尤 媛 馬學(xué)款 李思騰 關(guān) 良

1 國家氣象中心，北京 100081 2 北京城市氣象研究院，北京 100089

提 要： 2021年12月大氣環(huán)流的主要特征是：北半球極渦呈偶極型分布，東亞大槽偏西偏強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓接近常年同期。12月，全國平均降水量為8.7 mm，比常年同期(10.5 mm)偏少17.1%；全國平均氣溫為-2.3℃，比常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃。月內(nèi)出現(xiàn)了3次冷空氣過程和1次大范圍持續(xù)性霧-霾天氣過程，此外超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)雷伊正面襲擊南沙群島。

1 天氣概況

1.1 降 水

12月，全國平均降水量為8.7 mm，較常年同期(10.5 mm)偏少17.1%(圖1)。從空間分布看，降水量空間分布不均，除新疆北部和東北地區(qū)北部等地外，我國北方地區(qū)降水量不足10 mm，江南大部、華南大部、西南地區(qū)東部和南部降水量在10～50 mm，福建東南部、廣東東北部和海南東部降水量在50 mm以上；與常年同期相比(圖2)，西北地區(qū)東部、西南地區(qū)南部、華南東北部及西藏大部、黑龍江西北部、河北南部等地降水量較常年同期偏多5成至2倍，西藏大部、內(nèi)蒙古西部、四川北部、云南東南部等地偏多2倍以上；西北地區(qū)中部和西部、華北大部、黃淮、東北地區(qū)南部和西部、江淮、江南、華南西部和西南地區(qū)北部等地降水量偏少2～8成，新疆大部、內(nèi)蒙古西部、青海北部、甘肅西北部、山西北部、河北北部、山東南部、河南東部、安徽北部、江蘇大部、上海、江西北部等地降水量偏少8成以上(國家氣候中心, 2021)。

圖1 2021年12月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation in China in December 2021(unit: mm)

圖2 2021年12月全國降水量距平 百分率分布(單位:%)Fig.2 Distribution of precipitation anomaly percentage in China in December 2021(unit:%)

1.2 氣 溫

2021年12月，全國平均氣溫為-2.3℃，較常年同期(-3.2℃)偏高0.9℃ (圖3)?？臻g分布上，西北地區(qū)大部、東北地區(qū)東部等地氣溫較常年同期偏低，其中西藏大部、新疆中部、黑龍江北部等地偏低1～4℃；華北大部、黃淮、江淮、江南、西南地區(qū)西部和南部、西北地區(qū)東部、新疆北部、內(nèi)蒙古大部、西藏中東部等地偏高1℃以上，其中新疆北部、內(nèi)蒙古東部、河北西部和南部、山東北部和河南北部等地氣溫偏高2～4℃(國家氣候中心, 2021)。

2 環(huán)流特征和演變

圖4為2021年12月北半球500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)和距平分布，與常年同期相比，12月環(huán)流形勢(shì)有以下特點(diǎn)：

圖3 2021年12月全國氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in December 2021(unit: ℃)

2.1 極渦呈偶極型分布，東亞大槽偏強(qiáng)

如圖4a所示，12月北半球極渦呈偶極型分布，主極渦位于加拿大巴芬島附近，另一個(gè)極渦中心位于新西伯利亞群島附近。從距平場(chǎng)來看(圖4b)，新西伯利亞群島附近的極渦中心處于負(fù)距平區(qū)，強(qiáng)度較常年同期偏強(qiáng)，極渦中心超過-6 dagpm。西伯利亞地區(qū)附近環(huán)流形勢(shì)比較平直，中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度小，不利于西北路徑冷空氣南下；東亞大槽強(qiáng)度較常年同期偏強(qiáng)，我國東北地區(qū)受負(fù)距平控制，導(dǎo)致東北地區(qū)溫度偏低，我國其余大部地區(qū)氣溫較常年同期偏高。

圖4 2021年12月北半球500 hPa平均位勢(shì) 高度(a)和距平(b)(單位：dagpm)Fig.4 Geopotential height at 500 hPa (a) and its anomaly (b) in the Northern Hemisphere in December 2021 (unit: dagpm)

2.2 北半球環(huán)流呈三波型，西太平洋副熱帶高壓接近常年同期

12月北半球呈三波型，三個(gè)高空槽分別位于北美西部、歐洲南部及東亞東部。西北太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)位于100°E附近，較常年同期(105°E)偏西，強(qiáng)度接近常年同期。南支槽位于弱的負(fù)位勢(shì)高度距平內(nèi)，強(qiáng)度較常年略偏強(qiáng)，該形勢(shì)有利于孟加拉灣水汽向我國南方地區(qū)輸送，導(dǎo)致月內(nèi)西南大部地區(qū)降水偏多。

2.3 環(huán)流演變與我國天氣

2021年12月上、中、下旬三個(gè)時(shí)段歐亞地區(qū)500 hPa大氣環(huán)流發(fā)展演變趨勢(shì)的平均高度場(chǎng)如圖5所示，具體如下：

上旬(圖5a)，歐亞中高緯環(huán)流總體為西高東低的分布形勢(shì)，整體環(huán)流經(jīng)向度不大。在這種環(huán)流背景下，影響我國的冷空氣勢(shì)力偏弱，全國大部地區(qū)較常年同期偏高1～2℃。12月9—11日，受靜穩(wěn)形勢(shì)影響，華北、黃淮、江淮等地出現(xiàn)了持續(xù)性霧-霾天氣。另外，中東部地區(qū)受西北氣流控制，不利于水汽輸送，導(dǎo)致旬內(nèi)中東部大部地區(qū)降水稀少。

中旬(圖5b)，歐亞中高緯環(huán)流為兩槽一脊型，冷空氣較為活躍，旬前期和中期先后有兩次冷空氣影響我國。其中11—13日受新疆南疆盆地高空槽東移影響，我國中東部大部地區(qū)出現(xiàn)了8～12℃降溫，給甘肅中東部、青海東部及內(nèi)蒙古東部、黑龍江等地帶來較強(qiáng)降雪。 15—18日，貝加爾湖附近的高空槽東移引導(dǎo)冷空氣南下影響我國中東部大部地區(qū)，再次出現(xiàn)大風(fēng)降溫和雨雪天氣，西北地區(qū)東部、華北、黃淮東部及東北地區(qū)大部出現(xiàn)6～10℃的降溫，局地降溫12～14℃。在兩次冷空氣間歇期的14—15日，華北、黃淮等地出現(xiàn)了霧-霾天氣。

下旬(圖5c)，歐亞中高緯環(huán)流形勢(shì)較前期調(diào)整明顯，亞洲東部中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大，地面冷空氣頻繁由西伯利亞東部向東南侵入我國北方地區(qū)，勢(shì)力偏強(qiáng)，導(dǎo)致下旬出現(xiàn)了一次全國型寒潮過程。23—26日我國北方地區(qū)降溫明顯，大部地區(qū)氣溫達(dá)到2021年入冬以來最低，中東部大部地區(qū)出現(xiàn)雨雪天氣。旬內(nèi)，氣溫冷暖起伏，總體接近常年同期或略偏低。在兩次冷空氣間歇期的25—29日，華北、黃淮、汾渭平原等地出現(xiàn)了霧-霾天氣。

圖5 2021年12月歐亞500 hPa上(a)、 中(b)、下(c)旬平均位勢(shì)高度 (單位: dagpm)Fig.5 Eurasia geopotential heights (unit: dagpm) at 500 hPa averaged in the 1st (a), 2nd (b) and last (c) dekads of December 2021

3 冷空氣活動(dòng)

3.1 概 況

依據(jù)中央氣象臺(tái)冷空氣劃分標(biāo)準(zhǔn)，12月有三次冷空氣過程影響我國(表1)，與歷史同期相比(徐冉等，2020；2019；遲茜元等，2020)，冷空氣活動(dòng)頻次較2020年(2次)略偏多，與2018年(3次)和2019年(3次)相當(dāng)，其中11—13日、15—18日為全國中等冷空氣過程，23—26日為全國型寒潮過程。

表1 2021年12月主要冷空氣過程Table 1 Main cold air processes in December 2021

3.2 2021年12月23—26日寒潮天氣過程

23—26日我國自西北向東南經(jīng)歷了一次寒潮天氣過程，造成的影響詳見表1。本次寒潮過程為橫槽轉(zhuǎn)豎型，中東部地區(qū)出現(xiàn)明顯大風(fēng)降溫，降溫劇烈，大部地區(qū)最低氣溫達(dá)到入冬以來最低值，南方地區(qū)氣溫持續(xù)明顯偏低。受此次寒潮過程影響，西北地區(qū)東部、東北地區(qū)東南部、華北、黃淮、江淮、江漢、江南北部和西部及貴州東部等地出現(xiàn)4～10℃降溫，黃淮東部、江淮東部降溫幅度達(dá)12～16℃,氣溫降幅超過8℃的國土面積為360×104km2，約占全國面積的38%；氣溫降幅超過14℃的面積為37.6×104km2。西北地區(qū)、華北、黃淮、江淮、江南等地出現(xiàn)降雪或雨夾雪天氣，其中貴州東部、湖南中北部積雪深度達(dá)5～10 cm，貴州銅仁、湖南懷化和益陽等局地達(dá)10～20 cm。北方和沿海各省出現(xiàn)大風(fēng)天氣，其中內(nèi)蒙古東南部、遼寧東南部、山東沿海、浙江沿海、福建沿海出現(xiàn)7～9級(jí)陣風(fēng)，浙江中部沿海出現(xiàn)11級(jí)陣風(fēng)。低溫雨雪天氣對(duì)上述地區(qū)的居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和能源供應(yīng)等造成一定不利影響。

從23—26日的500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)來看(圖略)，大西洋和烏拉爾山附近高壓脊向極地強(qiáng)烈發(fā)展，致使極渦分裂，呈多極型分布，其中一個(gè)位于西西伯利亞附近，有利于冷空氣在此堆積，伴隨橫槽旋轉(zhuǎn)，冷空氣分兩股南下，寒潮爆發(fā)。23日08時(shí)(圖6)，北方地區(qū)受強(qiáng)冷渦影響，冷空氣主體位于貝加爾湖附近，華北地區(qū)受高空冷槽和弱切變線影響，槽前有弱偏南水汽輸送，冷暖氣流在此交匯，給華北地區(qū)帶來了雨雪天氣。24日08時(shí)，500 hPa橫槽下擺，移動(dòng)至我國華北東部一帶，槽后偏北氣流不斷引導(dǎo)冷空氣南下，地面冷高壓向南移動(dòng)，主體移到蒙古國一帶，中心強(qiáng)度為1 060 hPa，給我國中東部地區(qū)帶來大風(fēng)降溫天氣，山西東部、河北南部、山東等地出現(xiàn)小雪或雨夾雪。25日08時(shí)，冷高壓主體位置移至我國內(nèi)蒙古東部，隨著冷渦后部的橫槽下擺，冷空氣前鋒到達(dá)我國華南北部，持續(xù)影響我國南方地區(qū)。此外，南支槽強(qiáng)度偏強(qiáng)，南方地區(qū)處于槽前輻合區(qū)，為強(qiáng)降雪提供了有利的水汽和動(dòng)力條件，西北地區(qū)東部、湖北西部、湖南中北部、貴州北部、安徽東南部、山東半島、浙江中部、江西東北部等地部分地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣(圖7)。 27日起，隨著冷空氣逐漸東移入海，寒潮天氣過程趨于結(jié)束。

圖6 2021年12月23日08時(shí)500 hPa位勢(shì) 高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)、 850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1) 和海平面氣壓(陰影)Fig.6 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa and sea level pressure (shaded) at 08:00 BT 23 December 2021

4 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)雷伊過程分析

4.1 概 況

12月，2021年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)雷伊具有“強(qiáng)度大，移速快，影響大”的特點(diǎn)，是有歷史記錄以來影響南沙諸島的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。受“雷伊”和冷空氣共同影響，17—20日，南沙群島、西沙群島、中沙群島出現(xiàn)8～10級(jí)陣風(fēng)，局地11～13級(jí)。海南島沿海、廣東沿海、福建南部沿海出現(xiàn)7～9級(jí)陣風(fēng)。三沙市共有5個(gè)島礁出現(xiàn)50 mm以上降水，其中超過100 mm的有3個(gè)，美濟(jì)礁降水量最大為177.8 mm。海南島東半部地區(qū)普降大到暴雨，局地出現(xiàn)大暴雨，其中文昌等9個(gè)市縣雨量超過50 mm,局地超過100 mm。臺(tái)風(fēng)降雨對(duì)于緩解華南地區(qū)的氣象干旱、增加空氣濕度和降低森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)、增加庫塘蓄水大有裨益(國家氣候中心，2021)。

圖7 同圖6，但為2021年12月25日08時(shí)Fig.7 Same as Fig.6, but at 08:00 BT 25 December 2021

4.2 2021年12月17—20日臺(tái)風(fēng)過程

第22號(hào)臺(tái)風(fēng)雷伊于12月13日14時(shí)在菲律賓棉蘭老島以東洋面生成，以20 km·h-1左右的速度向西偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，16日08時(shí)在菲律賓棉蘭老島東部近海加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)(圖8)，16—17日以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)先后登陸菲律賓的錫亞高島、迪亞加特島、帕納翁島、萊特島、薄荷島、宿務(wù)島、內(nèi)格羅斯島和巴拉望島等8個(gè)島嶼， 17日夜間至20日，南海大部海域出現(xiàn)明顯的大風(fēng)天氣，我國南沙群島、中沙群島、海南島東部沿海出現(xiàn)8～10級(jí)陣風(fēng)，部分島礁陣風(fēng)達(dá)12級(jí)以上，渚碧礁最大陣風(fēng)達(dá)13級(jí)，17日20時(shí)以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)強(qiáng)度移入南海東南部(圖9)，18日14時(shí)再度加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，穿過南沙群島北部。19日上午轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)，由西沙群島西側(cè)海域向海南島東部海面靠近，強(qiáng)度逐漸減弱。

5 霧-霾過程

5.1 概 況

2021年12月共有1次霧-霾天氣過程，出現(xiàn)在9—11日，較往年同期偏少。

5.2 12月9—11日霧-霾天氣過程

9—11日，受靜穩(wěn)形勢(shì)影響，華北中南部、黃淮西部、汾渭平原、江漢、江南北部等地氣象條件不利于污染物擴(kuò)散，出現(xiàn)了輕至中度霾，局地重度霾，其中10—11日，河南、山東西部、湖北、湖南等地出現(xiàn)重度污染，10日河南鄭州PM2.5峰值濃度達(dá)到189 μg·m-3。11日夜間起，受冷空氣東移南下影響，上述地區(qū)霾天氣自北向南逐漸減弱消散。此外，10—11日早晨至上午時(shí)段，華北、黃淮、江淮、江漢等地出現(xiàn)了明顯的大霧天氣，其中最重時(shí)段為10日早晨至上午時(shí)段，河北中南部、山東西部、河南中東部、江蘇北部、安徽北部等地的部分地區(qū)出現(xiàn)能見度不足200 m的強(qiáng)濃霧，局地出現(xiàn)能見度不足50 m的特強(qiáng)濃霧。

圖8 2021年12月16日08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng) (等高線，單位：dagpm)、850 hPa風(fēng)場(chǎng) (風(fēng)羽，單位：m·s-1)Fig.8 Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb, unit: m·s-1) at 850 hPa at 08:00 BT 16 December 2021

圖9 同圖8，但為2021年12月17日20時(shí)Fig.9 Same as Fig.8, but at 20:00 BT 17 December 2021

從此次持續(xù)霧-霾過程的大尺度環(huán)流背景看(圖10)，9—11日，我國中東部地區(qū)高空500 hPa處在西風(fēng)帶緯向環(huán)流控制中，無明顯槽脊活動(dòng)，地面高壓主體位于貝加爾湖以西，冷空氣勢(shì)力較弱，華北、黃淮等地位于均壓場(chǎng)中，等壓線稀疏，氣壓梯度小，水平風(fēng)速弱，同時(shí)，850 hPa有暖脊發(fā)展，華北中南部、黃淮中西部等地上空處于“暖干蓋”控制，有利于水汽和污染物在近地層積聚，隨著這種靜穩(wěn)形勢(shì)的建立，污染物和水汽的水平擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，華北中南部、黃淮等地的霾逐漸發(fā)展，有利于霧-霾天氣的形成和維持。夜間至上午時(shí)段，華北、黃淮、江淮、江漢地區(qū)相對(duì)濕度增高至95%以上，有利于大霧天氣的形成。高濕環(huán)境有利于液相反應(yīng)，生成二次污染物，進(jìn)一步加重污染。9日，華北中南部、黃淮、江漢、江南西部等地受不利擴(kuò)散條件影響，污染物開始積累，出現(xiàn)了輕至中度霾，局地重度霾。10日，受冷空氣前沿小高壓影響，白天受東北路徑冷空氣和降水影響，華北中部大氣擴(kuò)散條件逐漸好轉(zhuǎn)，霾天氣有所減弱，華北南部、黃淮中西部、江淮中西部、江漢等地大氣擴(kuò)散條件較差，有輕至中度霾，部分地區(qū)有重度霾，11日，受弱偏北路徑冷空氣以及降水影響，黃淮、江淮、江漢等地的大氣擴(kuò)散條件有所轉(zhuǎn)好，霾天氣有所減弱，12日02時(shí)受冷空氣東移南下持續(xù)影響，地面風(fēng)場(chǎng)逐漸加大，華北中南部、黃淮中西部、江淮中西部、江漢等地大氣擴(kuò)散和清除條件逐漸好轉(zhuǎn)，霾天氣自北向南減弱或消散。

圖10 2021年12月9—11日平均500 hPa 平均位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)和 海平面氣壓(陰影)Fig.10 Average geopotential height at 500 hPa (contour,unit:dagpm) and sea level pressure (shaded) from 9 to 11 December 2021

致謝：感謝國家氣象中心宋文彬提供的降水量、降水距平和溫度距平資料。