或偏高,其中吉林中部、四川西北部和西南部、云南西南部、西藏大部、青海南部等地气温偏高1～2℃。

图1 (a)1961/1962—2022/2023年冬季全国平均气温距平历年变化及(b)2022/2023年冬季全国气温距平分布Fig.1 (a) Time series of winter mean temperature anomalies over China during 1961/1962-2022/2023 and (b) distribution of temperature anomalies over China in winter 2022/2023

2022/2023年冬季气温阶段性起伏大,前冷后暖,冬季3个月的全国平均气温分别为-4.2、-4.4和0.3℃,其中2022年12月较常年同期偏低1.2℃,2023年1月和2月分别较常年同期偏高0.4℃和1.6℃。由逐月气温的空间分布可见,2022年12月(图2a),除东北北部、西南、西藏等地气温较常年同期偏高外,全国其余大部地区偏低;2023年1月(图2b),除内蒙古东北部、东北北部、西南地区东南部、西北、新疆等地气温偏低外,其余地区气温偏高;2月(图2c)全国大部分地区气温偏高。从旬时间尺度来看(图2d),2022年12月各旬平均气温均偏低,2023年1月上旬偏高2.0℃,为1961年以来历史同期第五高,1月下旬偏低0.8℃, 2月增温迅速,上旬偏高2.1℃,为1961年以来历史同期第五高。根据国家气候中心冷空气监测标准(王遵娅等,2017),2022/2023年冬季共有12次冷空气过程影响我国,冷空气累计日数为31 d(表1),次数较常年同期(10.7次)偏多。其中一般性冷空气过程7次,强冷空气过程2次,寒潮和全国型寒潮过程合计3次。全国有168个国家气象站日最低气温达到极端事件监测标准,其中黑龙江呼中(-49.8℃)、新林(-48.3℃)等13个站突破当地历史极值。全国有169个国家气象站日降温幅度达到极端事件监测标准,其中黑龙江桦川(14.9℃)、安徽马鞍山(14.2℃)等23个站突破当地日降温幅度历史极值。1月22日07时黑龙江漠河市阿木尔镇劲涛气象站最低气温达到-53℃,刷新我国有完整气象记录以来历史最低气温值。

表1 2022/2023年冬季冷空气过程Table 1 Cold air events over China in winter 2022/2023

图2 (a)2022年12月, 2023年(b)1月和(c)2月全国平均气温距平分布,(d)2022/2023年冬季逐旬全国平均气温距平Fig.2 Distribution of temperature anomalies over China in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023 and (d) dekad mean temperature anomalies over China in winter 2022/2023

2.2 2022/2023年冬季我国降水异常特征

2022/2023年冬季,全国平均降水量为31.8 mm,较常年同期(42.1 mm)偏少24.5%(图3a)。与常年同期相比,北京、河北大部、山西中部和北部、内蒙古西部、陕西北部、甘肃中部、青海东北部、宁夏、新疆西南部等地降水量偏多2成至2倍,局地偏多2倍以上;全国其余大部地区降水以偏少为主,其中山东东部、湖北东南部、广西西部和北部、四川南部、云南大部、西藏中部、青海南部、新疆东部等地偏少5～8成,局地偏少8成以上(图3b)。

图3 (a)1961/1962—2022/2023年冬季全国平均降水量历年变化和(b)2022/2023年冬季全国降水量距平百分率分布Fig.3 (a) Time series of winter mean precipitation over China during 1961/1962-2022/2023 and (b) distribution of precipitation anomaly percentage in winter 2022/2023

2022年12月,除内蒙古西部、黑龙江东部、浙江东南部、福建东北部、四川南部、贵州、云南、新疆北部等地降水较常年同期偏多外,我国其余大部地区降水偏少。全国平均降水量为7.5 mm,较常年同期(11.9 mm)偏少37.0%(图4a)。2023年1月,北京、天津、河北、山西、内蒙古大部、辽宁、吉林东南部、安徽北部、广东大部、广西东南部、海南、西藏西部、青海西部、新疆大部等地降水较常年同期偏多,我国其余地区降水偏少。全国平均降水量为8.8 mm,较常年同期(14.3 mm)偏少38.5%(图4b)。与冬季前2个月相比,2月降水偏多的地区明显增多,其中北京、河北、山西、黑龙江西南部、四川西部、西藏东部、陕西北部、甘肃中东部、青海北部、新疆东部和西部偏多1倍以上,部分地区偏多2倍。全国平均降水量为15.5 mm,接近常年同期(16.1 mm)(图4c)。

图4 (a)2022年12月,2023年(b)1月和(c)2月全国降水量距平百分率分布Fig.4 Distribution of the precipitation anomaly percentages over China in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023

3 2022/2023年冬季北半球大尺度环流及东亚冬季风活动特征

3.1 北半球大尺度环流背景

2022/2023年冬季,欧亚大陆中高纬地区500 hPa高度场呈西高东低的分布形势(图5a),贝加尔湖以西到欧洲均为高度场正距平控制,贝加尔湖以东到亚洲东北部为高度场负距平。我国除华北和东北地区高度场偏低外,其余地区均为高度场正距平控制。另外,热带地区高度场为负距平。在700 hPa平均风场距平场上(图5b),孟加拉湾附近为反气旋式环流异常,冬季南支槽不活跃,我国东部大陆为偏东北风异常控制,来自西南的水汽输送较弱,是我国冬季大部地区降水异常偏少的直接原因。对冬季AO的监测结果显示,整个冬季3个月的平均AO指数为-0.6,同时AO“前负后正”的阶段性特征显著(图5c),表现为12月和1月负指数,2月转为正指数。对西太副高的监测显示,其冬季大部分时间强度偏弱(图5d)、面积偏小(图略)、脊线位置略偏北(图略)。

图5 2022/2023年冬季(a)平均500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及距平场(填色),(b)700 hPa风场距平(风矢),(c)AO指数和(d)西太副高强度指数逐日演变Fig.5 (a) The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and anomalies (colored), (b) 700 hPa wind anomalies (wind vector), and (c, d) daily variations of (c) Arctic oscillation and (d) intensity index of Northwest Pacific subtropical high in winter 2022/2023

2022/2023年冬季大气环流具有显著的季节内变化特征:2022年12月(图6a),欧亚中高纬地区500 hPa高度场呈西高东低分布,乌拉尔山地区高度场为正距平控制,东亚大部地区为高度场负距平,同时极地地区高度场为正距平,对应AO为强的负位相,这种环流分布有利于极地冷空气南下影响我国,导致12月我国大部地区气温异常偏低。12月副热带地区高度场偏低,西太副高强度偏弱,印度北部至孟加拉湾高度场为正距平,即南支槽强度偏弱,水汽输送偏少,这是我国大部地区降水异常偏少的直接原因。2023年1月欧亚中高纬地区500 hPa仍为西高东低的环流形势,乌拉尔山地区高度场为正距平,贝加尔湖以东地区为高度场负距平,我国除华北、东北高度场偏低外,其余地区高度场均为正距平,这种环流形势下冷空气影响偏北,因此我国南方大部地区气温偏高。进入2月之后,环流形势进一步向纬向型调整,极地高度场为负距平,AO也由前期的负位相转变成正位相,乌拉尔山地区高度场正距平明显减弱,我国上空高度场为正距平,这种环流形势不利于极地冷空气南下影响我国,导致我国2月气温较常年同期明显偏高。

图6 (a)2022年12月,2023年(b)1月和(c)2月平均500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及距平场(填色)Fig.6 The monthly mean geopotential height (contour, unit: gpm) and anomalies (colored) at 500 hPa in (a) December 2022, (b) January and (c) February 2023

3.2 东亚冬季风活动特征

东亚冬季风是东亚气候系统的重要组成部分,其强弱对中国冬季的气候异常有重要影响。2022/2023冬季,冬季风标准化强度指数值为0.25,西伯利亚高压标准化强度指数为0.47。两个指数均显示2022/2023年冬季东亚冬季风强度较常年同期略偏强,但弱于2021/2022年冬季(图7a,7b),这与我国冬季气温整体接近常年同期但较去年冬季偏高的特征对应。

图7 1961/1962—2022/2023冬季(a)东亚冬季风标准化强度指数和(b)西伯利亚高压标准化强度指数历年变化Fig.7 Variations of (a) East Asia winter monsoon standardized intensity index and (b) Siberian high standrdized intensity index in winters of 1961/1962-2022/2023

为了进一步分析冬季气候的阶段性变化特征,计算分析了东亚冬季风和西伯利亚高压强度指数的逐候演变特征(图8)。2022/2023年冬季东亚冬季风指数的逐候演变与我国冬季气温的阶段性变化特征一致。2022年12月冬季风处于异常偏强的状态,对应乌拉尔山地区高度场异常偏高,欧亚中高纬环流为西高东低的异常经向型分布,AO也处于明显的负位相。2023年1月上半月,随着环流形势的调整,冬季风强度指数异常偏弱,我国气温明显回升,但下半月冬季风强度再次加强,加之前期气温回升明显,因此下半月共有3次寒潮过程影响我国。进入2月之后,冬季风强度再次转弱,尽管在2月第3候冬季风短暂加强,但由于整月欧亚中高纬环流基本以纬向型环流为主,AO也由前期的负位相转为正位相,同时我国上空高度场为正距平控制,锋区位置偏北,最终使2月全国气温显著偏高。综合来看,东亚冬季风阶段性特征与我国平均气温的季节内变化特征表现为明显的反相关关系。

图8 2022/2023冬季东亚冬季风强度指数逐候演变Fig.8 Pentad variation of East Asia winter monsoon intensity index in winter 2022/2023

4 2022年12月我国异常偏冷成因分析

2022/2023年冬季全国平均气温较常年同期偏高,但气温的阶段性变化特征明显,前冷后暖起伏大,尤其在2022年12月,除青藏高原外,全国大部地区气温异常偏低,其中华北中北部、东北东南部、华南东南部、新疆大部等地偏低2～4℃。这种现象与同期欧亚中高纬大气环流形势密切相关。乌拉尔山地区500 hPa高度场受正异常控制,欧亚中高纬维持较强的经向型环流,有利于极地冷空气南下影响我国。那么,是什么原因导致12月乌拉尔山地区高度场偏高,以及能否找到前期的预测信号呢?

研究表明,由于大气具有典型的非线性特征,对于季节和季节内时间尺度的气候预测一直是一个巨大的挑战,尤其冬季气候受到以大气内部动力为主的中高纬系统影响,其预报难度更大(丁一汇,2011)。韦玮等(2014;2020)认为引起冬季季内气温变化的主要因子为大气内部遥相关型,在前后冬冷暖相反的年份,对流层中层斯堪的纳维亚遥相关型是季节内冬季风环流一致加强或减弱的主要原因。对华北地区冬季季内极端冷暖快速反转事件的机理研究发现,源于喀拉海附近的Rossby波可在欧亚大陆高层形成波列从而造成新西伯利亚平原—东亚的偶极型冷暖中心向东南方向传播,造成暖转冷事件。而在冷转暖事件中,Rossby波起源于北欧(Ma and Zhu,2020)。马锋敏等(2022)通过对中国冬季气温不同年代际的季节内变化特征及成因分析发现,从年代际的时间尺度看,1986年之后前冬和后冬的环流差异集中在欧亚大陆中高纬地区,导致我国北方地区季节内反位相变率增大。

NAO作为北半球中高纬地区大气环流变化的重要组成部分,一直以来备受学者关注。Yao et al(2023)从位涡梯度的角度分析了2022年11—12月北半球出现极端强降温事件的可能原因,认为北半球中高纬出现位涡梯度异常时,NAO由正位相向负位相转变,导致乌拉尔山地区12月阻塞高压活跃,引导极地冷空气南下使我国大部地区气温异常偏低。Nie et al(2019)研究了秋季NAT和NAO的关系,发现从次季节的角度来看,两者有很好的相关关系。那么秋季的NAT与冬季的中高纬大气环流有无联系呢?对NAT的逐月监测可以发现(图9),投影模态的NAT指数在秋季尤其是9月和10月出现异常的负位相,其异常程度超过了1倍标准差。那么秋季的NAT异常能否对冬季的北半球环流产生影响呢?利用NAT与乌拉尔山地区平均高度场进行超前滞后相关(图10),结果表明8月、9月的NAT与12月乌拉尔山地区的500 hPa平均高度场为显著的负相关关系,并通过了0.05的显著性水平检验,说明当8月、9月的NAT为负位相时,有利于12月乌拉尔山地区高度场出现正距平。而和1月、2月的相关结果显示并没有类似12月的显著的负相关关系。这与2022年8月、9月NAT持续异常负位相,12月乌拉尔山地区高度场正距平,欧亚遥相关型正位相这一事实相符。正是12月乌拉尔山地区高度场持续受正距平控制,有利于冷空气南下,导致我国大部地区气温偏低。

图9 2020年3月至2023年2月NAT指数逐月演变Fig.9 Monthly variation of NAT index from March 2020 to February 2023

注:虚线表示通过0.05的显著性水平检验。图10 1991—2022年(a)12月,(b)1月和(c)2月乌拉尔山500 hPa平均高度场与逐月NAT超前滞后相关Fig.10 Lead/lag correlation between 500 hPa Ural Mountains Region mean geopotential height and the monthly NAT index in (a) December, (b) January and (c) February of 1991-2022

5 结论与讨论

本文利用站点观测资料和再分析资料,详细分析了2022/2023年冬季我国气温、降水的主要气候特征、大尺度大气环流异常、东亚冬季风季节及季节内特征,并讨论分析了前冬12月导致我国气温异常偏低的可能原因,得出以下结论:

(1)2022/2023年冬季,全国平均气温为-2.9℃,较常年同期偏高0.2℃,全国大部地区气温较常年同期偏高,尤其青藏高原平均偏高1℃以上。全国平均降水量为31.8 mm,较常年同期偏少24.5%,全国降水距平百分率空间上呈现北多南少的分布形势。从气温和降水的季内变化特征来看,冬季气候表现为明显的“冷干”向“暖湿”的转变特征。

(2)2022/2023年冬季欧亚大陆中高纬地区500 hPa 高度场呈西低东高的分布形势,我国除华北和东北高度场偏低外,其余地区均为高度场偏高,冬季AO 3个月平均为-0.6。冬季风标准化强度指数和西伯利亚高压强度指数表明冬季风强度较常年同期略偏强,但弱于2021/2022年冬季。2022/2023年冬季大气环流表现为明显的季节内变化特征,在前冬欧亚中高纬环流表现为典型的经向型环流特征,AO为强的负位相,冬季风强度异常偏强;之后环流形势逐渐向纬向型调整, 2023年2月乌拉尔山高度场正距平明显减弱,我国上空为高度场正距平,同时极地转为高度场负距平控制,对应AO也转变为正位相,冬季风强度偏弱。另外,西太副高和印缅槽在整个冬季强度偏弱,不利于对我国尤其是南方地区的水汽输送。

(3)冬季全国平均气温较常年同期偏高,但阶段性特征非常明显,前冷后暖起伏大,尤其在2022年12月,除青藏高原外,全国大部地区异常偏低。前期8月和9月的NAT与12月乌拉尔山地区的高度场呈显著的负相关关系,当8月、9月的NAT为负位相时,有利于12月乌拉尔山地区出现高度场正距平,而前期NAT与1月、2月的乌拉尔山地区高度场没有显著的相关关系。

近年来,我国冬季季节内气温变化的“冷—暖”或“暖—冷”现象频繁发生。本文发现2022年8月和9月NAT异常负位相有利于同年12月乌拉尔山地区高度场出现正距平。这一分析结果可能对冬季预测尤其是前冬的环流形势预测具有参考意义。Nie et al(2019)从次季节角度开展了秋季NAT对中高纬大气影响的机理研究,但是从更长的跨季节的时间尺度NAT与大气环流的影响机理,未来还需要开展进一步的研究工作。