2023年夏季我國氣候異常特征及成因分析*

支 蓉 高 輝 孫 冷

國家氣候中心,中國氣象局氣候研究開放實驗室,北京 100081

提 要：2023年夏季,我國氣候特征整體表現為“溫高雨少”,區域性、階段性高溫、旱澇等氣象災害明顯。降水的空間分布差異顯著,主要多雨區位于我國北方,松花江、海河流域出現嚴重汛情。生成和登陸臺風頻數均較常年同期偏少,但北上臺風卻對京津冀等地造成極其嚴重的雨澇災害。2023年夏季我國氣溫為1961年以來歷史次高,北方地區暖異常明顯,華北、西北等地區階段性高溫熱浪尤為突出。華北、東北地區降水偏多是由不同環流系統造成的。其中,華北南部降水異常偏多主要由7月底至8月初一次極為罕見的天氣尺度持續性極端降水過程所致,臺風杜蘇芮和卡努外圍環流與異常偏西、偏北的西太平洋副熱帶高壓相配合,再加上太行山東麓的地形效應是其主要原因。盛夏東北東部異常偏南風引導的水汽輸送在整個對流層都異常偏強,造成東北北部和東部降水明顯偏多,這一異常環流與初夏巴倫支海海冰密集度減小及盛夏西北太平洋海溫異常偏暖均有一定關聯。

引 言

我國是全球旱澇、高溫、臺風等氣象災害最頻發的國家之一。統計表明,氣象災害經濟損失占我國所有自然災害損失比例可高達七成以上(鄭國光,2019),其中干旱和洪澇分別列為前兩位。夏季是我國大部地區一年中降水最強、氣溫最高的時段,夏季氣候異常易導致嚴重的旱澇、高溫等組合及衍生災害(李維京,1999;張慶云等,2003b;黃榮輝等,2006;李永華等,2009;丁一匯,2013;劉蕓蕓等,2021;趙俊虎等,2022;章大全等,2023)。全球變暖背景下,極端天氣氣候事件發生更為頻繁(Donat et al,2016),我國的氣象災害也呈明顯上升趨勢(IPCC,2021),這對人民生命財產安全和社會經濟發展都造成了嚴重影響。夏季旱澇災害的程度直接決定著當年的社會經濟發展和防災減災決策部署。因此,深入認識我國夏季氣候異常成因,對進一步提高短期氣候預測準確率及國家防災減災等均具有重要意義。

我國地處東亞季風區,是全球季風氣候特征最顯著的區域之一,我國的夏季氣候特征與東亞夏季風系統中的各環流成員直接相關(張慶云等,2003a;Enomoto et al,2003;孫林海等,2005;丁一匯等,2007)。Zhang et al(1999)、張順利和陶詩言(2001)、Shi et al(2002)、Ashok et al(2007)、陳麗娟等(2013)、He et al(2018)和Han et al(2021)研究表明,東亞夏季風系統受到三大洋海溫異常、歐亞和高原積雪以及北極海冰等諸多外強迫因子的顯著影響,因此這些外強迫信號的異常及其氣候影響機制往往成為短期氣候預測中最重要的預測信號來源。但由于外強迫信號對東亞夏季風系統的影響存在顯著的年代際變化等,再加上東亞夏季風系統各環流因子之間存在復雜的、非線性的相互作用,導致我國夏季氣候異常成為多尺度、多因子協同作用下的最終表現,給預測帶來了巨大挑戰。

2023年夏季,我國氣候總體“溫高雨少”,全國平均降水量較常年略偏少且旱澇分布不均,主要多雨區位于東北和華北等地,這些地區暴雨過程頻繁,尤其是盛夏強降水引發嚴重洪澇災害,出現明顯旱澇急轉,海河和松花江流域出現重大汛情。夏季臺風生成和登陸個數少,但破壞力強,“杜蘇芮”和“卡努”導致嚴重洪澇災害。全國大部地區氣溫偏高,其中北方地區的暖異常相對更為明顯,華北、西北等地區階段性高溫現象尤為突出,而長江流域的高溫日數與2022年夏季相比則明顯偏少。此外,短時強降雨、雷暴、風雹、龍卷等災害多點散發,致災性強。本文首先回顧了2023年夏季我國氣候異?；咎卣?并分析導致我國華北和東北降水偏多的不同環流因子及可能的外強迫信號源,以期為今后汛期預測業務工作提供參考。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有:(1)中國氣象局國家氣象信息中心整編的“中國地面基本氣象要素日值數據集(V3.0)”中的逐日氣溫和降水觀測資料。該數據集包含了中國2474個基本、基準和一般氣象站1951年1月以來氣溫、降水的日值數據(任芝花等,2012);(2)美國國家環境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)發布的大氣環流再分析資料(Kalnay et al,1996;Kistler et al,2001),其水平分辨率為2.5°×2.5°;(3)美國國家海洋與大氣局(NOAA)發布的全球逐月海溫資料和高分辨率海冰密集度資料(Reynolds et al,2007),其水平分辨率分別為2°×2°、0.25°×0.25°。

本文東亞夏季風指數采用張慶云等(2003a)定義的指標,即東亞熱帶季風槽區(10°～20°N、100°～150°E)與東亞副熱帶地區(25°～35°N、100°～150°E)6—8月平均850 hPa緯向風的距平差。西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)指數采用劉蕓蕓等(2012)定義的指標。部分圖形和海溫指數來源于國家氣候中心開發并在氣候業務中長期應用的“氣象災害影響評估系統”和“氣候與氣候變化監測預測系統”。本文冬季為前一年12月至當年2月,春季為3—5月,夏季為6—8月,氣候態為1991—2020年平均。

2 2023年夏季我國氣候異常特征

2.1 降水情況

2023年夏季,全國平均降水量為319.9 mm,較常年同期(331.5 mm)偏少3.5%,但較2022年同期明顯增多(圖1a)。從空間分布特征(圖1b)來看,我國中東部降水整體呈“北多南少”的分布格局,降水明顯偏多的區域主要集中在東北、華北等地區,其中松花江流域降水量為433.6 mm,較常年同期(344.8 mm)偏多25.8%,為1961年以來歷史同期第五多;海河流域降水量為422.4 mm,較常年同期(334.6 mm)偏多26.2%。我國中東部其余地區降水則接近常年同期或略偏少。我國西部地區的降水異?？臻g分布特征則與中東部地區近似相反,整體呈相對“北少南多”的形勢,西藏東部及西南等地降水接近常年同期或略偏多,新疆及西北地區大部降水則較常年同期明顯偏少。其中新疆降水量為42.5 mm,較常年同期(73.0 mm)偏少41.8%,為1961年以來歷史同期最少;寧夏降水量為98.3 mm,較常年同期(166.6 mm)偏少41.0%,為同時段歷史第五少。

圖1 (a)1961—2023年夏季全國平均降水量距平百分率歷年變化;2023年夏季全國(b)降水量距平百分率及(c)極端日降水量事件站點分布

2023年夏季,我國降水的極端性特征較為明顯(圖1c)。全國有220個國家級氣象站日降水量達到極端事件監測標準,主要分布在東北、華北東部、華東北部、西北地區東部、西南地區東部等地。其中有43個國家級氣象站日降水量達到或突破歷史極值,主要集中在華北地區中部、西北地區東部、西南地區東北部等地。

2023年夏季,我國降水表現出“前少后多”階段性特征(圖2a)。6月全國平均降水量為87.0 mm,較常年同期(102.7 mm)偏少15.3%。此后降水量由偏少逐步轉為偏多,7月全國平均降水量為122.0 mm,接近常年同期(121.7 mm)。8月全國平均降水量為110.9 mm,較常年同期(107.1 mm)偏多3.5%。從空間分布特征來看,6月(圖2b)我國降水整體呈“北少南多”的異常分布,降水偏多的區域主要集中在黃河以南,區域特征較為分散,強度整體較弱。7月(圖2c)開始,我國中東部地區主要雨帶發生明顯北抬,降水偏多的區域主要集中在長江以北,整體呈“北多南少”的異常分布,東北地區中部和南部、華北東部、長江下游梅雨區東部等地區降水較常年同期偏多5成以上,局部偏多超過1倍。8月(圖2d)降水偏多的范圍較前期有所擴大,我國中東部的雨帶分布整體維持與7月相近的特征,主要多雨區依舊位于東北、華北等地區,中心強度略有減弱。但在長江以南,尤其是西南地區,降水明顯增強,西南地區大部、華南西部等地區降水偏多2成以上。此外,西藏東部、青海東部等地區降水也較常年同期明顯偏多。

圖2 2023年(a)夏季逐月全國面積加權平均的降水量距平百分率,(b)6月、(c)7月、(d)8月全國降水量距平百分率分布

2.2 我國東部季風區雨季進程特征

2023年,南海夏季風于5月第3候爆發,較常年同期(5月第4候)略偏早。我國東部雨季進程表現出明顯的轉折性變化特征,從前期季節進程偏早、強度偏弱轉為后期進程偏晚、強度偏強。表1給出了2023年汛期我國東部季風區雨季進程的主要監測結果。華南前汛期開始時間較常年同期偏早14 d,結束時間偏早6 d,雨期偏長8 d,但累計降水量偏少14.3%。3個梅雨監測區雨季進程均略偏晚。其中江南梅雨開始時間較常年同期偏晚7 d,結束時間偏早8 d,雨期僅16 d,約為常年同期一半,累計降水量明顯偏少達50.2%。長江中下游梅雨開始時間較常年同期偏晚2 d,結束時間偏晚8 d,雨期偏長6 d,累計降水量偏多14.6%。江淮梅雨開始時間較常年同期偏晚2 d,結束時間偏晚11 d,雨期偏長9 d,累計降水量偏多13.0%。華北雨季開始時間較常年同期偏晚4 d,結束偏早2 d,雨期偏短6 d,累計降水量偏多14.3%。

表1 2023年汛期我國東部雨季進程

2.3 我國氣溫異常特征

2023年夏季,全國平均氣溫為22.0℃,較常年同期(21.2℃)偏高0.8℃,位列1961年以來歷史第二位,僅次于2022年同期(圖3a)。從空間分布特征(圖3b)來看,全國大部地區氣溫接近常年同期或偏高,整體呈相對“北高南低”的形勢,華北東部、華東北部、內蒙古西部、西北地區北部、新疆大部等地區偏高1～2℃,局部偏高達2～4℃。此外,夏季我國高溫日數也表現出明顯的區域性特征(圖3c)。華北東部及周邊地區高溫日數異常偏多。以津京冀魯為例,2023年夏季高溫日數為22.6 d,較常年同期(9.5 d)偏多137.9%,位列1961年以來歷史第一位;此外,內蒙古西部及新疆等地區高溫日數也異常偏多。以新疆為例,2023年夏季高溫日數為26.7 d,較常年同期(15.5 d)偏多72.3%,同樣位列1961年以來歷史第一位;上述兩個區域高溫日數的極端性和其夏季平均氣溫的明顯偏高特征一致。此外,華南中西部、華中東南部、西南地區東部等地區高溫日數也較常年同期偏多。但與2022年夏季相比,長江流域的高溫日數則明顯偏少(章大全等,2023)。

圖3 (a)1961—2023年夏季全國平均氣溫距平歷年變化;2023年夏季全國(b)平均氣溫距平及(c)高溫(日最高氣溫≥35℃)日數距平分布

此外,2023年夏季西北太平洋和南海海域共有10個熱帶氣旋生成,較常年同期(11個)略偏少,其中有2個登陸我國(分別為2304號臺風泰利和2305號臺風杜蘇芮),較常年同期(4.8個)明顯偏少。

3 2023年夏季東北華北降水偏多成因分析

3.1 季節平均的大尺度環流背景

注:圖b中紅色等值線表示氣候平均5880 gpm。

3.2 京津冀盛夏降水異常偏多的成因

2023年夏季,我國中東部主要多雨區位于東北、華北等地區,但二者的異常成因并不相同。對華北南部地區而言,7月底至8月初的臺風外圍環流和西太副高的配置起到了最為直接的貢獻。7月28日,5號臺風杜蘇芮以強臺風強度登陸福建,此后一路北上,受其殘余環流的影響,7月29日至8月1日,京津冀地區發生了一次罕見的極端暴雨過程(圖5a),4 d過程累計降水量為178.1 mm,較常年同期(23.7 mm)偏多651.5%,超過京津冀地區夏季降水常年值(338.7 mm)的一半。圖5b給出了京津冀地區6月1日至8月31日累計降水曲線及氣候態?？梢钥闯?6月1日至7月28日,京津冀累計降水量為149.6 mm,較常年同期偏少26%,但隨著臺風影響下極端降水過程的展開,截至7月30日累計降水已超過對應氣候態的21%,至7月31日超過40%。若使用逐日降水量氣候態代替本次極端降水過程,則截至8月31日京津冀累計降水量都位于氣候態之下(圖略)。

圖5 京津冀地區2023年(a)7月29日至8月1日累計降水量空間分布,(b)6月1日至8月31日累計降水曲線及氣候態

本次極端暴雨過程具有典型的天氣學成因。圖6給出了7月29日至8月1日平均500 hPa位勢高度場和850 hPa風場?？梢钥闯?西太副高明顯西伸北抬,形成一個控制在華北北部上空的高壓壩。當臺風杜蘇芮殘渦北上時,受該高壓壩阻擋停滯,同時伴有臺風卡努水汽的協同作用,使得低層強盛的東南風急流源源不斷向華北地區輸送水汽,暴雨區南邊界和東邊界均為水汽凈流入(張芳華等,2023)。同時,地形作用也是本次極端暴雨過程的主要原因之一(楊曉亮等,2023)。水汽輸送在太行山東麓強迫抬升,形成強水汽輻合和垂直輸送中心,并穩定維持。

注:紅、藍等值線分別為本次過程及氣候態5880 gpm線。

由于2023年夏季華北南部降水異常偏多主要是本次天氣過程所致,天氣學角度的成因診斷本文在此不作詳細分析。

3.3 黑龍江吉林盛夏降水異常偏多的成因

從圖1可以看出,2023年夏季東北大部降水明顯偏多,黑龍江和吉林尤為顯著。統計表明,夏季兩個省平均降水量為449 mm,較常年同期偏多23%,其中盛夏降水偏多32%,均位列1961年以來歷史第四位。因此本文主要分析盛夏時段黑龍江和吉林兩個省降水異常偏多的成因。

前文分析指出,2023年夏季西太副高整體略偏北。傳統的統計模型表明,當西太副高偏北時,華北和東北南部易多雨(趙振國,1999)。但對比圖1b可知,2023年夏季華北北部和遼寧降水并非偏多。事實上,副高僅8月偏北明顯,6—7月均接近正常(圖4e)。盛夏東北北部和東部降水明顯偏多的直接原因是經向水汽輸送異常強大,這一特征從圖4c可以看出。在東北上空有一個異常明顯的氣旋式距平環流中心,對應于冷渦較強,冷渦東側為很強的南風水汽輸送。對東北地區而言,強的南風水汽輸送是其多雨最直接的原因(Gao and Gao,2018;Xu et al,2023)。圖7a給出了1981—2023年盛夏(35°～45°N、125°～140°E)區域平均的850 hPa經向風距平?？梢钥闯?2023年經向風速為1981年以來最強。事實上,2023年盛夏東北東側異常偏強的水汽輸送并非僅僅出現在對流層低層。圖7b給出了1000～100 hPa沿125°～140°E平均經向風和距平垂直-緯度剖面圖,可以看到強南風及南風距平中心位于對流層中高層。從距平看,850～200 hPa均為正距平中心。這表明,2023年盛夏東北東側的強南風水汽輸送位于整個對流層,也即整層水汽輸送強盛,造成了黑龍江和吉林顯著多雨。

圖7 (a)1981—2023年逐年盛夏(35°～45°N、125°～140°E)區域平均850 hPa經向風距平,(b)2023年盛夏125°～140°E平均經向風(等值線,單位:m·s-1)及距平(填色)垂直剖面

經向水汽輸送的異常強大與位于朝鮮半島及以東、西太副高主體北側的異常強的高度場正距平中心,即小笠原高壓(Enomoto et al,2003)有密切關聯。統計表明,2023年盛夏(35°～50°N、140°～170°E)區域的位勢高度場亦極為強盛,為1981年以來歷史第二強,僅次于2016年。研究表明,小笠原高壓具有相當的正壓結構,貫穿整個對流層(Enomoto et al,2003),與對流層中層的高壓中心相對應,在對流層低層日本海及以東地區出現了明顯的反氣旋式環流異常。在其引導下,源自西北太平洋的豐沛水汽源源不斷輸送至我國東北地區,給該地區降水異常偏多創造了有利條件。

已有研究發現,初夏巴倫支海海冰密集度減小造成的近地表異常熱力條件往往會激發巴倫支海地區的異常上升運動,從而引發經向翻轉環流,以波列的形式延伸到中緯度地區;該波列向南傳播,并在里海上空形成異常下沉運動,進一步誘發緯向翻轉環流,表現出東西向的波列,即絲綢之路遙相關型。絲綢之路遙相關型沿副熱帶急流向東傳播至東亞,并在朝鮮半島至日本上空附近引起反氣旋式環流異常,即小笠原高壓(Enomoto et al,2003;He et al,2018;Han et al,2021)。由圖8可見,2023年6月,巴倫支海海冰密集度較常年同期明顯偏低,70°～90°N、0°～60°E區域平均標準化海冰密集度指數為-1.14。2023年夏季,歐亞中緯度地區200 hPa經向風距平場呈現清晰的南風和北風交錯分布的結構,里海北部、巴爾喀什湖、貝加爾湖以南、朝鮮半島以北分別為“-+-+”的經向風異常,這與絲綢之路遙相關型負位相的典型模態基本相符。因此,2023年初夏巴倫支海海冰密集度明顯偏低,通過熱力作用激發絲綢之路遙相關型負位相,進而造成其下游小笠原高壓的顯著增強,是導致盛夏我國東北降水異常偏多的重要原因。

圖8 1982—2023年6月巴倫支海海冰密集度標準化序列

另一方面,局地下墊面海溫熱力作用也是日本海東部位勢高度異常偏強的原因之一。盛夏全球海溫監測結果表明,2023年7—8月在北太平洋地區均為海溫正距平,其中在北太平洋西側也即黑潮及其延伸體地區為超過1℃的正距平中心。在上述位勢高度正距平區,即35°～50°N、140°～170°E區域下方,區域平均盛夏海溫距平為1.8℃,是1981年以來最高值。暖海溫的熱力效應使得對流層熱力膨脹,加強了位勢高度場的同時,也增強了正位勢高度中心西側的南風分量。這可能是2023年盛夏東北東部經向水汽輸送異常偏強進而導致黑龍江和吉林顯著多雨的另一個原因。

4 結論與討論

2023年夏季,全國平均降水量較常年同期略偏少,但較2022年同期明顯增多?？臻g上我國中東部降水整體呈“北多南少”的分布格局,降水明顯偏多的區域主要集中在東北和華北等地區,其中松花江、海河流域汛情嚴重;西北地區大部降水明顯偏少,其中新疆降水量為1961年以來歷史最少。季節進程上,降水表現出“前少后多”的階段性特征,本文詳細提供了我國東部季風區雨季進程起訖時間和強度的精細化特征。2023年夏季,全國平均氣溫位列1961年以來歷史第二位,僅次于2022年同期,北方高溫日數異常偏多,京津冀魯較常年偏多1倍以上,內蒙古西部及新疆等地高溫日數也超過常年值的7成,上述地區均打破各自高溫歷史紀錄。

2023年夏季,東亞副熱帶夏季風強度較常年略偏強,500 hPa位勢高度距平場上歐亞中高緯整體呈“兩槽一脊”的分布型,環流經向度較小,有利于我國大部氣溫偏高,尤其是北方地區。夏季西太副高偏強、偏西,南北位置在6—7月接近常年,8月偏北顯著。但對流層低層從菲律賓以東—東?！S海區域整體表現為異常氣旋式距平環流,與對流層中層的位勢高度異常特征并不完全匹配,我國東部地區受氣旋式環流西側異常偏北風的影響,整體的水汽輸送及輻合條件較差,不利于夏季降水偏多,尤其是長江中下游以南地區。

2023年夏季華北南部降水異常偏多的原因主要是7月底至8月初的雙臺風外圍環流和副高異常形態相配合所致。這一時期副高明顯西伸北抬,形成一個控制在華北北部上空的高壓壩。當臺風杜蘇芮殘渦北上時,受該高壓壩阻擋停滯,同時伴有臺風卡努水汽的協同作用,使得低層強盛的東南風急流源源不斷向華北地區輸送水汽,同時太行山東麓地形也造成強迫抬升,形成強水汽輻合和垂直輸送中心,并穩定維持。

東北北部和東部盛夏降水明顯偏多的直接原因則是東北東側經向水汽輸送在整個對流層都異常強大。盛夏35°～45°N、125°～140°E區域平均的850 hPa 經向風距平為1981年以來最強,這和盛夏位于朝鮮半島及以東、西太副高主體北側異常強的小笠原高壓密切相關,小笠原高壓具有相當的正壓結構,貫穿整個對流層。其異常偏強一方面可能與初夏巴倫支海海冰密集度減小有關,該地區海冰的減少可以通過絲綢之路遙相關波列沿副熱帶急流向東傳播至東亞,并在朝鮮半島至日本上空附近引起反氣旋式環流異常;另一方面,黑潮區附近局地的下墊面海溫熱力作用也為1981年以來最高值,通過熱力膨脹加強上空位勢高度場的同時增強了正位勢距平高度中心西側的南風分量。

2023年夏季,我國中東部地區雨型分布并不具有傳統的雨型特征,與前人研究中提出的三類或四類雨型(趙振國,1999;孫林海等,2005)均存在著較大差異。一般情況下,華北地區降水偏多,則往往長江中下游降水偏少,華南降水偏多,自北向南形成“+-+”的三極子型降水模態。但2023年夏季,華北南部降水偏多明顯,長江中下游部分地區也同樣偏多達2～5成,而華南地區降水偏少,這與傳統雨帶分布特征和規律認知不符。實際上,在今年的汛期降水預測中,多個傳統預測信號對汛期降水的指示意義均與實況出現了較大偏差,例如無論是冬季的三峰拉尼娜事件還是夏季的暖海溫快速發展、北大西洋三極子負位相等,其影響均和歷史資料統計不符,這對傳統的物理統計預測模型提出了很大的挑戰,也表明需要進一步加強對全球變暖背景下傳統汛期降水影響因子及影響途徑新變化開展深入分析。