劉達，王慧，黃彬，曹越男，陳博宇

(國家氣象中心，北京 100081)

引言

本文分析了2021年春季(3—5月，下同)北半球的大氣環(huán)流特征及逐月演變，并對我國近海海域發(fā)生的主要災(zāi)害性天氣及其相關(guān)影響因素進行了分析。除此之外，還分析了西北太平洋熱帶氣旋的活動特征、我國近海海域浪高和海面溫度等氣象、水文要素在春季的變化特征，簡要統(tǒng)計了全球其他海域熱帶氣旋活動的基本情況。

使用的數(shù)據(jù)資料主要包括：NCEP/DOE再分析數(shù)據(jù)、NOAA最優(yōu)插值海面溫度資料(Optimum Interpolation sea surface temperature，OISST)、中央氣象臺實時臺風(fēng)定位數(shù)據(jù)等。文中提到的海上大風(fēng)、海霧和大浪等幾種重大過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)同文獻[1-3]。

文中提到的重大過程統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)如下：1)大風(fēng)過程:我國近海至少2個海區(qū)(每個海區(qū)至少2個站點)持續(xù)6 h及以上出現(xiàn)8級以上大風(fēng)；2)海霧過程：我國近海2個以上海區(qū)連續(xù)2 d及以上出現(xiàn)能見度低于1 km的大霧過程。

1 環(huán)流特征與演變

1.1 環(huán)流特征

2021年春季500 hPa平均位勢高度場及距平場(圖1)顯示，北半球極渦呈現(xiàn)偶極型分布，極渦中心分別位于新地島以東和加拿大北部，極渦中心強度均較常年同期偏強，位于新地島以東的極渦中心強度為516 dagpm，較常年偏強約6 dagpm，加拿大北部極渦中心強度為526 dagpm，偏強約2 dagpm。北半球中高緯度西風(fēng)帶呈現(xiàn)為4波型，對應(yīng)的距平場除歐洲北部地區(qū)出現(xiàn)負(fù)異常外，亞洲東部地區(qū)、太平洋海域位勢高度均呈現(xiàn)正異常，因此洋中槽和東亞大槽均較常年同期偏弱，導(dǎo)致春季東亞地區(qū)以緯向環(huán)流為主。

圖1 2021年春季北半球500 hPa平均位勢高度場(a)及其距平場(b)(單位：dagpm)

1.2 環(huán)流演變對我國天氣的影響

3月，歐亞大陸及西北太平洋海域中高緯環(huán)流呈“兩槽一脊”型(圖2a)，歐洲北部存在一個較強的低壓槽區(qū)，亞洲大陸西側(cè)主要受高壓脊的控制，東亞大槽主要活躍在鄂霍次克海至日本一帶。由距平場可以看出，亞洲和太平洋區(qū)域?qū)?yīng)正距平區(qū)，東亞大槽強度較歷史同期偏弱，亞洲西部的高壓脊較常年偏強，受到高壓脊的阻擋作用，月內(nèi)亞洲東部地區(qū)的冷空氣活動較弱。對應(yīng)的海平面氣壓場(圖2b)上可以看出，貝加爾湖以西有一冷高壓，高壓中心對應(yīng)負(fù)距平區(qū)域，冷高壓強度較歷史同期偏弱，影響我國北方地區(qū)的冷空氣活動偏弱。我國近海海域氣壓較常年偏低，北部海域存在一個弱的高壓中心，受其影響，月內(nèi)北部海域海霧過程頻發(fā)，影響時間較長。

圖2 2021年3月北半球500 hPa 平均位勢高度場(等值線)及距平場(色階)(a；單位：dagpm)和海平面氣壓場(等值線)及距平場(色階)(b；單位：hPa)

4月，歐亞大陸及西北太平洋海域的中高緯環(huán)流為“兩槽一脊”型，低緯度地區(qū)環(huán)流以緯向型為主，不斷有短波槽活動出現(xiàn)。與3月相比，東亞大槽東移至日本以東海域，其強度變化不大，貝加爾湖以東出現(xiàn)了一個低壓槽，亞洲西部依然處于高壓脊的控制之下。距平圖顯示高壓脊區(qū)和東亞大槽伴有正距平，貝加爾湖以北的低壓槽對應(yīng)負(fù)距平區(qū)，雖然強度偏強，但是由于位置偏北導(dǎo)致月內(nèi)冷空氣活動偏北，影響我國的冷空氣過程偏少(圖3a)。圖3b為海平面氣壓場和距平圖，可以看出位于貝加爾湖附近地區(qū)的冷高壓加強，中心氣壓值達到1 024 hPa左右，大陸高壓較常年偏強。我國近海氣壓由負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平，渤海、黃海和東海北部海域處于高壓內(nèi)部，低層形勢場穩(wěn)定，大風(fēng)和海霧過程偏少(圖3b)。

圖3 2021年4月北半球500 hPa 平均位勢高度場(等值線)及距平場(色階)(a；單位：dagpm)和海平面氣壓場(等值線)及距平場(色階)(b；單位：hPa)

5月，歐亞大陸及西北太平洋海域的中高緯環(huán)流呈現(xiàn)“兩槽兩脊”型(圖4a)，兩槽分別位于歐洲和貝加爾湖附近，槽區(qū)對應(yīng)負(fù)距平，強度較常年偏強，東亞大槽較4月無明顯變化，脊區(qū)分別位于巴爾喀什湖以西和鄂霍次克海，且明顯強于常年。海平面氣壓場和距平圖(圖4b)顯示貝加爾湖附近的冷高壓強度減弱，我國近海海域尤其是北部海域處于兩高壓之間的低壓控制下且伴有負(fù)距平，低壓東移過程中導(dǎo)致我國近海海域出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

圖4 2021年5月北半球500 hPa 平均位勢高度場(等值線)及距平場(色階)(a；單位：dagpm)和海平面氣壓場(等值線)及距平場(色階)(b；單位：hPa)

2 我國近海天氣分析

2.1 大風(fēng)過程

2.1.1 概況

2021年春季，影響我國的冷空氣活動較弱，我國近海的大風(fēng)過程較2020年和2019年[2-3]明顯偏少且強度偏弱，季內(nèi)我國近海共出現(xiàn)了5次8級以上大風(fēng)過程，其中冷空氣大風(fēng)過程2次，冷空氣和氣旋共同影響的大風(fēng)過程1次，溫帶氣旋影響的大風(fēng)過程2次(表1)。由大風(fēng)的持續(xù)時間來看，大風(fēng)過程一般持續(xù)2～3 d，受冷空氣影響的過程主要發(fā)生在3、4 月，5月過程主要由氣旋入海導(dǎo)致；由大風(fēng)影響情況來看，大風(fēng)強度偏弱，主要為7～8級，影響海域主要集中在我國北部海域。3月，由于影響我國的冷空氣較弱，觀測到8級以上大風(fēng)過程的次數(shù)(2次)相對于2019年和2020年3月[2-3](分別為8次和5次)顯著偏少。4月，冷空氣活躍程度更弱，僅有一次大風(fēng)過程，主要影響我國北部海域。5月，2次大風(fēng)過程均由溫帶氣旋入海引起，因此持續(xù)時間較短。下面重點對3月19—23日冷空氣導(dǎo)致的大風(fēng)過程進行分析。

表1 中國近海2021年春季主要大風(fēng)過程

2.1.2 3月19—23日大風(fēng)過程分析

3月19—23日的大風(fēng)過程自北向南分別影響了我國黃渤海海域、東海海域、臺灣海峽、南海北部海域和北部灣，其中渤海海峽和黃海中部的部分海域出現(xiàn)了7～8級、陣風(fēng)9級的西北風(fēng)，臺灣海峽、巴士海峽、南海中東部海域出現(xiàn)了7～8級、陣風(fēng)9級的偏北到東北風(fēng)。這次過程影響范圍廣，持續(xù)時間長，臺灣海峽部分測站陣風(fēng)極值約為20.8 m·s-1，8級以上大風(fēng)持續(xù)時間達到6 h以上，大沽燈塔(站號54630)觀測到極值陣風(fēng)19.5 m·s-1且8級及以上大風(fēng)持續(xù)時間約3 h。

回顧此次大風(fēng)過程，主要是受到北方冷空氣和南支槽的共同影響，導(dǎo)致我國近海海域尤其是東部和南部海域出現(xiàn)持續(xù)性的大風(fēng)天氣，為2021年春季影響范圍最廣的大風(fēng)過程(圖5)。從500 hPa形勢場上看，3月19—20日(圖略)，貝加爾湖北部有一低渦發(fā)展，內(nèi)蒙古中部有一低壓槽，前期受此低壓槽的影響我國北部海域開始出現(xiàn)大風(fēng)天氣(圖6a)。21日，上述低值系統(tǒng)加強并且向南移動，低壓槽加深延伸到東海南部海域，其對應(yīng)冷中心最低溫度達到-40 ℃以下，槽后的西北氣流引導(dǎo)北方強冷空氣南下進一步影響我國東部和南部海域(圖6b)，東部海域大風(fēng)加強，南部海域開始出現(xiàn)大風(fēng)天氣。22日，北部的低壓槽東移，北部海域北風(fēng)減弱并逐漸轉(zhuǎn)向為西南風(fēng)，與此同時22—23日期間，我國西南地區(qū)有一南支槽開始發(fā)展，伴隨橫槽東移轉(zhuǎn)豎，我國東部和南部海域受其和前一股冷空氣的共同影響，出現(xiàn)持續(xù)性的大風(fēng)天氣。

圖5 2021年3月表層10 m風(fēng)場(a. 20日08時，b. 21日08時，c. 22日08時，d. 23日08時；單位：m·s-1)

圖6 2021年3月日平均500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和溫度場(色階，單位：℃)(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日)

由地面形勢看，大陸處于強盛的高壓系統(tǒng)控制之下，日本以南洋面也有一高壓活動，我國近海位于兩高壓之間的低壓區(qū)，氣壓梯度較大，有利于大風(fēng)的出現(xiàn)和發(fā)展(圖7a)。21日，伴隨地面高壓中心東移，低壓中心加強移動至日本海附近，我國近海處于等壓線密集區(qū)，氣壓梯度增大，東部和東南部海域的風(fēng)力增加(圖7b)。隨著高壓東移，我國南部海域位于高壓底部，東北風(fēng)加強，北部海域位于高壓西北部，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕髂蠚饬鳛橹?圖7c)。隨著高壓系統(tǒng)入海減弱，此次大風(fēng)過程趨于結(jié)束(圖7d)。

圖7 2021年3月日平均海平面氣壓場(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日；色階，單位：hPa)

有研究[4-7]指出低層的冷平流對于冷空氣導(dǎo)致的大風(fēng)過程具有很好的指示作用。通過分析925 hPa的冷平流可以發(fā)現(xiàn)，20日，我國北部和東部海域受到冷平流的影響，冷平流使得表層氣壓上升，正變壓加強，風(fēng)速增強，黃渤海和東海開始出現(xiàn)7～8級大風(fēng)(圖8a—c)。21—22日，冷平流增強南壓，大值中心達到-16×10-4K·s-1以上，東部和南部海域風(fēng)速顯著增大。隨著冷平流的減弱，預(yù)示著我國近海海域大風(fēng)過程結(jié)束(圖8d)。

圖8 2021年3月925 hPa溫度平流(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日；色階，單位：10-4 K·s-1)

2.2 海霧過程

2.2.1 概況

2021年春季，我國近海出現(xiàn)8次比較明顯的海霧過程，其中3月3次，4月2 次，5月3 次(表2)。海霧過程持續(xù)時間一般為2～3 d，主要影響我國北部和東部海域。由環(huán)流形勢來看，春季我國近海海域基本處于兩高壓中間的低壓帶，不斷有暖濕氣流輸送，造成春季海霧過程頻發(fā)。下面針對3月25—28日的海霧個例進行分析。

表2 中國近海2021年春季主要海霧過程

2.2.2 3月25—28日海霧個例分析

通過衛(wèi)星可見光觀測(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，此次過程中3月25—26日白天，霧區(qū)主要位于渤海海峽、黃海北部、中部和西南部海域以及東海西北部的部分海域，霧區(qū)西側(cè)邊緣光滑。26日夜間開始受氣旋入海的影響，霧區(qū)被高層云系遮擋難以分辨，27日下午隨著高層云系東移，可見光云圖中低層霧區(qū)逐漸清晰，此時霧區(qū)主要位于渤海東部海域、渤海海峽、黃海大部海域。28日白天，隨著北方大風(fēng)沙塵過程東移，霧區(qū)自西向東逐漸消散，此次海霧過程趨于結(jié)束。此次海霧過程中山東半島和遼東半島東側(cè)沿岸海域低能見度持續(xù)時間達50 h以上，部分海域能見度低于100 m(圖略)。

圖9 2021年3月25日08時(a1、a2)、3月26日08時(b1、b2)、3月27日08時(c1、c2)和3月28日08時(d1、d2)葵花8號衛(wèi)星可見光通道圖像(a1、b1、c1、d1)及其海霧反演區(qū)域(a2、b2、c2、d2；藍色填充)示意圖

此次海霧過程主要受500 hPa高空脊和低層高壓系統(tǒng)的影響，3月25—26日，黃海海域處于高空槽后脊前，受到西北風(fēng)控制，槽后下沉氣流有利于低層形勢場的穩(wěn)定，地面處于高壓系統(tǒng)的后部，并不斷有暖濕氣流向北輸送(圖略)。3月26日夜間，伴隨高空短波槽東移，黃海中部海域有氣旋發(fā)展，部分海域由霧轉(zhuǎn)雨，能見度持續(xù)偏低，與此同時，低層氣旋前部水汽輸送增強，有利于黃海北部和東部霧區(qū)的維持。27日夜間，北方低渦逐漸東移南下，冷空氣活動加強使得此次海霧過程趨于結(jié)束。

春季是黃海海霧高發(fā)的季節(jié)，此時海霧主要以平流冷卻霧為主[8-9]，平流冷卻霧的形成主要表現(xiàn)為暖濕氣流移動到冷海面，在適宜的海氣溫差、空氣濕度以及氣象條件的共同作用下形成大范圍的海霧。此次黃海海霧的發(fā)生從低層環(huán)流上來看，3月25—26日，黃海處于高壓的后部，以偏南氣流為主，偏南風(fēng)的風(fēng)速在4～8 m·s-1的范圍內(nèi)，有研究[10]指出風(fēng)速在2～4級時有利于霧區(qū)的生成和維持。同時，偏南風(fēng)將南部的暖濕水汽不斷輸送到北部的冷海面，黃海海域低層相對濕度不斷增加，由衛(wèi)星云圖霧區(qū)分布(圖9)與濕度大值區(qū)(圖10)的對比來看，霧區(qū)相對濕度均在80%以上，部分海域達到95%以上，持續(xù)的偏南氣流有利于平流冷卻霧的出現(xiàn)和維持。27日，受入海氣旋的影響，黃海海域低層相對濕度降低，由于高層對流云的遮擋，霧區(qū)的范圍很難分辨。28日，伴隨北方低值系統(tǒng)東移，偏北風(fēng)對水汽的清除和干燥作用使得此次海霧過程結(jié)束。海霧的發(fā)生和維持與海洋表層和低層大氣的溫度密切相關(guān)，通常海氣溫差在-3～0.5 ℃時有利于平流冷卻霧的生成[10]。春季我國北部海域的海面溫度通常低于低層氣溫，回顧此次過程期間黃海海域的海氣溫差(圖11)可以發(fā)現(xiàn)霧區(qū)的主要范圍為海氣溫差在-3～1 ℃的海域，此時由于海溫略低于氣溫，有利于大氣中水汽冷卻凝結(jié)。低層大氣層結(jié)是影響霧區(qū)的另外一個重要氣象因素，3月25—26日期間，黃海海域低層925 hPa和1 000 hPa存在1～2 ℃的逆溫層(圖略)，逆溫層的存在加強了低層的穩(wěn)定性，從而有利于霧區(qū)的長時間維持。27日后，隨著低層偏北風(fēng)逐漸加強，逆溫層被破壞，霧區(qū)逐漸向朝鮮半島收縮。

圖10 2021年3月1 000 hPa相對濕度場(色階，單位：%)和10 m風(fēng)場(單位：m·s-1)(a. 25日08時，b. 26日08時，c. 27日08時，d. 28日08時)

圖11 2021年3月海氣溫差(a. 25日08時，b. 26日08時，c. 27日08時，d. 28日08時；色階，單位：℃)

2.3 熱帶氣旋

2.3.1 西北太平洋和南海熱帶氣旋

2021年春季，西北太平洋和南海海域共有2個臺風(fēng)生成(表3)，比1949—2020年平均值(約2.07個)略偏少。2021年2號臺風(fēng)“舒力基”(SURIGAE)于4月14日凌晨在菲律賓以東洋面生成(圖12)，隨后向西偏北方向移動，強度逐漸加強，17日強度快速加強，于14時達到了超強臺風(fēng)級并維持了72 h。21日后在菲律賓東部近海轉(zhuǎn)向東北方向移動，轉(zhuǎn)向后強度逐漸減弱，于24日夜間在西北太平洋洋面變性為溫帶氣旋?！笆媪被钴S期間對我國近海沒有直接影響，主要是通過與冷空氣的結(jié)合導(dǎo)致臺灣海峽、臺灣以東洋面、巴士海峽、南海東北部等海域出現(xiàn)了7～8級的大風(fēng)天氣。3號臺風(fēng)“彩云”(Choi-wan)于5月31日上午在菲律賓以東洋面生成，隨后向西偏北方向移動，逐漸向菲律賓東部近海靠近，于6月1日夜間在菲律賓中部沿海登陸，登陸后繼續(xù)向西北方向移動，穿過菲律賓群島后，于6月3日進入我國南海中部海域，隨后在南海東北部海域轉(zhuǎn)向東北方向移動，受其影響，南海東部的部分海域、巴士海峽、臺灣以東洋面等海域出現(xiàn)了7～8級的大風(fēng)天氣，“彩云”于6月5日減弱為熱帶低壓。

圖12 2021年春季西北太平洋和南海熱帶氣旋路徑圖

表3 2021年春季西北太平洋和南海熱帶氣旋

2.3.2 全球其他海域熱帶氣旋概況

2021年春季，除西北太平洋和南海之外，其他海域共有10個熱帶氣旋活動，分別為東太平洋1個，北印度洋2個，南印度洋3個，澳大利亞附近海域3個，北大西洋1個(表4)。同歷史平均(1981—2010年共30 a平均，南印度洋為2000—2010年共10 a平均)對比來看，東太平洋(常年平均0.6個)、北印度洋(常年平均0.9個)、北大西洋(常年平均0.1個)比常年平均偏多，南印度洋比常年平均(7.9個)偏少，南太平洋春季無臺風(fēng)生成。

表4 2021年春季全球其他各大洋(除西北太平洋和南海外)熱帶氣旋統(tǒng)計

3 海洋概況

3.1 浪高

2021年春季，我國近海有效波高(以下簡稱“浪高”)在2 m以上的海浪過程有8次(表5)，海浪過程基本與大風(fēng)和熱帶氣旋活動對應(yīng)，但是影響時段并不是完全一致。海浪的變化主要受到地形、波浪的發(fā)展與傳播以及風(fēng)時風(fēng)區(qū)的影響。春季，海浪影響的主要海域分別是黃渤海、臺灣海峽、南海北部海域和巴士海峽，主要影響時段是3、4月，5月海浪偏小。3月和4月，我國近海浪高大于2 m的過程主要有3次，累計影響時間分別為11 d和8 d，5月浪高大于2 m的過程有2次，影響時間僅有2 d。由最大浪高來看，受到“舒力基”的影響，巴士海峽和臺灣以東洋面最大浪高達到4 m以上，其他過程主要在2～3 m之間。

表5 中國近海2021年春季主要大浪(2 m以上)過程

由月平均變化(圖13)來看，我國東部和南部海域3、4月的浪高明顯高于5月，其中大值區(qū)主要為南海東北部海域、臺灣以東洋面，北部海域、北部灣浪高變化較小，均在1.2 m以下，浪高的變化可能與季風(fēng)的強弱和轉(zhuǎn)換有關(guān)[11]。3月，平均浪高的大值區(qū)主要在東海、臺灣海峽、南海北部海域，平均浪高達到1.2 m，其中南海東北部部分海域浪高達到2 m以上。4月，我國東部近海的浪高較3月增大，尤其是東海東部海域、巴士海峽、臺灣以東洋面平均浪高達到2 m以上。5月，我國近海的浪高大幅下降，平均浪高處于0.6～1.2 m之間。

圖13 2021年春季平均浪高(a. 3月，b. 4月，c. 5月；色階，單位：m)

3.2 海面溫度

春季我國近海海面溫度(以下簡稱“海溫”)南北梯度較大，北部海域平均海溫低于20 ℃，南部海域平均海溫達到24 ℃以上，溫度梯度最大的海域主要位于東海。由逐月海溫演變(圖14)可以看出，春季我國近海海溫不斷升高，除渤海、渤海海峽、黃海北部和中部海域海溫始終低于16 ℃外，黃海南部和東海大部海域溫度由16 ℃升高到18～24 ℃，增幅2～4 ℃，南部海域海溫普遍由24 ℃升高到28 ℃以上，增加4 ℃左右。海溫的升高為熱帶氣旋的生成和發(fā)展提供了有利的下墊面條件，使得春季臺風(fēng)活動略低于常年同期。

圖14 2021年春季平均海面溫度(a. 3月，b. 4月，c. 5月；色階，單位：℃)

由逐月平均海溫距平分布(圖15)來看，2021年春季我國近海大部分海域的海溫較常年偏高約1 ℃，其中浙江沿岸海域和東海西北部部分海域偏高達3 ℃以上。3月，渤海北部和黃海北部海域海溫較常年偏低，臺灣海峽海溫較常年偏低約1 ℃以上，東海北部海域海溫偏高。4月，臺灣海峽和東海北部海域依然呈現(xiàn)出與3月相同的特征，南海中部海域海溫略偏低。進入5月，我國近海海域幾乎均呈現(xiàn)出海溫偏高的特征，偏高的主要海域分別是北部灣和東海西北部海域，均達到了2 ℃以上。

圖15 2021年春季3月(a)、4月(b)、5月(c)海面溫度距平(色階，單位：℃)

4 小結(jié)

2021年春季，北半球極渦為偶極型分布，極渦較常年平均偏強，中高緯度西風(fēng)帶呈現(xiàn)為4波型，東亞大槽和洋中槽較常年偏弱，東亞地區(qū)以緯向環(huán)流為主，冷空氣活動較弱，季內(nèi)海霧過程頻發(fā)。4月和5月，受入海氣旋的影響，我國東部海域出現(xiàn)多次大風(fēng)過程。具體天氣總結(jié)如下:

1)我國近海出現(xiàn)了5次8級以上大風(fēng)過程，其中冷空氣大風(fēng)過程2次，冷空氣和溫帶氣旋共同影響的大風(fēng)過程1次，溫帶氣旋影響的大風(fēng)過程2次。

2)我國近海共出現(xiàn)8次比較明顯的海霧過程，逐月分布為：3月3次，4月2次，5月 3次。

3)西北太平洋和南海共生成2個臺風(fēng)，全球其他海域共有10個熱帶氣旋，分別為東太平洋1個，北印度洋2個，南印度洋3個，澳大利亞附近海域3個，北大西洋1個。

4)我國近海浪高2 m 以上的海浪過程有8 次，主要的大浪區(qū)域有東海東部海域、臺灣海峽、巴士海峽、南海北部海域。

5)3—5 月，我國近海海域處于逐漸升溫的過程，東部和南部海域的升溫幅度較大，從北到南的海面溫度梯度增加。