2023, Vol. 43
本文分析了2023年春季(3—5月，下同)北半球的大气环流特征及逐月演变特征，并对我国近海海域发生的主要灾害性天气进行了分析总结。此外还分析了全球热带气旋的活动特征，以及我国近海高海浪过程和海面温度(以下简称“海温”)等气象、水文要素在春季的变化特征。
使用的数据资料主要包括：欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)第五代大气再分析数据(ECMWF Reanalysis v5，ERA5)、美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)最优插值海面温度资料(Optimum Interpolation sea surface temperature，OISST)、中央气象台实时台风定位数据、世界气象组织(Word Meteorological Organization，WMO)下设的区域专业气象中心(Regional Specialized Meteorological Centres，RSMC)和热带气旋预警中心(Tropical Cyclone Warning Centres，TCWC)热带气旋定位定强数据、美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)全球热带气旋最佳路径数据等。文中提到的海上大风、海雾和大浪等几种重大过程的统计数据同文献[1-5]。
文中提到的重大过程统计标准如下：(1)大风过程为我国近海至少2个海区(每个海区至少2个站点)持续6 h及以上出现8级以上大风；(2)海雾过程为我国近海2个以上海区连续2 d及以上出现能见度低于1 km的大雾过程。
1 环流特征及演变 1.1 环流特征2023年春季500 hPa平均位势高度场及距平场(图 1)显示，北半球极涡呈单极型分布。极涡核心区比较对称，中心强度达到512 dagpm，比常年同期平均明显偏强(距平值达-8 dagpm)。这种春季极涡强度在近几年比较罕见[1-5]，仅2020年达到过相当强度。另一方面，自2018年以来的近5 a春季极涡中，有3 a(2018、2019、2021年)呈偶极型，2 a(2020、2022年)呈单极型，偶极型的两个极涡中心一般分别位于西伯利亚以北的喀拉海附近和加拿大北部的巴芬岛至埃尔斯米尔岛一带，单极型一般呈狭长带状或有大槽延伸至北美，这些形态均使得加拿大北部巴芬岛上空的500 hPa位势高度处于较低值，也使得这些年春季极涡的对称性远不如2023年，这表明2023年春季极涡的高度对称性比较罕见。在较强对称性极涡环流影响下，巴芬岛上空出现8 dagpm的正距平。
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图 1 2023年春季北半球500 hPa平均位势高度场(a)及其距平场(b)(等值线，单位：dagpm) Fig.1 Mean geopotential height (a) and its anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere in spring 2023 (isoline, units: dagpm) |
北半球中高纬度西风带呈4波型分布。长波槽分别位于北大西洋、欧洲东部、鄂霍次克海至日本海一带以及阿拉斯加湾。其中北大西洋的长波槽导致北大西洋出现10 dagpm的负距平，而北太平洋上空则因西风带较平直导致正距平达到10 dagpm。北太平洋西风带呈平直的环流形势在2021年春季也出现过。
1.2 环流演变对我国近海天气的影响3月，欧亚大陆及西北太平洋海域中高纬环流呈“两槽一脊”型分布(图 2a)。西侧的槽断成两截，北半截位于西欧北部，南半截位于黑海至埃及一带，中亚受高压脊控制，东亚大槽主要位于东西伯利亚和我国东北地区。从距平场来看，受强极涡影响，西欧北部及亚欧大陆以北的高纬地带处于10 dagpm左右的负距平区，整个亚洲和西北太平洋处于正距平区，东亚大槽与历史同期相比偏弱。这表明极地冷空气受中亚高压脊阻挡不易南下，主要在高纬地区活动。对应的海平面气压场及其距平(图 2b)显示，北欧至西伯利亚北部一带为低压环流中心活动区，且负距平明显，表明极地气旋在西风环流引导下主要在高纬地区活动，与图 2a的分析结论一致。
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图 2 2023年3月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及距平场(色阶)(a，单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及距平场(色阶)(b，单位：hPa) Fig.2 Monthly mean geopotential height (isoline) and its anomaly (color scale) at 500 hPa (a, units: dagpm); monthly mean sea-level pressure (isoline) and its anomaly (color scale) (b, units: hPa) in the Northern Hemisphere in March 2023 |
4月，欧亚大陆及西北太平洋海域中高纬环流呈“两槽一脊”型分布(图 3a)。欧洲南部的槽有所加深，与3月相比，其与下游的高压脊位置均相对偏西，而东亚大槽则移至日本以东洋面且强度变弱。贝加尔湖以西的西伯利亚至蒙古一带为负距平区，表明该地区冷空气较为活跃，东亚大槽槽后的西风带呈西北—东南走向，有利于冷空气影响我国北部地区。同期的海平面气压场及距平(图 3b)上，我国西北地区及日本以东洋面为高压控制，强度较常年偏强；我国东北地区至日本海、我国长江以南的海平面气压较低，且呈负距平。这种形势下，渤海和黄海处于鞍形平均环流场中，大型天气系统活动较少，有利于海雾发生。
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图 3 2023年4月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及距平场(色阶)(a，单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及距平场(色阶)(b，单位：hPa) Fig.3 The same as Fig. 2, but for April 2023 |
5月，欧亚大陆及西北太平洋海域的中高纬环流呈现“三槽两脊”型分布(图 4a)。其中东欧、中亚、东亚各有一槽，西西伯利亚地区和太平洋中部各有一脊。我国西北地区处于负距平区，冷空气活跃，中亚槽和东亚槽之间的西风带相对平直，冷空气不易南下。由海平面气压及其距平场(图 4b)来看，西西伯利亚、日本以东洋面受高压控制，我国东北地区和西南地区以低压为主，与4月的鞍形场类似，但整体位置西移。这种形势下，我国东部海域处于海上高压后部，易受暖湿气流影响，容易多发大雾。
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图 4 2023年5月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及距平场(色阶)(a，单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及距平场(色阶)(b，单位：hPa) Fig.4 The same as Fig. 2, but for May 2023 |
2023年春季，影响我国的冷空气活动明显偏弱，我国近海的大风过程较以往明显偏少。整个季内我国近海成规模的8级以上大风过程仅出现5次，其中3次为冷空气引起，1次为入海江淮气旋引起，1次为台风引起(表 1)。在过去5 a的春季中，大风过程次数除了2021年比较相近(5次)，其余年份均不少于12次。2023年春季大风过程的持续时间为2~4 d，从月份分布来看，冷空气和入海温带气旋引起的大风过程发生时间均在3、4月，5月仅有1次台风大风过程。从强度来看，由冷空气引起的大风过程以7~8级为主，仅台湾海峡的部分海域出现过9级平均风；由入海江淮气旋引起的大风强度较强，影响范围大，黄渤海及东海北部海域均有8~9级大风；由台风引起的大风在靠近台风中心的海域风力达到9~10级。下面重点分析发生在4月3—5日的入海江淮气旋引起的大风过程。
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表 1 中国近海2023年春季主要大风过程 Table 1 Main gale events over offshore areas of China in spring 2023 |
4月3—5日，江淮气旋自西向东移动，在入海过程中在黄渤海大部、东海北部造成了7~8级、阵风9级的旋转风，其中渤海以东北风为主，黄海大部和东海北部以偏南风为主，大风过程持续时间约为3 d，渤海湾和杭州湾个别站点录得10级平均风。
由海面风场变化(图 5)来看，4月4日02时(北京时，下同)，江淮气旋中心还在安徽地区时，江苏沿海就已经出现7级平均风，此时在我国东北至内蒙古一带为浅层冷高压控制，东海以东也处于高压区，整个气旋外围与气旋中心有较大的气压梯度；4日20时，随着江淮气旋移至山东半岛，气旋东侧和北侧的气压梯度进一步增大，对应区域的风速也进一步增大；5日14时，气旋移入黄海北部，其东侧和北侧的环流受地形摩擦影响，风力减弱，气压梯度大值区逐渐转移至气旋西侧和南侧，相比刚入海时，风力已由8级降为7级。之后气旋进一步东移，对我国近海的影响趋于结束。
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图 5 海平面气压(等值线，单位：hPa)和10 m风场(箭矢及色阶，单位：m ·s-1) Fig.5 Sea-level pressure (isoline, units: hPa) and 10-m wind (arrow and color scale, units: m ·s-1) |
由4日08时的水汽通量分布(图 6a)来看，江淮气旋在入海前，其南侧有低空急流和充足的水汽，构成稳定的水汽通道将暖湿气流输送到气旋核心区，这种暖湿气流一般具有比较高的相当位温。由气旋中心至东北地区的垂直剖面(图 6b)来看，气旋北侧有干冷空气堆积，其相当位温仅为300 K左右，比气旋中心区空气的相当位温(约312 K)低12 K，其堆积高度达到700 hPa。冷空气边沿的相当位温梯度较大，斜压性较强，根据李长青等[6]的研究结果，推断出中低层的斜压性是此次江淮气旋急剧发展的有利因素。
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图 6 2023年4月4日08时500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)和850 hPa风场(风矢，单位：m ·s-1)及水汽通量场(色阶，单位：g ·(cm ·hPa ·s)-1)(a)以及从气旋地表中心至东北地区的气旋风场(风矢，单位：m ·s-1)、相当位温(等值线，单位：K)和相对湿度(色阶，单位：%)的垂直剖面(b) Fig.6 Geopotential height (isoline, units: dagpm) at 500 hPa, wind (wind barb, units: m ·s-1) at 850 hPa, and water vapor flux (color scale, units: g ·(cm ·hPa ·s)-1) (a); vertical profile of wind (wind barb, units: m ·s-1), equivalent potential temperature (isoline, units: K), and relative humidity (color scale, units: %) from cyclone center to Northeast China (b) at 08:00 BST 4 April 2023 小图中位于黄海中部和南部的南北向黑线—剖面位置。 |
2023年春季，我国近海出现了8次比较明显的海雾过程(表 2)，其中3月为3次，4月为2次，5月为3次。海雾过程持续时间一般为2~4 d，但有2次海雾过程持续时间较长，达到了6 d。由影响系统来看，以锋前暖湿气流影响为主。发生在5月30日—6月2日的海雾是台风“玛娃”向东海靠近期间的台风外围海雾，其发生的背景环流比较罕见。
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表 2 中国近海2023年春季主要海雾过程 Table 2 Sea fog events over offshore areas of China in spring 2023 |
5月30日—6月2日的海雾发生过程中，第2号台风“玛娃”正从台湾以东洋面向北移动，向琉球群岛靠近，并逐渐转向东北方向移动。5月30日，东海西部即出现了小范围雾区，与零散的台风外围云系重叠在一起，黄海上空则被高云覆盖。31日，黄海上空的高云逐渐消散，从卫星可见光云图上可明显看到雾区已向北发展到黄海中西部海域(图 7a)；6月1日，雾区进一步发展，在黄海西部海域形成连续的雾区(图 7b)；2日早晨，雾区面积达到最盛，覆盖了黄海的大部海域(图 7c)；之后转为消散的趋势，至2日傍晚时雾区面积已向南退至黄海南部和东海西北部的部分海域(图 7d)。
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图 7 葵花9号卫星可见光云图及海雾反演区域(蓝色区域)分布 Fig.7 Visible cloud imagery of Himawari-9 and retrieved sea fog distribution (blue area) |
5月30日的海温分布(图 8)显示，东海大部海域处于海温梯度大值区，而黄海大部海域的海温分布则比较均匀。5月31日，10 m风场显示黄海南部和中部海域以偏东到东南风为主，且风速较弱(图 9a)。配合海温分布来看，洋面风是从高海温区吹至低海温区，来自高海温区的高温高湿表层大气在低海温区经过感热的充分交换后，温度下降，气海温差减小。对比图 9a中黄海的东南风区域与图 7a中的雾区，范围基本吻合。6月1日，黄海大部的10 m风场偏南风量进一步加大，整个黄海的气海温差为0~1 ℃(图 9b)，根据以往研究[7]，这个区间的气海温差是黄渤海海雾形成的有利条件。6月2日，黄海的表层风转为偏北风，弱冷空气南下，气海温差逐渐转为负值，海雾转入消散阶段。
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图 8 2023年5月30日平均海面温度(色阶，单位：℃) Fig.8 Mean sea surface temperature (color scale, units: ℃) on 30 May 2023 |
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图 9 气海温差(色阶，单位：℃)和10 m风场(箭矢，单位：m ·s-1) Fig.9 Temperature difference (color scale, units: ℃) between air and sea surface and 10-m wind (arrow, units: m ·s-1) |
上述过程也可以从位于黄海中部和南部的南北向剖面图看出来。5月31日(图 10a)，黄海中部和南部海域800 hPa以下的低层气流均存在偏南分量，且有下沉运动，黄海南部有冷平流。至6月1日(图 10b)，低层大气的下沉运动仍然持续，在低层暖平流和海表面感热交换的作用下，黄海中部和南部形成了稳定的浅逆温层。已有研究[8-9]表明，逆温层可抑制水汽扩散，有利于海雾生成和发展。6月2日(图 10c)，黄海中低层转为偏北风，逆温层逐渐南退，海雾范围向南收缩。
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图 10 沿线段AB(左上角小图所示)的温度场(色阶，单位：℃)和风场(箭矢，单位：m ·s-1)垂直剖面 Fig.10 Vertical profile of temperature (color scale, units: ℃) and wind (arrow, units: m ·s-1) along Line AB (the black line AB crossing the central and southern parts of Yellow Sea in the small figure indicates the location of the cross section) 小图中位于江苏北部至辽宁西部的南北向黑线—剖面位置。 |
由于台风外围盛行下沉气流，在海雾发生到消散的过程中，黄海低层大气的垂直运动一直以下沉运动为主，可能与“玛娃”的存在有关。而大气的下沉运动一定程度上抑制了底层对流，有利于海雾生成和发展。因此，此次海雾过程可能与“玛娃”存在关联。另一方面，前面的分析显示海温场在本次海雾过程起了重要作用，这与前人研究[10-11]结论基本一致。
2.3 热带气旋 2.3.1 西北太平洋和南海热带气旋2023年春季，西北太平洋和南海海域共有2个台风生成(表 3)，与多年(1949—2022年，下同)春季平均台风生成个数(约为2.1个)基本持平。该季无台风登陆我国，符合同期气候特征(多年同期平均登陆我国台风数约为0.2个)。
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表 3 2023年春季西北太平洋和南海热带气旋 Table 3 Tropical cyclones over western North Pacific and the South China Sea in spring 2023 |
2023年第1号台风“珊瑚”(Sanvu)于4月20日17时在关岛以东洋面上生成(图 11)，生成后向西北方向移动，强度略有增强，36 h后强度开始减弱，48 h减弱为热带低压，生命史较短，从生成到停编移动距离不足300 km。第2号台风“玛娃”(Mawar)于5月20日14时在关岛以南洋面上生成；生成后先向西北方向移动，强度逐渐增加，23日14时达到超强台风级；24日傍晚在关岛附近转为向西偏北方向移动，26日其强度达到峰值(68 m ·s-1)，至28日傍晚前其移向始终稳定维持在西偏北方向，其强度也一直维持在超强台风级；之后其在菲律宾以东洋面开始逐渐向北偏转，强度也开始逐渐减弱，期间给我国西南海域带来大风大浪；至6月2日凌晨，其转向过程基本完成并到达琉球群岛附近海域；之后其移动保持向东北方向，6月2日晚在日本以南洋面变性为温带气旋，中央气象台对其停止编号。在变性停编的前一时次，“玛娃”的强度仍为23 m ·s-1。
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图 11 2023年春季西北太平洋和南海热带气旋路径 Fig.11 Tracks of tropical cyclones over western North Pacific and the South China Sea in spring 2023 |
2023年春季，西北太平洋和南海之外的其他海域共有5个热带气旋生成(表 4)，分别为北印度洋1个，较常年平均偏少0.03个；南半球海域共生成4个，较常年平均(8.17)偏少4.17个；中北太平洋、东北太平洋、北大西洋无生成，分别较常年平均偏少0.03、0.67、0.30个。从强度上来看，除西南印度洋的“法比安”(Fabien)外，另外4个热带气旋最大强度均达到55 m ·s-1或以上，相当于我国的超强台风级。其中北印度洋的“穆查”(Mocha)登陆了缅甸若开邦附近沿海，澳大利亚附近海域的“伊尔萨”(Ilsa)登陆了澳大利亚西北部德格雷至活勒尔当斯一带沿海。
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表 4 2023年春季全球其他海域(除西北太平洋及南海外)热带气旋统计 Table 4 Global tropical cyclones (except western North Pacific and the South China Sea) in spring 2023 |
2023年春季，我国近海浪高在2.0 m以上的海浪过程有11次(表 5)。3月和5月次数较多，分别有4次和5次；4月较少，只有2次。但从总天数来看，3月和4月的大浪影响总天数分别为18 d和16 d，5月大浪影响总天数只有13 d。即4月的大浪过程特征是次数少但持续时间长，5月的大浪过程次数多但持续时间短。从强度来看，2023年春季最大浪高超过3.0 m的大浪过程有4次，其中5月底的大浪过程浪高极值甚至达到8.0 m，是由台风“玛娃”引起的。这4次大浪过程的特征之一是大面积的高海浪同时发生。而另外7次大浪过程一般单时次的高海浪面积不大，即便整个过程的影响范围较大，也是由系统移动影响累加导致。
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表 5 中国近海2023年春季主要大浪(2.0 m以上)过程 Table 5 Main sea wave events (above 2.0 m) over offshore areas of China in spring 2023 |
由浪高的月平均变化(图 12)来看，我国南海海域3月的浪高高于4、5月，而在东海北部海域4月的浪高则略高于3月和5月。前人的研究表明，浪高的变化一般与季风的转换有关[12]。3月，冷空气的影响范围较大，可直抵南海南部，使得3月的南海平均浪高达1.2 m，部分海域达1.6 m。4、5月，冷空气影响范围向北收缩，南海浪高变弱。4月，在气旋入海过程的影响下，东海的平均浪高维持在1.4 m。由于5月底台风“玛娃”的影响，台湾以东洋面和巴士海峡偏东海域的浪高5月明显偏高，超过2.0 m。
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图 12 2023年春季月平均浪高(色阶，单位：m) Fig.12 Monthly mean wave height (color scale, units: m) in spring 2023 |
2023年春季，我国近海海温南北差异较大(图 13)。海温梯度自北向南呈“低—高—低”的3段式分布，其中较高的梯度集中在东海至华南沿海一带，温度区间由3月的[12, 24] ℃逐渐偏移至5月的[20, 26] ℃，这一方面体现了一个冷空气活动逐渐北退、海温逐渐升高的过程，另一方面也体现了春季冷空气对我国近海海区的主要影响范围。
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图 13 2023年春季月平均海面温度(色阶，单位：℃) Fig.13 Monthly mean sea surface temperature (color scale, units: ℃) in spring 2023 |
由海温距平场(图 14)来看，2023年春季我国北部海温整体较常年平均偏高，浙闽沿岸海域较常年偏冷。此外，3月南海大部海温较常年偏低，5月渤海东部较常年平均偏低，部分海域的距平达-1 ℃。
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图 14 2023年春季月平均海面温度距平(色阶，单位：℃) Fig.14 Monthly mean sea surface temperature anomaly in spring 2023 (color scale, units: ℃) |
2023年春季，北半球极涡呈单极型分布，极涡核心区轴对称性明显，比常年平均明显偏强；中高纬呈4波型分布，北太平洋西风带比较平直，与2021年春季相似。季内冷空气活动较弱，引起的大风过程也偏少，海雾过程频繁。季内具体天气总结如下：
(1) 我国近海出现5次8级以上大风过程，其中冷空气大风过程为3次，入海江淮气旋大风过程为1次，台风大风过程为1次。
(2) 我国近海比较明显的海雾过程共出现8次，其中3月为3次，4月为2次，5月为3次。
(3) 西北太平洋和南海共生成2个台风，全球其他海域另有5个热带气旋生成，分别为北印度洋1个，南半球4个。达到或相当于我国超强台风级的台风或热带气旋共有5个。
(4) 我国近海浪高2.0 m以上的大浪过程有11次，其中4次大浪过程最大浪高超过3.0 m。
(5) 我国近海海温呈逐渐上升趋势，海温梯度自北向南呈“低—高—低”的3段式分布，其中高梯度区分布在东海至华南沿海一带。
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