2023年4月大气环流和天气分析*

赵英珊 张 涛 曹艳察

国家气象中心,北京 100081

提 要：2023年4月北半球极涡强度偏强且呈偶极型分布;中高纬环流呈异常四波型,亚洲环流较平直。我国北方基本为500 hPa高度场负距平,副热带高压较常年偏弱,南支槽较常年偏西偏弱。全国平均气温为11.4℃,较常年同期偏低0.1℃。全国平均降水量为48.7 mm,较常年同期(43.6 mm)偏多11.7%,其中西北和华北地区降水较常年同期显著偏多。月内冷空气过程频繁,出现4次冷空气过程,降温幅度大;全国范围内共发生4次大范围暴雨过程,6次区域性强对流过程,局地强度强。此外,北方地区出现6次沙尘天气过程,云南等地干旱持续发展。

引 言

2023年4月,全国平均气温为11.4℃,较常年同期(11.5℃)偏低0.1℃。西北地区大部、华北中西部气温偏低1℃左右,新疆东部偏低2℃以上,全国其余大部地区气温较常年同期偏高。全国平均降水量为48.7 mm,较常年同期(43.6 mm)偏多11.7%(国家气候中心,2023)。月内冷空气过程频繁,共出现4次冷空气过程,降温幅度大;4月降水量分布呈现北少南多,距平分布则相反,表现为显著北多南少,其中,华北和西北地区降水较常年明显偏多,其中山西、陕西等省份多地日降水量突破历史同期极值。全国范围内共发生4次暴雨过程,山西、陕西出现了历史同期少见的强降雪过程;6次区域性强对流过程,局地强度强。此外,北方地区出现6次沙尘天气过程,云南等地干旱持续发展。

1 天气概况

1.1 降 水

4月,全国平均降水量为48.7 mm,较常年同期(43.6 mm)偏多11.7%。从空间分布来看(图1),降水呈西北—东南阶梯递增分布,西北地区东南部、华北西南部、西南地区东部、黄淮至江南地区北部等地降水量为50～100 mm,江汉东部、江南中南部、华南中东部等地降水量达100～250 mm,部分地区超过300 mm。此外,山西、陕西局地出现100 mm以上降水中心。全国其余大部地区降水量在50 mm以下,其中新疆南部、西藏西部、青海西北部、云南大部、东北地区北部降水量在10 mm以下。

图1 2023年4月全国降水量分布(单位:mm)Fig.1 Distribution of precipitation (unit: mm) in China in April 2023

与常年同期相比(图2),我国内蒙古东部、新疆东北部、西藏西南部、西南地区南部、华南西南部及浙江北部等地降水量偏少2～8成,其中新疆东北部、云南中北部、四川南部等地偏少8成以上。华南虽已进入前汛期,但与常年相比,华南西南部降水量偏少2～5成。全国其余地区降水以偏多为主,西北地区东部、内蒙古西部、华北大部、黄淮大部、江汉东部、新疆东南部、西藏东北部、东北地区东南部降水量较常年同期偏多5成至2倍,其中内蒙古中西部、陕西北部、山西大部等地偏多2倍以上。

图2 2023年4月全国降水量距平百分率分布(单位:%)Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage (unit: %) in China in April 2023

1.2 气 温

2023年4月,全国平均气温为11.4℃,较常年同期(11.5℃)偏低0.1℃(国家气候中心,2023)。除新疆、西北地区大部、华北中西部等地气温偏低1～2℃、新疆东北部偏低2℃以上外,全国其余大部地区气温较常年同期偏高,其中东北地区南部、山东东部、西南地区东部、长江中下游部分地区气温偏高1～2℃,四川南部、云南中东部、贵州西南部、广西西部等地的部分地区偏高2～4℃(图3)。

图3 2023年4月全国平均气温距平分布(单位:℃)Fig.3 Distribution of monthly mean temperature anomaly (unit: ℃) in China in April 2023

2 环流特征和演变

2023年4月北半球500 hPa平均位势高度场及距平的水平空间分布如图4所示,4月北半球环流形势相比常年平均具有以下特点。

图4 2023年4月北半球500 hPa(a)平均高度场和(b)距平场(单位:dagpm)Fig.4 (a) Monthly average geopotential height and (b) monthly geopotential height anomaly at 500 hPa in the Northern Hemisphere in April 2023 (unit: dagpm)

2.1 极涡呈偶极型分布

与往年同期(华珊等,2022;麦子等,2021;关良等,2020)的单极型极涡相比,2023年4月,北半球极涡呈异常偶极型分布(图4a),极涡中心一个位于北极圈内,中心偏向格陵兰岛以西洋面,另一个位于东半球中西伯利亚附近,位置较为不对称,中心强度均低于520 dagpm,强度相当。距平场表明(图4b),相对于气候平均态,极涡强度略有增强,北极圈内极涡中心对应距平为-2～0 dagpm,东半球极涡中心对应距平为-4～-2 dagpm。与2023年3月位于拉普捷夫海西部的较强极涡(麦子和张涛,2022)相比,4月东半球极涡位置更靠近亚洲大陆,该环流形势导致我国冷空气活动频繁但总体势力不强。

2.2 中高纬环流异于常年,呈四波型,副热带高压较常年偏弱

4月北半球中高纬500 hPa环流常年呈三波型(华珊等,2022;麦子等,2021;关良等,2020),但2023年4月平均位势高度场呈四波型分布(图4a)。长波槽分别位于亚洲东部、欧洲东部、大西洋中西部以及美国西海岸与东太平洋之间。从距平场(图4b)看,北美大槽位置偏东、强度偏强14 dagpm以上。东亚大槽位于正距平区域,槽后有明显负距平,表明东亚大槽比常年偏弱、偏西。东半球阻塞高压强盛,乌拉尔山以西地区为6～10 dagpm的正距平,有利于西伯利亚冷空气聚集并沿西北路径南下影响我国,导致我国多降温和沙尘天气,西北地区气温显著偏低。低纬地区,西太平洋副热带高压(以下简称副高)较常年强度略偏弱,且位置偏东;南支槽位于70°E附近(图4a),较常年同期位置偏西、势力略强(对应距平-2 dagpm左右)(图4b)。受副高及南支槽影响,暖湿气流向我国输送并北上,冷暖空气交汇辐合较强,因此,下旬我国华北地区降水与常年相比显著偏多。

2.3 环流演变与我国天气

图5分别给出了4月上、中、下旬欧亚地区500 hPa 的旬平均位势高度场分布。

图5 2023年4月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬500 hPa平均位势高度场(单位:dagpm)Fig.5 The average geopotential height at 500 hPa for the first (a), second (b), and third (c) dekads in April 2023 (unit: dagpm)

4月上旬(图5a),极涡中心位于80°N以北的北地群岛附近,中心强度为504 dagpm;常年同期东亚大槽的位置表现为浅脊,而其上游的中纬度中亚地区为短波槽,我国中高纬环流平直,因此冷空气势力总体不强且主要影响西部地区,具体表现为月初我国北方的一次强冷空气过程,新疆、甘肃、青海北部及内蒙古中西部气温明显偏低。亚洲东部的浅脊对应低层的入海高压,高压底部和后部的回流形势携带东部海区水汽与南海北上的暖湿气流汇合向我国北方地区输送,造成北方地区多降水且西北地区降水相态复杂,内蒙古、青海、甘肃、宁夏、陕西、山西等地出现降雪、雨夹雪或降雨天气。受降水过程影响,北方大部地区上旬降水较常年同期偏多5成至2倍,山东等地气象干旱缓解。

4月中旬(图5b),环流形势发生变化。东亚大槽建立,欧亚大陆中高纬呈现西高东低的环流形势。极涡分裂南移,主体位于西西伯利亚地区,中心强度为512 dagpm,有利于冷空气在该地区聚集,并在西北气流的引导下,多股冷空气南下影响我国北方地区。4月18—21日,新疆东部和南部、甘肃西部和北部、内蒙古中西部、宁夏中北部、陕西西北部局地出现强沙尘暴。但由于缺少乌拉尔山阻塞高压的加持,欧亚大陆环流经向性不大,因此,冷空气频繁但势力不强。4月中旬我国大部地区多晴好天气,辐射增温削弱了冷空气势力,造成北方大部地区气温较常年同期明显偏高。在低纬地区,副高较上旬总体偏强,影响范围扩大,西至印缅半岛。南支槽无明显发展,我国南方受偏西或西北气流控制,气温偏高且少雨,云南等地气象干旱持续发展。

4月下旬(图5c),环流形势与中旬类似,但略有调整。极涡东移出西伯利亚,新地岛至西西伯利亚再到鄂霍次克海上空存在不连续的低涡中心,中心强度为532 dagpm。堆积在西伯利亚的冷空气强度减弱,但仍有多股冷空气南下。东亚大槽稳定维持,位置略有东移,中高纬地区仍然维持西高东低的环流形势。低纬地区副高减弱东退,南支槽加强,槽前西南气流携带孟加拉湾和南海的水汽进入我国南方地区,同时锋区整体南压,冷空气势力向南发展,冷暖气流强烈交汇,造成江南、华南的部分地区降水天气频发。同时,受高压底部东风输送的东部海区水汽和低空西南暖湿气流输送水汽的共同影响,西北地区大部出现降雪或雨夹雪天气,山西的部分地区出现大雪,山西吕梁、临汾、运城、太原和陕西延安、榆林等12个国家站日降水量突破4月历史极值。冷空气影响叠加大范围降水云系造成的短波辐射减弱,降水的融化和蒸发潜热吸收,使得我国华北、华中地区气温异常偏低。

3 冷空气活动和沙尘天气

3.1 冷空气过程频繁,降温幅度大

4月我国共出现4次冷空气过程,较常年同期(2.8次)偏多(国家气候中心,2023),影响时段分别为2—4日、13—15日、19—22日、29—30日(表1)。19—22日属于全国性强冷空气过程,2—4日为北方强冷空气、全国性中等强度冷空气过程,13—15日和29—30日为全国性中等强度冷空气过程。其中,19—22日过程具有降温幅度大,影响范围广等特点。由于我国大部地区前期气温明显偏高,而此次过程降温幅度较大,多地形成快速冷暖逆转。

表1 2023年4月主要冷空气过程Table 1 Major cold air processes in April 2023

3.2 北方大部沙尘天气偏多

4月,受蒙古气旋和地面冷锋共同影响,我国北方地区先后出现6次沙尘天气过程,分别发生于3—4日、9—13日、13—15日、18—21日、25日、27—29日(表2),其中18—21日为强沙尘暴,9—13日、27—29日为沙尘暴,其余3次均为扬沙天气过程,过程次数较2000—2020年同期平均值(4.3次)偏多(国家气候中心,2023)。

表2 2023年4月主要沙尘过程Table 2 Major sand-dust weather processes in April 2023

4月沙尘天气明显偏多的原因是沙源地下垫面状况利于起沙且大气环流形势有利于沙尘向我国输送。2023年植被生长季,蒙古国降水较常年同期偏少,高温少雨导致沙源地植被覆盖情况较差,不利于抑制沙尘源地起沙。同时,极涡势力偏强且分裂南移,有利于蒙古气旋生成,造成蒙古国和我国北方多大风天气,其将沙尘卷扬至空中,并随着冷空气自蒙古国向我国传输。

4月18—21日,地面冷锋及蒙古气旋东移,造成我国西北至华北一带出现扬沙或沙尘暴天气,其中新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西等地局地出现强沙尘暴。环流背景场显示,18日08时500 hPa低涡位于西西伯利亚地区, 20日08时东移至东北地区;由18日08时海平面气压场(图6a)可见一个明显的气旋中心,位于蒙古国南部至我国内蒙古中西部地区(中心强度为1000 hPa),冷高压主体位于中亚东部,地面锋面位于冷高压前侧。低涡后部对应的地面冷高压南下,配合前部地面蒙古气旋的发展,使得冷锋后部气压梯度和变压梯度加大,形成大范围的西北大风。18日08时内蒙古中西部多站探空图(图略)显示,该地区低层干绝热较为深厚,干绝热层结配合中低空西北急流有利于更活跃的湍流交换,使得动量下传加大地面大风和沙尘上扬升空,从而有利于我国内蒙古中西部等沙源地起沙,并在低空西北气流引导下向下游传输。实况监测显示,18日08时起新疆东部和南疆盆地、内蒙古西部、甘肃中西部等地出现沙尘暴,部分站点出现强沙尘暴,甘肃民勤最低能见度仅为110 m,PM10质量浓度极大值超过7000 μg·m-3,此后沙尘向东南方向扩展,我国东北、华北等地也先后出现扬沙或浮尘天气。至20日08时,地面冷锋南段移至黄淮地区和西北地区东南部(图6b),锋后冷高压主体位于蒙古国及内蒙古西部,且中心略有北抬,西北地区地面由高压前部偏西气流转为高压底部偏东气流,华北一带的沙尘回流至西北地区,造成沙尘天气在西北地区维持。之后随着锋面系统进一步东移,沙尘天气于21日白天结束。

图6 2023年4月(a)18日08时、(b)20日08时500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)、10 m风场(风羽)和海平面气压场(阴影)Fig.6 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm), 10 m wind field (barb) and sea level pressure (shaded) at (a) 08:00 BT 18 and (b) 08:00 BT 20 April 2023

4 主要降水过程和强对流过程

4.1 概 况

4月我国主要出现4次暴雨过程(表3)和6次区域性强对流过程(表4),强对流过程次数相比于常年同期偏多,局地强度强。月内,西南地区东部、华南、华中、华东等地的部分地区遭受强对流天气影响,其中湖南、贵州、江西灾害影响较为严重(国家气候中心,2023)。

表3 2023年4月主要降水过程Table 3 Major precipitation processes in April 2023

表4 2023年4月主要强对流过程Table 4 Major severe convection processes in April 2023

4.2 4月20—23日北方雨雪混合强降水过程

受短波槽、低空切变线和东风回流共同影响,20—23日,我国中东部出现大范围雨雪降温天气,其中山西和陕西的部分地区日降水量突破历史同期极值,并出现了强降温和强降雪,过程平均气温下降超过18℃,累计降雪量超过10 mm,局地达30 mm以上,是一次历史同期罕见天气过程。

本次大范围降温和混合相态降水过程的环流背景很有特点,比较少见,主要表现为影响我国的高空环流整体平直,并没有较强的短波槽脊活动,相应低层也并没有很强的北方冷平流和偏南低空急流,这种环流形势下,天气持续而稳定(图7)。北方高空为平直西北气流,引导低层冷空气以偏东风或东北风渗透南下,南方低纬的平直气流上有短波浅槽东移引导低空西南气流在低层冷垫上向北爬升,造成了大范围的持续降水天气。而地面冷高压底部的偏东风不仅提供了冷垫的作用,其稳定而持续从东部海区输送的水汽,也是重要的水汽来源。在并不强的冷平流以及持续降水天气造成寡照的背景下,混合相态降水融化和蒸发等非绝热因素,造成了较大范围的降温和低温。

图7 2023年4月20日08时500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)、850 hPa风场(风羽)Fig.7 Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm), wind field(barb) at 850 hPa

本次降水和降温过程覆盖了我国中东部大部地区,虽然累计最大降水发生在南方,但最异常的部分却在北方,特别是山西和陕西等地,历史同期罕见。图8给出了造成降温雨雪的关键天气系统配置。21日20时,850 hPa上北方大部处于冷槽控制区,山西和陕西位于冷中心,强度达到0℃以下,冷中心与700 hPa西南风相对应,代表低空西南风在冷垫上向北爬升。700 hPa华北黄淮地区出现显著湿舌,整层可降水量达20～30 mm,是地面东风和低空西南风共同汇聚向北输送的贡献。暖湿气流沿冷垫爬升造成稳定的阴雨雪天气,持续时间较长,山西长治、临汾、吕梁、陕西延安等地普降大雪,山西和陕西的部分地区总降水量超过50 mm,最大为山西绛县达126.9 mm。同时,本次过程伴随有大范围的降温,特别是山西和陕西等地,过程平均气温的最大降幅普遍超过18℃。

图8 2023年4月21日20时(a) 850 hPa风场(风羽)和温度场(等值线和阴影),(b)700 hPa风场(风羽)和整层可降水量(等值线和阴影)Fig.8 (a) Wind field (barb) and temperature (contour and shaded) at 850 hPa, and (b) wind field (barb) at 700 hPa and PWAT (contour and shaded) at 08:00 BT 21 April 2023

4.3 4月15日强对流过程分析

15日下午,在高空冷涡后部西北气流影响下,山东、江苏等地出现了一次区域性雷暴大风,并伴随局地冰雹的强对流天气过程。局地极端大风达12级以上,其中,江苏连云港海州桃花涧站最大风速达41.9 m·s-1(13级),沭阳县李恒镇站最大风速达37.6 m·s-1(13级);山东临沂和德州分别出现一次强龙卷和中等强度龙卷天气。

15日08时,500 hPa高度场上东北冷涡东移南压至内蒙古东部地区,中心气压低于536 dagpm(图略),对应温度场上内蒙古东部有一冷槽,华北、黄淮、江淮地区受高空槽后西北气流控制,位于冷平流区,山东、江苏两省温度在-28～-20℃。850 hPa温度场上我国西北地区东部至华北、黄淮一带受暖脊控制,高空冷槽叠加在低层暖脊之上,造成华北、黄淮、江淮地区东部等地对流层中低层温差较大,不稳定层结为强对流天气提供了有利条件(图9)。经15日14时地面温度订正后的徐州站08时探空显示(图10),此次过程整层偏干,仅在925 hPa以下存在浅薄湿层,水汽条件一般;但具备一定的不稳定能量条件,特别是在午后热力增温作用下,不稳定层结有所加强,CAPE超过1000 J·kg-1,下沉对流有效位能高达790 J·kg-1,850 hPa与500 hPa温差达33.5℃,最有利抬升指数达到了-4℃,此外,0～6 km 垂直风切变达22 m·s-1,有利于对流系统触发后的组织化加强,最终形成飑线系统,造成区域性的雷暴大风天气。

图9 2023年4月15日08时500 hPa温度场(等值线,单位:℃)、风场(风羽)、850 hPa温度场(阴影)Fig.9 Temperature (contour, unit: ℃) and wind field (barb) at 500 hPa and temperature (shaded) at 850 hPa at 08:00 BT 15 April 2023

图10 2023年4月15日08时徐州站探空资料经过14时地面温度订正后的探空曲线 Fig.10 The T-lnp diagram of Xuzhou Sounding Station at 08:00 BT 15 April 2023 after being corrected by the surface temperature at 14:00 BT 15 April 2023

5 其他灾害性天气

今年以来,西南地区南部、江南东部、内蒙古东部等地降水较常年同期偏少2成以上,云南大部、四川西南部、贵州西南部、内蒙古东南部等地降水较常年同期偏少5成至1倍。加上同期气温偏高,导致土壤失墒迅速,西南地区南部、华东北部、华中南部、华南等地气象干旱露头并阶段性发展。至30日,受前期降水持续偏少影响,云南大部、四川西南部、贵州西南部、广西西部、海南、江苏南部、浙江北部、内蒙古东南部等地存在中度以上气象干旱,中旱以上面积达到77万 km2,重旱以上面积达到38万 km2,特旱面积达到14万 km2。干旱造成云南湖泊水位不断下降,江河库塘水量减少,全省有21条河流22个水文(位)监测断面出现断流,玉溪、大理等多地出现城市供水和农村人畜饮水困难。

致谢：感谢国家气象中心气象服务室为本文提供月降水量、降水距平百分率和温度距平资料。