董少柔，何健，饒方成，李梓賢

(廣東省氣候中心，廣州 510640)

引言

2020 年1—3 月華南地區(qū)經(jīng)歷連續(xù)三個月的氣溫偏高，于4 月急轉為異常低溫，華南地區(qū)4 月平均氣溫較氣候態(tài)(1981—2010 年)偏低2.6℃，偏低程度為20 世紀80 年代以來第二位，僅次于1996 年(該年華南地區(qū)4 月氣溫偏低2.9℃)。根據(jù)前人研究［1-9］，雖然華南地區(qū)4 月較3 月低溫陰雨日數(shù)顯著減少，但在氣候變暖及極端氣候事件增多背景下低溫現(xiàn)象依舊高發(fā)［10］，值得關注。而較為嚴重的低溫現(xiàn)象將導致低溫冷害事件發(fā)生［11，12］，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林業(yè)培育以及市民生活等各方面造成重大的經(jīng)濟損失及不利的社會影響［2，5，13-17］?；谇捌谌A南地區(qū)連續(xù)三個月氣溫異常偏高，2020 年4 月華南地區(qū)氣溫驟降且偏低異常顯著，極為罕見，針對這一極端氣候現(xiàn)象，有必要對其特點及成因進行探討。已有的研究成果表明，冬春季氣溫異常與冷空氣活動［18-20］及環(huán)流形勢緊密聯(lián)系［21-26］，且與ENSO 等氣候背景相關聯(lián)［27-29］。

本文將重點從大氣環(huán)流角度出發(fā)，通過分析華南地區(qū)4 月氣溫特點及月內(nèi)變化特征、與4 月氣溫相關聯(lián)的大氣環(huán)流形勢特點、冷空氣活動情況以及2020 年4 月華南地區(qū)氣溫異常偏低成因，可供短期氣候預測提供參考。

1 資料和方法

考慮資料完整性，本文選用華南地區(qū)192 個測站1978—2020 年常規(guī)氣象觀測資料、美國氣象環(huán)境預報中心 (National Centers for Environmental Prediction) 及美國國家大氣研究中心 (National Center for Atmospheric Research)NCEP/NCAR 精度為2.5°×2.5°的逐日位勢高度場、海平面氣壓及風場再分析資料，歐洲中期天氣預報中心European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)第五代(ERA5)精度為0.25°×0.25°的逐日100m 風場及2m溫度場再分析資料。選取 (104°E～117.5°E，18°N～26.4°N)作為華南區(qū)域。根據(jù)國家氣候中心對氣溫異常級別的劃分，將氣溫異常幅度≥2℃定義為二級異常，＜1℃定義為正常級別，而≥1℃且＜2℃則定義為一級異常［30］。本文采用了回歸、合成等常規(guī)統(tǒng)計方法。

2 華南4 月平均氣溫的氣候特征

如圖1 所示，華南地區(qū)4 月份平均氣溫逐年分布情況存在一定的變化規(guī)律。20 世紀80 年代氣溫以低溫異常為主導，20 世紀90 年代起至2020 年期間則轉為高溫異常為主導。在偏暖的近三十年里氣溫二級異常偏低的年份出現(xiàn)兩次 (偏低幅度超過2℃，分別為1996 年與2020 年)，這與全球變暖大背景下極端氣候事件增加的規(guī)律一致［3］。而與1996 年不同，2020 年華南氣溫在連續(xù)三個月(1—3 月)二級異常偏高的條件下，于4 月急轉為二級異常偏低，實屬罕見。氣溫異常的突然變化，將放大低溫氣候事件帶來的不良影響。

圖1 1978—2020 年4 月華南192 個測站平均氣溫距平序列(單位：℃)

3 華南2020 年4 月氣溫異常和冷空氣活動特征

3.1 氣溫月內(nèi)變化

華南地區(qū)1981—2010 年三十年氣候態(tài)的4 月逐日氣溫分布呈現(xiàn)緩慢變化的規(guī)律(圖2 紅柱)，具體表現(xiàn)為：4 月上旬氣溫平緩升高，于4 月中旬初期下降至19.6℃(4 月12 日)，繼續(xù)升溫至23.9℃(4 月21 日)，后再緩慢回調(diào)至23℃(4 月26 日)，并于4 月下旬末再度升溫并達到月內(nèi)日平均氣溫最高值24.2℃(4 月30 日)。氣候態(tài)4 月下半月氣溫均值為23.3℃，較上半月高2.7℃。而2020 年4 月華南地區(qū)逐日氣溫的月內(nèi)變化(圖2 藍柱)呈現(xiàn)明顯異于氣候態(tài)的波動。其上半月與下半月的氣溫差距明顯增大：下半月氣溫均值為21.9℃，較上半月偏高3.8℃；上、下半月氣溫分別較氣候態(tài)偏低2.5℃及1.4℃。

圖2 華南192 個測站平均的氣溫序列

2020 年4 月主要的低溫過程主要集中于4 月上旬、中旬前期及下旬前期，而4 月僅有16—21 日及30 日共計一周的時間氣溫略高于氣候態(tài)同期。其中，4 月下旬氣溫偏低幅度最大 (4 月23—25 日分別偏低5.9℃、6.9℃及4.8℃)，4 月上旬低溫跨度最長。

3.2 冷空氣活動

從2020 年4 月華南經(jīng)度范圍(104°E～117.5°E)風場、氣溫平均的緯度-時間剖面圖來看(圖3)，上旬、中旬前期及下旬前期分別對應三次冷空氣南侵過程。伴隨著北風異常加大，4 月上旬華南北部氣溫連續(xù)4d 低于12℃。4 月6 日起華南上空轉南風主導，暖空氣增強北推并使得氣溫短暫回暖。4 月9 日第二次冷空氣南下且北風分量比第一次過程更大，因而降溫迅速(圖3a 中氣溫梯度增大)，但同時暖濕空氣勢力也不斷加強，并取而代之占據(jù)主導——來自南邊的暖濕空氣于13 日逐步加強北上，徹底將冷空氣北推至華南以北的區(qū)域，使得4 月13—20 日華南上空南風主導長達8d，對應氣溫的持續(xù)攀升并超過氣候態(tài)同期(圖2)。4 月19 日較強的北方冷空氣再度南下，與暖空氣交綏，出現(xiàn)了下旬前期氣溫較快下降并于下旬后期逐步回暖的過程。氣溫的波動與南下冷空氣及北上暖空氣勢力的相對強弱以及停留時間長短相關。從月內(nèi)氣溫波動情況來看，4 月上旬及下旬前期受冷空氣影響程度較大，這也是造成4月氣溫異常偏低的重要原因。

結合氣溫與風場分布來看，第一次降溫過程暖空氣勢力明顯弱于另外兩次過程(圖3b)，然而不斷有弱冷空氣補充南下，偏北風持續(xù)了5d，使冷空氣得以較長時間盤踞在華南，導致4 月上旬連續(xù)十天氣溫偏低。第二次降溫過程北風分量雖大，但由于暖空氣勢均力敵甚至后期趕超，導致第二次降溫過程持續(xù)時間短且后期氣溫回升幅度大。結合圖2，4 月下半月氣溫整體較上半月升高2.7℃，而2020 年4月下旬氣溫回落點仍低于第二次過程最低值，因此第三次降溫過程幅度較第二次更大。總體上，2020年4 月冷空氣的南侵占主導地位，使得4 月華南氣溫偏低。

圖3 經(jīng)度104～117.5°E 平均緯度-時間剖面圖

4 華南2020 年4 月氣溫異常對應的環(huán)流特征

4.1 海平面氣壓分布

4 月華南氣溫異常與大氣環(huán)流形勢密切聯(lián)系。2020 年4 月海平面氣壓異常場分布表現(xiàn)為，東亞大陸和西太平洋沿岸出現(xiàn)明顯的正異常區(qū)(圖4)。類似地，1978 年以來華南4 月氣溫偏低超過1℃的7個年份(圖1)中，東亞大陸和西太平洋沿岸均呈現(xiàn)出明顯正異常的分布特征。由此可見，蒙古高壓較強、阿留申低壓加深，海陸交界處存在較大的氣壓梯度，高壓脊前的偏北氣流引導北方冷空氣向南侵襲，利于冷空氣向南爆發(fā)，進而利于2020 年4 月華南氣溫偏低。

圖4 海平面氣壓異常分布圖

對比合成年份，2020 年4 月的蒙古高壓明顯更強，其與華南4 月氣溫呈現(xiàn)出顯著負相關關系(相關系數(shù)達-0.6)，即4 月蒙古高壓偏強，則對應華南同期氣溫偏低。這進一步說明，蒙古高壓2020 年4 月異常偏強是造成華南4 月氣溫異常偏低的重要原因之一。

4.2 低層風場特點

2020 年4 月850hPa 風場如圖5a 所示，蒙古上空為弱的反氣旋式環(huán)流，東北上空為強的氣旋式環(huán)流。反氣旋東側及氣旋西側區(qū)域為明顯的偏北風主導，利于北方冷空氣南下。同時，華南上空為弱的西南風異常，暖濕氣流補給弱，配合風場輻散，尤其集中在華南東南部沿海。反觀氣候態(tài)4 月低層風場(圖5b)，蒙古到東北上空為西風橫掃，華南上空為強勁的西南氣流，利于暖濕氣流北上。與氣候態(tài)同期相比(圖5c—d)，低層風場經(jīng)、緯向風分量異常場分布表明，2020 年4 月華南上空為顯著的東北風異常，北風分量異常程度較東風分量更明顯，不利于南方暖濕氣流北上。東北沿海為顯著的氣旋式異常，我國東部到南海為東北風異常，低層風場的分布特征有利于北風加強，即利于北方冷空氣從北往南侵入華南地區(qū)，是造成氣溫較歷史同期偏低的重要原因之一。

圖5 低層風場(矢量箭頭，單位：m·s-1)及輻合輻散場(填色，單位：s-1)

4.3 中層環(huán)流場形勢

從中層500hPa 位勢高度距平場來看 (圖6b)，亞洲中高緯度地區(qū)上空為正異常，從日本到我國華東上空為負異常。該分布型近似于華南4 月氣溫距平場經(jīng)驗正交分解第一模態(tài)(方差占比為82.7%，圖略)PC 序列與同期500hPa 位勢高度的回歸場 (圖略)，對應華南地區(qū)4 月氣溫大體偏低的空間模態(tài)分布型。2020 年4 月，我國東北至日本一帶為負異常中心，東亞槽異常偏強，中層配置利于將北方冷空氣往南引導，并在華南上空盤踞較長時間，使得2020 年4 月氣溫異常偏低現(xiàn)象得以維持并發(fā)展。

圖6 500hPa 位勢高度場及異常場

5 小結

在全球變暖大背景下，2020 年1—3 月連續(xù)3個月異常高溫過后，4 月華南氣溫突轉為異常低溫，為1978 年以來4 月同期次低記錄。4 月華南氣溫偏低主要受三次冷空氣過程影響，分別出現(xiàn)在4 月上旬、中旬前期及下旬前期。由于暖空氣勢力較弱，第一次冷空氣過程持續(xù)時間最長。第二次過程北風雖強勁，但由于暖空氣北推增強，使得4 月中旬后期出現(xiàn)氣溫明顯回暖。第三次過程降溫幅度最大，但同樣后期由于暖空氣勢力相對強于冷空氣，月底出現(xiàn)月內(nèi)氣溫最高值。因此華南4 月氣溫異常情況受冷暖氣團活動影響，即氣溫與南下冷空氣及北上暖空氣勢力的相對強弱、冷暖氣團停留時間長短緊密聯(lián)系。

4 月氣溫受不同層次環(huán)流變化的影響。北半球中緯度的正、負海平面氣壓異常中心所形成的亞歐大陸東部沿岸氣壓梯度力利于冷空氣南下，同時，蒙古高壓加強利于冷空氣活動增強，促使華南4 月氣溫偏低。中高層來看，大氣環(huán)流波動不穩(wěn)定發(fā)展條件下高空槽脊加深，高壓脊前偏北氣流引導及氣壓梯度力作用下引導北方冷空氣南侵進。與此同時，蒙古及東北低層上空的反氣旋及氣旋分布利于北方冷空氣由北而南直達華南地區(qū)。2020 年4 月暖濕空氣補給不充分，同樣利于華南地區(qū)4 月氣溫異常偏低?？偟膩碚f，大氣環(huán)流形勢引起了4 月氣溫偏低，而對應的海溫背景包括ENSO 信號以及印度洋一致性模態(tài)、華南地區(qū)1—3 月連續(xù)三個月的氣溫異常偏高則值得進一步的研究和探討。