2018年4月大气环流和天气分析
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  气象   2018, Vol. 44 Issue (7): 977-984.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.07.014

天气、气候评述

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毛旭, 张涛, 2018. 2018年4月大气环流和天气分析[J]. 气象, 44(7): 977-984. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.07.014.
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MAO Xu, ZHANG Tao, 2018. Analysis of the April 2018 Atmospheric Circulation and Weather[J]. Meteorological Monthly, 44(7): 977-984. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.07.014.
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第一作者

毛旭,主要从事强对流天气预报工作.Email:maox@cma.gov.cn

文章历史

2018年5月21日收稿
2018年5月24日收修定稿
2018年4月大气环流和天气分析
毛旭 , 张涛     
国家气象中心,北京 100081
摘要:2018年4月大气环流的主要特征是极涡偏强且呈偶极型分布,中高纬环流呈4波型,西太平洋副热带高压强度较常年偏弱,南支槽强度较常年偏强。4月全国平均气温12.4℃,较常年同期偏高1.4℃;全国平均降水量43.6 mm,比常年同期(44.7 mm)偏少2.5%。月内我国有3次冷空气过程,其中2—7日为一次全国性强冷空气过程,造成大范围剧烈降温和雨雪天气;北方地区出现5次沙尘过程;南方地区出现3次暴雨过程,其中22—24日的暴雨过程给长江中下游地区造成严重的暴雨洪涝灾害。
关键词大气环流    冷空气    雨雪天气    暴雨    
Analysis of the April 2018 Atmospheric Circulation and Weather
MAO Xu, ZHANG Tao    
National Meteorological Centre, Beijing 100081
Abstract: The main characteristics of the general atmospheric circulation in April 2018 are as follows. There were double polar vortex centers in the Northern Hemisphere, stronger than usual. The circulation in Eurasian middle-high latitudes showed a four-wave pattern. The strength of Western Pacific subtropical high was a little weaker than in normal years while the south branch trough was stronger. The monthly mean temperature was 12.4℃, 1.4℃ higher than normal with the value of 11℃, and the monthly mean precipitation amount was 43.6 mm, which is less than normal by 2.5%. Three cold air processes happened in this month. The first cold air process was a nationwide strong cold air process, causing wide range of severe cooling, raining and snowing. There were five sand-dust weather processes seen in northern China in April. In addition, three torrential rain processes happened in southern China. The middle and lower reaches of the Yangtze River Basin suffered severe rainstorm floods caused by the heavy rainfall event in 22-24 April 2018.
Key words: atmospheric circulation    cold air    rain and snow weather    torrential rain    
引言

4月,全国平均降水量43.6 mm,较常年同期(44.7 mm)偏多2.5%。全国平均气温12.4℃,较常年同期(11.0℃)偏高1.4℃。本月出现了3次大范围冷空气过程,其中2—7日过程影响范围最大,强度最强,为一次全国性强冷空气过程,造成大范围剧烈降温和雨雪天气,西北地区和华北等地遭受严重低温冰冻灾害。受冷空气影响北方地区前后共出现5次沙尘天气过程。南方地区受低空切变线和西南暖湿急流的共同影响,出现3次暴雨过程,其中22—24日过程给长江中下游地区造成严重的暴雨洪涝灾害。

1 天气概况 1.1 降水

2018年4月(图 1),全国平均降水量为43.6 mm,较常年同期(44.7 mm)偏少2.5%。从空间分布来看,黄淮西部、江汉、江南、华南大部、西南东部及河北南部、陕西南部、安徽南部等地降水量在50 mm以上,4月雨带主要分布在江南大部及湖北南部、重庆、福建北部、广西东部、广东西部、海南等地,月降水量达100~200 mm,其中江西北部和浙江西南部的部分地区超过200 mm;全国其余大部地区降水量普遍在50 mm以下,其中西北中部及内蒙古西部、西藏西部等地不足10 mm(图 1)。

图 1 2018年4月全国降水量分布(单位:mm) Fig. 1 Distribution of precipitation over China in April 2018 (unit:mm)

与常年同期相比,东北东部、西北东部、华北、黄淮、江汉东部及新疆北部、内蒙古中东部、青海大部、四川东部、重庆、西藏中部等地降水偏多2成至2倍,局地偏多2倍以上;江南南部、华南大部及黑龙江北部、吉林西部、新疆南部、内蒙古西部、甘肃西部、西藏西部、云南西部等地偏少2~8成,局部偏少8成以上(图 2)。

图 2 2018年4月全国降水量距平百分率分布(单位:%) Fig. 2 Distribution of precipitation anomaly percentage over China in April 2018 (unit: %)
1.2 气温

2018年4月(图 3),全国平均气温12.4℃,较常年同期(11.0℃)偏高1.4℃。从空间分布看,华南、西南地区南部、西藏中部等地气温偏低0.5~1℃,全国其余大部地区气温接近常年同期或偏高0.5~2℃,其中四川东部、重庆西部、贵州中部、湖南大部、上海、江苏大部、浙江大部、内蒙古中西部、陕西北部、山西北部、宁夏大部等地气温偏高2℃以上,其余大部地区气温偏高0~1℃。4月,上海、浙江平均气温均为1961年以来历史同期第二高,四川为第三高(国家气候中心,2018)。

图 3 2018年4月全国平均气温距平分布(单位:℃) Fig. 3 Distribution of mean temperature anomaly in April 2018 (unit:℃)
2 环流特征和演变

图 4给出2018年4月北半球500 hPa平均高度及距平的水平分布,与常年平均相比较,4月有以下特点。

图 4 2018年4月北半球500 hPa平均高度(a)和距平(b)(单位:dagpm) Fig. 4 The average 500 hPa geopotential height (a) and anomaly (b) in the Northern Hemisphere in April 2018 (unit: dagpm)
2.1 极涡呈偶极型分布,强度偏强

4月,北半球极地极涡断裂为两个闭合中心,呈偶极型分布(图 4a),其中一个位于新地岛以东洋面至北西伯利亚地区,中心强度达516 dagpm,另一个位于加拿大北部伊丽莎白女王群岛附近,中心强度达516 dagpm。与常年同期相比,两极涡中心均有明显负距平,均较常年偏低4~6 dagpm(图 4b),表明极涡较常年同期偏强。

2.2 中高纬环流呈4波型分布,副热带高压强度偏弱,南支槽强度偏强

从月平均的500 hPa高度场(图 4a)可知,4月中高纬度环流呈4波型分布,长波槽分别位于欧洲西部、里海北部、亚洲东部和北美东部。从距平场(图 4b)看,欧洲西部和北美东部的长波槽均较常年平均明显偏强,负距平达-8 dagpm。位于欧亚大陆上的里海北部槽较常年偏强,负距平达-4 dagpm。该长波槽抑制乌拉尔山阻塞高压的形成发展,同时东亚大槽位置偏东,强度偏弱,正距平为4 dagpm左右,导致4月影响我国的冷空气势力总体偏弱,多短波活动,弱冷空气活动多。鄂霍次克海切断低压较常年偏强,负距平中心达-4 dagpm,导致我国东北部环流经向度增强,有利于冷空气经东路影响我国。

低纬地区,西太平洋地区表现为正距平(图 4b),西太平洋副热带高压强度较常年偏弱。南支槽平均位置位于90°E附近(万子为和张涛,2017陶亦为等,2016周康辉和方翀,2015),等高线弯曲明显(图 4a),且南支槽控制区域内均为负距平(图 4b),表明南支槽强度较常年偏强,该环流形势有利于孟加拉湾的水汽向我国输送和北上,与北方弱冷空气交汇位置偏北,导致本月我国降水偏北。

2.3 环流演变与我国天气

图 5给出了4月上、中、下旬欧亚地区500 hPa高度场的平均环流形势。4月上旬(图 5a),亚洲大陆中高纬度环流主要形势为“西高东低”,平均场在乌拉尔山附近表现为浅槽。从500 hPa高度场逐日演变图来看(图略),鄂霍次克海切断低压稳定少动,我国东北部地区环流经向度较大。旬初,110°E以西高纬度环流较为平直,东亚大槽位置偏东,配合鄂霍次克海切断低压,冷空气经东路影响我国,给内蒙古、东北、华北地区带来大风、降温和沙尘天气(朱乾根等,2000)。而旬中后期,乌拉尔山附近有高空槽东移发展,冷空气经中路影响我国,同时配合南支槽波动,将来自孟加拉湾源源不断的暖湿空气西南输送,在造成大风、降温、沙尘等天气的同时,还给我国带来大范围雨雪天气。特别是冷空气在南下过程中,与北上的暖湿空气形成强烈对峙,西南地区东部出现风雹天气过程。

图 5 2018年4月上(a)、中(b)、下旬(c)的500 hPa平均位势高度(单位:dagpm) Fig. 5 The average 500 hPa geopotential height for the first (a), middle (b) and last (c) dekads in April 2018 (unit: dagpm)

4月中旬(图 5b),欧亚大陆中高纬度环流形势为“两槽一脊”,新地岛以东有一极涡,中心强度为512 dagpm,高空槽位于乌拉尔山至里海一带,另一槽位于日本以东的太平洋洋面上,但槽脊强度较弱,环流较为平直。在10—14日出现一次高空槽东移发展,造成一次全国性中等强度冷空气过程,给内蒙古、华北等地带来大风降温和沙尘天气。由于与南支槽配合较差,北方仅出现小到中雨天气,但南方降水较强,13—14日配合切变线和低空急流等天气系统,江西北部、浙江西部、广东中部等地部分地区出现大到暴雨。

4月下旬(图 5c),欧亚大陆中高纬度环流形势仍维持“两槽一脊”,与中旬环流形势相比,新地岛附近极涡消失,高空槽偏西,位于里海北部,强度较弱,另一槽位于日本以东的太平洋洋面上,强度也偏弱。我国中高纬度地区受弱高空脊控制,没有剧烈的天气过程。仅于20—24日出现一次影响北方大部地区的中等强度冷空气过程,西北地区东部、内蒙古大部、东北地区、华北大部、黄淮西部等地出现6~12℃降温。低纬地区90°E附近南支槽强度偏强,有利于暖湿气流的向北输送。配合低涡切变线、低空急流等天气系统,给我国黄淮、江淮、江南北部等地造成两次暴雨天气过程。其中22—24日,四川东部、重庆、贵州东南部、湖北、湖南、江西北部、安徽南部、江苏南部、浙江西北部、福建东南部、广东中南部、广西北部等地普遍出现小时雨强为30~50 mm的短时强降水,局地小时雨强达80 mm。

3 冷空气活动和沙尘天气 3.1 冷空气过程

4月影响我国的冷空气过程主要有3次,分别出现在2—7、10—14和20—24日,其中2—7日,影响范围最大,强度最强,为一次全国性强冷空气过程。3次冷空气过程的影响范围和强度详见表 1

表 1 2018年4月主要冷空气过程 Table 1 Main cold surge processes in April 2018
3.2 沙尘天气过程

4月,受地面冷锋和蒙古气旋影响,我国北方地区出现5次沙尘天气过程,分别为1—3、4—6、9—10、13—14和16—17日。沙尘天气过程次数较最近10年(2008—2017年)同期平均值(3.2次)偏多1.8次,较去年同期偏多3次(国家气候中心,2018)。5次沙尘天气过程影响系统和影响范围详见表 2

表 2 2018年4月主要沙尘天气过程 Table 2 Main sand-dust weather processes in April 2018

我国沙源地多位于内蒙古和西北地区,上述地区4月500 hPa受浅脊控制,地面温度偏高,容易起沙。同时500 hPa环流较为平直,多短波活动,弱冷空气活动频繁,造成4月沙尘天气偏多。

3.3 4月2—7日强冷空气和沙尘天气过程分析

4月2—7日过程为一次全国性强冷空气过程,本次过程给我国大部分地区带来大幅度降温、大风、沙尘等天气(表 1)的同时,也伴随有大范围的雨雪天气。吉林东部、辽宁、内蒙古中部和东部、河北、北京、天津、山西、山东半岛北部等地出现小到中雪或雨夹雪,其中内蒙古中部、陕西北部、河北西北部、北京西部郊区等地局地出现大到暴雪;四川东部、陕西西南部、重庆北部、贵州西南部和东部、湖北南部、湖南北部、安徽北部、江西南部、浙江北部、福建北部、广西北部等地出现大到暴雨,其中四川东部、重庆中部、湖北南部、湖南北部、安徽南部等地局地出现100 mm以上的大暴雨。

此次强冷空气过程由前后两股冷空气共同造成。冷空气影响前,西北地区、东北地区、华北等地出现明显升温,全国大部地区平均气温较常年同期显著偏高,特别是黄淮及其以北大部分地区平均气温较常年同期偏高6℃以上。第一股冷空气在1日08时已抵达我国新疆北疆地区,但由于500 hPa环流较为平直,高空槽较浅,其势力较弱。同时由于高空引导气流较弱,冷空气并未大举南下,仅自新疆北疆地区向东移动,经蒙古高原影响我国内蒙古东部、东北地区,但由于前期温度较高,仍给我国北方地区带来强烈的降温和大风、沙尘等天气。由于前期降水偏少,新疆南疆盆地、内蒙古中西部、甘肃中部附近沙源地的旱情导致土壤疏松加剧,极易起沙,配合蒙古气旋和地面冷锋的东移,导致1—3日我国北方地区出现一次沙尘天气过程,特别是南疆盆地局地出现沙尘暴。

3日08时至蒙古高原一带,受到鄂霍次克海附近的切断低压影响,500 hPa环流径向度增大,偏北引导气流增强,且受该切断低压稳定少动的影响,冷空气自东路持续影响我国东北地区、内蒙古东部和中部、华北、黄淮等区域,给上述地区带来剧烈降温,回流的偏东风在低层形成冷垫(图 6a)。第二股冷空气于3日08时抵达我国新疆以北地区,并且在500 hPa配合有显著高空槽,环流经向度明显强于第一股冷空气。从500 hPa形势场看,温度槽落后于高度槽,该高空槽仍将继续发展。第二股冷空气势力明显强于第一股,但由于我国北方地区受第一股冷空气影响温度较低,故而在第二股冷空气的影响下降温并不明显。

图 6 2018年4月(a)3日20时地面2 m温度(等值线,单位:℃)和24 h变温(填色,单位:℃),(b)4日08时500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和地面气压场(填色,单位:hPa),(c)4日08时700 hPa比湿(填色,单位:g·kg-1)和700 hPa风场 Fig. 6 (a) Surface temperature at 2 m (contour, unit: ℃) and temperature change in 24 h (shaded area, unit: ℃) at 20:00 BT 3 April, (b) geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm) and surface pressure (shaded area, unit: hPa) at 08:00 BT 4 April, (c) specific humidity (shaded area, unit: g·kg-1) and wind field at 700 hPa at 08:00 BT 4 April 2018

4日08时(图 6b)高空槽位于贝加尔湖至塔里木盆地一带,冷空气再次经过沙源地,在地面冷锋和偏北大风的作用下,我国北方地区再次出现沙尘天气。此外,高空槽与青藏高原南部强度偏强的南支槽正位相叠加。4日白天,孟加拉湾暖湿空气在西南地区、西北地区东部、江汉地区一致西南气流的作用下,输送到华北、黄淮、内蒙古中东部等地(图 6c)。陕西北部、山西南部、河北北部、河南南部、山东西部等地700 hPa比湿达到6 g·kg-1,上述地区700 hPa比湿甚至大于850 hPa比湿(图略)。同时,第一股冷空气在上述地区低层形成了冷垫。暖湿空气在冷垫上爬行,且受到高空槽前抬升作用的共同影响,给上述地区带来大范围降雪和降温天气。5日,第一股冷空气对我国影响趋于结束,仅在东北北部地区制造一些降温和降雪天气,第二股冷空气随高空槽的进一步加深,南下至长江流域一带,西南地区东部、江汉、江南等地在冷空气和南支槽前暖湿气流的共同影响下,出现大雨或暴雨。6日,第二股冷空气主体大举南下,东亚大槽再次建立,给内蒙古中东部、东北地区西部、华北、黄淮中北部及西北地区东部等地造成大风或沙尘天气,而冷空气前缘已抵达西南地区东南部、华南北部一带,部分地区出现剧烈降温。7日,本次冷空气过程趋于结束。

自2000年以来,4月共发生过两次寒潮过程,分别为2005年4月6—12日影响南方区域的寒潮天气过程和2006年4月10—13日影响我国大部地区的寒潮天气过程。由于这两次过程前期气温较低,同时冷空气降温作用显著,所以最低气温和降温幅度均可达寒潮标准。而此次冷空气过程,虽然过程降温剧烈,过程降温幅度甚至大于2005和2006年寒潮过程,但是由于前期地面温度明显高于历史同期,最低温度并未达到全国性寒潮的标准,故而冷空气强度仅为强冷空气。此次过程全国共有71站发生极端日降温事件,主要分布在东北、华北及山东、湖南和贵州等地,其中山西壶关(14.8℃)、天津津南(14.1℃)等8站日降温幅度突破历史极值。全国共58站出现极端连续降温事件,主要发生在西北、华北、黄淮、湖北及福建等地,其中甘肃乌鞘岭(23.4℃)、湖北洪湖(21.7℃)等6站连续降温幅度突破历史极值。

4 主要降水过程 4.1 概况

受切变线和低空急流的影响,2018年4月共出现3次较为明显的降水过程。雨带大体位于江汉南部、江淮南部和江南大部一带,江南大部及湖北南部、重庆、福建北部、广西东部、广东西部、海南等地降水量达100~200 mm,江西北部和浙江西南部的部分地区超过200 mm,湖北共有7个县(市)日降雨量突破当地有气象记录以来4月历史极值。表 3给出了主要降水过程的起止时间、影响系统和主要落区。

表 3 2018年4月主要降水过程 Table 3 Main precipitation processes during April 2018
4.2 4月22—24日降水过程分析

4月22—24日,西南地区东部、江汉、江南、江淮等地出现一次明显的降水过程(表 3)。从500 hPa形势场看,此次过程是由南下弱冷空气和南支波动共同造成的。22日20时,高空槽位于蒙古高原东部,冷空气主体位于蒙古高原、内蒙古东部到东北地区一带,但有小股弱冷空气自华北东部向黄淮西部、江汉东部地区渗透。同时南支槽有小波动发展东移,南支槽位于110°E附近。南下的弱冷空气与南支槽引导的西南急流在江苏北部、安徽中部、湖北东部、湖南北部、贵州东部一带形成切变线系统,在地面气压场上表现为自贵州至苏皖地区的低压倒槽(图 7a),给上述地区带来强烈的上升气流。从水汽条件看,切变线南侧自925~700 hPa均存在明显的西南急流。在深厚的西南急流作用下,湖北东南部、湖南、江西等地整层可降水量普遍达到45 mm,部分地区超过50 mm(图 7b)。从不稳定能量看,CAPE值为200~500 J·kg-1,最有利抬升指数为-3℃(图 7b),湖南、江西等地K指数普遍达到36℃,具有一定不稳定条件。但由于上述地区500 hPa受弱暖脊控制,高低层温差不大,850与500 hPa温差也仅为24℃,垂直风切变也比较小,不利于雷暴大风或冰雹天气的出现。综上所述,此次过程的环境场条件,极其适宜以短时强降水为主的低质心对流的发生发展。湖北东南部、江西西北部、湖南东北部、贵州东南部、广西北部等地出现大范围短时强降水,局地雨强超过50 mm·h-1,仅个别站点出现8级以上雷暴大风。

图 7 2018年4月22日20时(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和地面气压场(填色,单位:hPa),(b)最有利抬升指数(等值线,单位:℃)、整层可降水量(填色,单位:mm)和925 hPa风场 Fig. 7 (a) Geopotential height at 500 hPa (contour, unit: dagpm), and surface pressure (shaded area, unit: hPa), (b) the best lifting index (contour, unit: ℃), precipitable water (shaded area, unit: mm) and 925 hPa wind field at 20:00 BT 22 April 2018

23日02时湖北、湖南、江西交界处生成低涡,辐合抬升进一步增强,雨势增强。23日08时,低涡随切变线东移至江西北部,14时,低涡移至江西与安徽交界处,20时低涡减弱为切变线。24日08时,切变线东移至我国东部沿海一带,降水过程大致结束。

致谢:感谢国家气象中心系统室宋文彬提供全国降水、全国降水距平、全国气温距平资料。

参考文献
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