2020年夏季我國氣候異常特征及成因分析*

劉蕓蕓 王永光 柯宗建

1 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

提 要： 2020年夏季我國天氣氣候極為異常，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期偏多14.7%，為1961年以來次多；季節(jié)內(nèi)階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要位于江南大部—江淮地區(qū)，8月則主要在東北、華北及西南地區(qū)，致使2020年夏季雨型分布異常，不是傳統(tǒng)認(rèn)識上的四類雨型分布。通過對同期大氣環(huán)流和熱帶海溫等異常特征分析發(fā)現(xiàn)，6—7月，歐亞中高緯環(huán)流表現(xiàn)為“兩脊一槽”型，東亞副熱帶夏季風(fēng)異常偏弱，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)較常年同期顯著偏強、偏西，第一次季節(jié)性北跳偏早，第二次北跳明顯偏晚，且表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)雙周振蕩特征；使得來自西北太平洋的轉(zhuǎn)向水汽輸送偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動相配合，水汽通量異常輻合區(qū)主要位于長江中下游地區(qū)，導(dǎo)致江淮梅雨異常偏多。熱帶印度洋持續(xù)偏暖對維持6—7月西太副高偏強偏西及東亞夏季風(fēng)異常偏弱起到了重要作用。8月，歐亞中高緯環(huán)流調(diào)整為“兩槽一脊”型，蒙古低壓活躍；西太副高也由前期偏緯向型的帶狀分布轉(zhuǎn)為“塊狀”分布，脊線位置偏北；沿西太副高外圍的異常西南風(fēng)水汽輸送延伸至華北—東北南部，形成自西南到東北的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。異常的熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩活動是導(dǎo)致8月中低緯大氣環(huán)流發(fā)生調(diào)整的重要原因。

引 言

中國地處東亞季風(fēng)區(qū)，在東亞季風(fēng)系統(tǒng)多個成員的協(xié)同影響下，氣候復(fù)雜多變，而夏季的氣候異常往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害(黃榮輝等，2006；丁一匯等，2007；Liu et al,2019b；劉蕓蕓和丁一匯，2020)，如1954年和1998年長江流域的洪澇災(zāi)害(鞠笑生，1993；陶詩言等，1998)，1991年、2003年和2007年淮河流域的洪澇災(zāi)害等，都對人民生活造成巨大影響，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p失(陸爾和丁一匯，1996；李維京，1999；徐良炎，2003；高榮等，2018)。在全球變暖背景下，異常和極端的氣候事件頻發(fā)(Donat et al, 2016)，氣候異常的影響變得更大。因此，深入認(rèn)識中國夏季氣候異常特征及成因有助于提高氣候預(yù)測準(zhǔn)確率(袁媛等，2017；鄭志海和王永光，2018；顧薇和陳麗娟，2019；丁婷和高輝，2020;陳濤等，2020；張芳華等，2020)，可更好地為政府和公眾提供保障服務(wù)，對我國的防災(zāi)減災(zāi)部署具有重要意義。

中國夏季天氣氣候既與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中多成員的相互協(xié)同作用有關(guān)，也與中高緯冷空氣的活動密切相關(guān)。同時，東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)還受到海溫等外強迫因子的顯著影響。多數(shù)年份存在多個影響因子相互作用和調(diào)制的問題，尤其當(dāng)這些因子異常程度不特別極端時往往很難客觀診斷各自貢獻(xiàn)。另外，夏季降水的異常是多時間尺度疊加的結(jié)果，既有年際和年代際變化特征，也有季節(jié)內(nèi)變率的影響，這種次季節(jié)-季節(jié)-年代際多時間尺度相互作用，目前仍缺乏系統(tǒng)的研究和清晰的影響機制。深入分析和研究氣候異常的成因?qū)⒂兄谔岣邔夂虍惓５奈锢磉^程及其機理的認(rèn)識。為此，本文將首先回顧2020年夏季氣候異常特征，包括降水、氣溫、臺風(fēng)和洪澇災(zāi)害等，并重點針對汛期降水異常從環(huán)流和海溫等方面進(jìn)行成因分析，希望能夠加深對2020年夏季氣候異常成因的認(rèn)識，為今后的汛期氣候預(yù)測提供更多的參考和依據(jù)。

1 資料與方法

表1 文中所用的關(guān)鍵大氣環(huán)流和海溫指數(shù)定義

2 2020年夏季中國氣候異常特征

2020年夏季，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期(325.2 mm)偏多14.7%，為1961年以來歷史同期次多(圖1a)，僅次于1998年(396.7 mm)。從空間分布看，中國東部大部地區(qū)均降水偏多(圖1b)，長江和黃河流域降水量分別較常年同期偏多38%和39%，均為1961年以來最多，淮河和太湖分別偏多45%和64%，均為次多；松花江和海河流域分別偏多15%和10%。僅遼河和珠江流域降水分別較常年同期偏少7%和15%。

今年夏季中國東部地區(qū)降水階段性特征顯著(圖2)，6—7月多雨帶始終在江南至江淮之間擺動，對應(yīng)江淮流域梅雨入梅早，出梅晚，梅雨季長達(dá)62 d(6月1日至8月2日)，較常年(40 d)偏長22 d，與2015年并列為1961年以來歷史最長。梅雨量為759.2 mm，較常年(343.4 mm)偏多1.2倍，為1961年以來歷史最多。8月，多雨帶移至中國東北、華北和西南地區(qū)中北部地區(qū)，對應(yīng)華北雨季開始較常年(7月18日)偏晚10 d，結(jié)束較常年(8月18日)偏晚9 d，降水量為182 mm，較常年偏多34%，為近8年來最多；同時東北和西南地區(qū)降水量也明顯偏多，其中四川、甘肅均為1961年以來同期最多，黑龍江為次多；其中四川中東部部分地區(qū)降水量超過1 000 mm，都江堰達(dá)到1 080.1 mm，較常年同期偏多3.2倍。

圖1 1961—2020年夏季全國平均降水量歷年序列(a)和2020年夏季全國降水量距平百分率分布(b)

圖2 2020年6—7月平均(a)和8月(b)全國降水量距平百分率分布

2020年夏季全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期(20.9℃)偏高0.6℃(圖3a)。從空間分布看，全國大部地區(qū)氣溫接近常年同期或偏高，其中江南南部、華南東部、西南東南部及遼寧北部、西藏西部等地偏高1～2℃；黑龍江東北部和新疆中部部分地區(qū)偏低1～2℃(圖3b)。其中福建、廣東平均氣溫為1961年以來歷史同期最高，云南、湖南、貴州、海南為次高，江西和廣西為第三高。7月11日之后，江南東南部、華南東部等地出現(xiàn)區(qū)域性高溫天氣過程，持續(xù)時間為1961年以來歷史第二長，僅次于2013年6月29日至8月29日高溫天氣過程。

夏季臺風(fēng)生成(8個)及登陸中國(4個)個數(shù)均比常年同期(11.2個，4.6個)偏少。7月無臺風(fēng)生成和登陸，為1949年以來首次“空臺”的7月；8月臺風(fēng)生成(7個)及登陸(3個)個數(shù)均較常年同期(5.8 個，1.9個)偏多，臺風(fēng)活躍的階段性特征突出。登陸臺風(fēng)具有“生成源地偏西、生命史短、近海加強、影響偏輕”的特點。

圖3 同圖1，但為平均氣溫(a)和平均氣溫距平(b)

總體來說，今年夏季天氣氣候極為異常，夏季全國降水量為1961年以來次多，且階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要在江淮、江南地區(qū)，8月則主要在東北、華北及西南地區(qū)中北部。孫林海等(2005)對中國東部季風(fēng)區(qū)1880 年以來120多年的夏季降水進(jìn)行了客觀分型, 在空間上能夠?qū)⒅鹉甑南募窘邓惓？臻g分布?xì)w為華北型、淮河型、長江型和華南型這四類雨型中的其中一種。然而2020年夏季南北多個流域降水均顯著偏多，致使2020年夏季雨型分布異常，與傳統(tǒng)認(rèn)識上的四類雨型分布有很大差異。全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份氣溫顯著偏高；盛夏江南東南部、華南東部等地出現(xiàn)持續(xù)性的高溫天氣過程，持續(xù)時間為1961年以來第二。夏季臺風(fēng)生成及登陸個數(shù)均偏少，其中7月首次出現(xiàn)“空臺”，8月生成臺風(fēng)異常偏多，臺風(fēng)活躍的階段性特征突出。針對今年夏季降水階段性變化特征，將分為6—7月平均和8月，分別從大氣環(huán)流和海溫等方面對其成因做簡要分析。

3 6—7月大氣環(huán)流異常特征分析

2020年6—7月，歐亞中高緯環(huán)流表現(xiàn)為“兩脊一槽”型，烏拉爾山以西和鄂霍次克海為較強的高壓脊，且向極區(qū)伸展，巴爾喀什湖附近為低壓槽，經(jīng)向度較大，有利于來自于中高緯地區(qū)的冷空氣分別從西部和東路分別南下影響中國(圖4a)。冷空氣活動是持續(xù)性強降水形成的重要因素之一，它能夠促成產(chǎn)生強降水所必需的低層輻合抬升(姚秀萍和于玉斌，2005)。另外，東亞沿海附近為平均低槽區(qū)，且槽區(qū)位勢高度為負(fù)距平，表明東亞沿岸低槽活躍，冷空氣勢力也較強。同時，西太副高較常年顯著偏強、偏西，菲律賓附近對流層低層為異常反氣旋環(huán)流控制(圖4b)，來自西北太平洋的轉(zhuǎn)向水汽輸送明顯偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動配合，造成水汽通量異常輻合區(qū)主要位于長江中下游地區(qū)(圖4c)，導(dǎo)致該地降水明顯偏多。有研究指出，當(dāng)鄂霍次克海高壓建立并穩(wěn)定時，亞洲中高緯度及東亞東部地區(qū)的距平場易分別形成“+-+”的距平波列，這樣的分布形勢及其相互作用容易導(dǎo)致梅雨期降水偏多(張慶云和陶詩言，1998)。2020年6—7月的東亞環(huán)流形勢便呈現(xiàn)出這種典型特征，由此可見中高緯度的環(huán)流異常及其與低緯環(huán)流的相互作用也是非常重要的因素。

圖4 2020年6—7月平均大氣環(huán)流距平場(a)500 hPa位勢高度(等值線，其中紅色等值線表示氣候平均的5 880和5 860 gpm)及距平(填色)，(b)850 hPa距平風(fēng)場(單位：m·s-1)，(c)整層水汽通量(箭頭，單位：kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色，單位：10-5 kg·m-2·s-1)

關(guān)鍵環(huán)流指數(shù)監(jiān)測也顯示出一致的特征：2020年6—7月平均的西太副高指數(shù)較氣候平均明顯偏強、偏西，其中強度指數(shù)為1961年以來歷史第二，僅次于2010年同期(圖5a～5c)；東亞副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)為-2.6，為1961年以來最弱(圖5e)。盡管6—7月平均的脊線指數(shù)與氣候平均值非常接近(圖5d)，劉蕓蕓和丁一匯(2020)通過分析6—7月對流層關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)的次季節(jié)演變特征發(fā)現(xiàn)，西太副高第一次季節(jié)性北跳偏早，長江流域提前進(jìn)入梅汛期，第二次北跳明顯偏晚，導(dǎo)致梅汛期時間長，雨帶長時間在長江流域附近維持；梅汛期內(nèi)西太副高表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)雙周振蕩特征，共經(jīng)歷了6次北抬和南撤過程[劉蕓蕓和丁一匯(2020)中圖4]，對應(yīng)低層一次次加強的西南暖濕水汽向北輸送，并配合冷空氣多次南下侵入到30°N附近地區(qū)，冷暖空氣在江南—江淮流域頻繁交匯，加劇了江淮流域強降水過程的持續(xù)性和異常程度。

圖5 1961—2020年6—7月平均西太副高指數(shù)和東亞夏季風(fēng)指數(shù)的歷史序列(a)副高面積指數(shù),(b)副高強度指數(shù)，(c)副高脊線指數(shù),(d)副高西伸脊點，(e)東亞夏季風(fēng)指數(shù)

圖6 2020年1—8月和IOBM指數(shù)的逐月演變(a),1981—2020年1—8月逐月西太副高強度指數(shù)與同期和IOBM指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(b)

4 8月大氣環(huán)流異常特征分析

8月，歐亞中高緯環(huán)流形勢發(fā)生明顯調(diào)整，由前期“兩脊一槽”型轉(zhuǎn)為“兩槽一脊”型，貝加爾湖以北至極地為顯著正高度距平，而烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)由前期的正位勢高度距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平；同時蒙古低壓活躍，有利于來自極區(qū)的冷空氣從中路南下影響中國東部地區(qū)；8月的西太副高也較6—7月有明顯調(diào)整，由前期的偏緯向型的帶狀分布轉(zhuǎn)為經(jīng)向跨度大的塊狀分布，脊線位置偏北(圖7a)。低層環(huán)流場也可以看到在西北太平洋上為明顯的異常反氣旋性環(huán)流(圖7b)，其位置較6—7月明顯偏北(圖4b)。受其影響，沿西太副高外圍的異常西南風(fēng)水汽輸送自南向北延伸至華北—東北南部(圖7c)，與來自極區(qū)的中路南下冷空氣頻繁在西太副高的西北側(cè)交匯，從而形成自四川到東北的“西南—東北”向的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。

8月的大氣環(huán)流形勢為何會發(fā)生顯著變化，尤其在中低緯地區(qū)西太副高較前期明顯北抬，導(dǎo)致中國北方大部降水偏多？這與8月熱帶大氣低頻振蕩(MJO)加強并東傳至西太平洋(第6～7位相)有關(guān)。通常，MJO在印度洋區(qū)域(第2～3位相)活躍時有利于西太副高的加強西伸，而MJO在次大陸—西太平洋(第5～7位相)活躍時則有利于南海和西北太平洋上對流加強，在下墊面異常偏暖海水的共同影響下，則容易生成熱帶氣旋，同時使得西太副高北抬或減弱。從MJO指數(shù)的位相圖(圖8)可見，2020年7月MJO活動始終位于第2～3位相，但8月開始MJO從第4位相依次經(jīng)過5～8位相，再回到第2～3位相，完成一個全位相循環(huán)(圖8a)；西北太平洋地區(qū)的OLR逐候演變也表明，8月對流活動較7月明顯增強(圖8b)。而對應(yīng)地，西北太平洋7月無臺風(fēng)生成，而8月突然變得異?；钴S，共有7個臺風(fēng)生成，且臺風(fēng)路徑特點鮮明，除直接在南海生成的2個臺風(fēng)為西北行路徑外，另5個臺風(fēng)[“黑格比”(2004)，“薔薇”(2005)，“米克拉”(2006)，“巴威”(2008)，“美莎克”(2009)]移動路徑均為徑直北上(圖略)，對中國東部沿海甚至東北地區(qū)造成了較大影響。臺風(fēng)的頻繁北上將擠壓西太副高甚至將其切斷，使其位置偏北，并呈現(xiàn)“塊狀”分布。另一方面，臺風(fēng)巴威和美莎克生命周期長，先后長驅(qū)直入中國東北腹地，造成8月東北降水異常偏多。這種能夠徑直北上直接影響中國東北地區(qū)的臺風(fēng)也屬歷史罕見。因此說，8月MJO活動異常導(dǎo)致南海和西北太平洋地區(qū)對流加強，是西北太平洋熱帶氣旋異?；钴S以及中低緯地區(qū)大氣環(huán)流發(fā)生明顯調(diào)整的重要原因。

圖7 同圖4，但為2020年8月

圖8 2020年7—8月MJO指數(shù)位相(a)(紅色代表7月，灰色代表8月)，6—8月10°～20°N平均逐候OLR距平的時間-經(jīng)度剖面(b)

5 結(jié)論與討論

2020年夏季中國天氣氣候極為異常，全國平均降水量為373.0 mm，較常年同期偏多14.7%，為1961年以來次多；季節(jié)內(nèi)階段性特征顯著，6—7月多雨帶主要位于江南大部—江淮地區(qū)，8月則主要在東北、華北及西南地區(qū)中北部，致使2020年夏季雨型分布異常，不是傳統(tǒng)認(rèn)識上的四類雨型分布。全國平均氣溫為21.5℃，較常年同期偏高0.6℃，其中南方大部省份氣溫顯著偏高；盛夏江南東南部、華南東部等地出現(xiàn)持續(xù)性的高溫天氣過程，持續(xù)時間為1961年以來第二。7月首次出現(xiàn)“空臺”，8月臺風(fēng)轉(zhuǎn)為異常活躍，共生成7個臺風(fēng)。

利用大氣環(huán)流和海溫等資料，進(jìn)一步分析了今年夏季降水異常的可能原因。6—7月，歐亞中高緯環(huán)流表現(xiàn)為“兩脊一槽”型，有利于來自于中高緯地區(qū)的冷空氣分別從西部和東路分別南下影響我國；東亞副熱帶夏季風(fēng)異常偏弱，西太副高較常年顯著偏強、偏西，使得來自西北太平洋的轉(zhuǎn)向水汽輸送偏強，并與中高緯不斷南下的冷空氣活動相配合，造成水汽通量異常輻合區(qū)主要位于長江中下游地區(qū)，導(dǎo)致該地降水明顯偏多。從季節(jié)內(nèi)變化來看，西太副高第一次季節(jié)性北跳偏早，長江流域提前進(jìn)入梅汛期，第二次北跳明顯偏晚，且梅汛期內(nèi)表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)雙周振蕩特征，導(dǎo)致梅汛期時間長，并加劇了江淮流域強降水過程的持續(xù)性和異常程度。對海溫外強迫因子的分析表明，熱帶印度洋持續(xù)偏暖對維持6—7月西太副高持續(xù)偏強、偏西及東亞夏季風(fēng)異常偏弱起到了重要作用。

8月，歐亞中高緯環(huán)流調(diào)整為“兩槽一脊”型，中緯度地區(qū)蒙古低壓活躍，有利于來自極區(qū)的冷空氣從中路南下影響中國中東部地區(qū)；西太副高也由前期偏緯向型的帶狀分布轉(zhuǎn)為經(jīng)向跨度大的塊狀分布，脊線位置偏北；沿西太副高外圍的異常西南風(fēng)水汽輸送自南向北延伸至華北—東北南部，形成自西南到東北的異常多雨帶，與6—7月江淮流域降水異常偏多的空間分布有明顯不同。8月中低緯地區(qū)環(huán)流形勢的突然轉(zhuǎn)變主要是受到熱帶MJO活動的影響，較強的MJO東傳使得南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)對流活動增強，在下墊面偏暖海水的影響下激發(fā)了異?；钴S的熱帶氣旋活動，且以北上路徑為主，不斷擠壓西太副高甚至將其切斷，使其位置偏北，并呈現(xiàn)“塊狀”分布。

本文僅從大氣環(huán)流和熱帶海溫等方面簡要分析了今年夏季降水異常的可能原因，但實況顯示，2020年夏季長江、黃河流域降水量均為1961年以來最多，淮河和太湖次多，降水異常程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超強厄爾尼諾年影響下的1998年和2016年。這樣的氣候異常明顯是熱帶和中高緯多因子多時間尺度疊加作用的結(jié)果。除了本文分析的熱帶印度洋海溫持續(xù)偏暖外，前期青藏高原積雪異常偏多(Ren et al,2016)，春、夏季北大西洋濤動等的異常變化(Wu et al,2009;Liu et al,2020)可能也對2020年西太副高偏強有著一定貢獻(xiàn)；而8月MJO的活動異?？赡芘c赤道中東太平洋海溫迅速轉(zhuǎn)冷有關(guān)。另外，影響今年西太副高在季節(jié)內(nèi)尺度表現(xiàn)出兩次季節(jié)性北進(jìn)異常且準(zhǔn)雙周振蕩顯著的主要因素及其機制還并不清楚，將在后續(xù)工作中針對以上問題做更為深入的分析研究工作。