遲茜元 馬學款 江 琪 尤 媛 關(guān) 良

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 2020年12月大氣環(huán)流的主要特征是：北半球極渦呈偶極分布，環(huán)流呈三波型，歐亞中高緯度環(huán)流經(jīng)向度大，東亞大槽偏強，南支槽偏弱。12月，全國平均降水量為5.8 mm，比常年同期(10.5 mm)偏少45.3%，全國平均氣溫為-3.9℃，比常年同期(-3.2℃)偏低0.7℃。月內(nèi)共出現(xiàn)2次強冷空氣過程、2次大范圍降水過程和2次大范圍霧-霾天氣過程。其中27—31日，我國大部分地區(qū)遭遇寒潮天氣，降溫幅度大，影響范圍廣，多地最低氣溫突破歷史極值。

1 天氣概況

1.1 降 水

2020年12月，全國平均降水量為5.8 mm，較常年同期(10.5 mm)偏少45.3 % (國家氣候中心,2020)。從月降水量空間分布(圖1)看，黃淮南部、江淮、江漢、江南、華南北部、西南地區(qū)東部等地的降水量為10～50 mm，其余大部分地區(qū)降水量不足10 mm。

圖1 2020年12月全國降水量分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of precipitation in China in December 2020 (unit: mm)

相較于常年同期(圖2)，新疆西南部、內(nèi)蒙古西部、甘肅大部、青海東北部、寧夏大部、四川中部、貴州西北部偏多5成至2倍，局部地區(qū)偏多2倍以上；全國其余大部地區(qū)較常年同期偏少或接近同期，其中東北地區(qū)大部、內(nèi)蒙古中東部、華北東部、新疆中東部、青藏高原、云南、貴州南部、華南大部等地偏少5成至1倍。12月28—29日，山東、河南中東部、安徽、江蘇、上海、浙江中北部、江西北部、湖南東北部、湖北北部和東部等地出現(xiàn)降雪(雨)或雨夾雪，安徽、江蘇中北部等地積雪深度為3～6 cm，其中江蘇北部達7～9 cm，山東半島出現(xiàn)小到中雪，局地出現(xiàn)大雪(國家氣候中心, 2020)。

圖2 2020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 2020 (unit: %)

1.2 氣 溫

2020年12月，全國平均氣溫為-3.9℃，比常年同期(-3.2℃)偏低0.7℃。從月氣溫距平分布(圖3)看，除青海南部、西藏大部、四川西部、云南中西部、黑龍江西部等地偏高1～2℃，部分地區(qū)偏高2～4℃外，全國其余大部接近常年同期或偏低，其中內(nèi)蒙古大部、東北地區(qū)南部、華北西部和北部、新疆北部、西北地區(qū)東部、西南地區(qū)東部、廣西、湖南西南部等地氣溫偏低1～4℃。此外，根據(jù)國家級地面站觀測表明，月內(nèi)全國共有11個站日降溫幅度達到極端事件監(jiān)測標準，主要分布在北京(2個)、山東(4個)、山西(1個)、浙江(3個)和吉林(1個)等地，其中12月30日浙江玉環(huán)降溫12.5℃，突破歷史極值(12.2℃)；全國共有13個站連續(xù)降溫幅度達到極端事件標準，主要分布在浙江(5個)、安徽(1個)、江蘇(3個)、山東(2個)、山西(2個)等地，其中浙江玉環(huán)(連續(xù)降溫幅度達17.4℃)破歷史極值(15.9℃)；全國有43個站最低氣溫達極端事件標準，主要分布在內(nèi)蒙古東部、華北、黃淮東部、江淮東部、江南北部等地，其中內(nèi)蒙古崗子(-32.4℃)、山西小店(-20.6℃)突破當?shù)貧v史極值(國家氣候中心, 2020)。

圖3 2020年12月全國氣溫距平分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of temperature anomaly in China in December 2020 (unit: ℃)

2 環(huán)流特征和演變

圖4為2020年12月北半球500 hPa平均位勢高度場及距平分布，與2017—2019年同期相比(王繼康等，2017；徐冉等，2018；徐冉等，2019)，12月北半球的環(huán)流形勢有以下主要特點。

2.1 極渦呈偶極型分布，東亞大槽偏弱

12月北半球極渦呈偶極型分布(圖4a)，極渦中心分別位于加拿大北部的伊麗莎白女王群島附近及亞洲北部鄂霍次克海附近的俄羅斯遠東地區(qū)。其中鄂霍次克海附近的極渦較強，中心強度低至492 dagpm。從距平場上來看(圖4b)，兩個極渦中心均處于負距平區(qū)，強度較常年同期偏強，鄂霍次克海附近的極渦中心負距平超過-10 dagpm。歐亞中高緯度為兩槽一脊型，亞洲中高緯度地區(qū)和歐洲西部由高空槽控制，烏拉爾山以西的歐洲東部地區(qū)由高壓脊控制。 烏拉爾山以西高壓脊有明顯的正距平，亞洲中高緯環(huán)流經(jīng)向度大，有利于冷空氣堆積和寒潮爆發(fā)。

圖4 2020年12月北半球500 hPa平均位勢高度場(a)和距平(b)(單位：dagpm)Fig.4 Monthly mean geopotential height (a) and its anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere in December 2020 (unit: dagpm)

2.2 北半球環(huán)流呈三波型，東亞大槽偏強

從月平均的500 hPa高度場和距平(圖4)可知，11月北半球呈三波型，歐亞地區(qū)位勢高度呈“西高東低”分布，東亞大槽強度較常年同期顯著偏強，從鄂霍次克海向西南延伸至我國中東部地區(qū)，我國北方大部地區(qū)為負距平控制，低槽寬廣深厚，有利于引導冷空南下，造成月內(nèi)冷空氣強度強，影響范圍廣，降溫幅度大。冷空氣勢力整體較強造成12月全國平均氣溫明顯偏低。

2.3 南支槽偏弱

2020年12月南支槽強度較常年同期偏弱，不利于孟加拉灣和印度洋的暖濕氣流向我國內(nèi)陸地區(qū)輸送。西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)呈帶狀分布，西伸脊點位置在105°E附近，較常年同期偏西，強度較常年偏強。

2.4 環(huán)流演變與我國天氣

圖5給出了12月上、中、下旬歐亞地區(qū)500 hPa大氣環(huán)流發(fā)展演變的三個時段平均高度場?？傮w來看，本月亞洲中高緯呈“西高東低”形勢，環(huán)流經(jīng)向度較大，東亞大槽較常年明顯偏強偏深，影響我國的冷空氣勢力顯著偏強，空氣污染擴散條件整體偏好。低緯地區(qū)南支槽較常年同期顯著偏弱，不利于水汽向我國中東部地區(qū)輸送。二者共同作用造成我國大部地區(qū)氣溫較低，降水偏少。

12月上旬(圖5a)，歐亞中高緯度環(huán)流為兩槽一脊的環(huán)流形勢。烏拉爾山附近的高壓脊向北強烈發(fā)展延伸，烏拉爾山阻塞高壓建立，其前部冷空氣在西伯利亞橫槽后部堆積，形成冷源。與常年同期相比，我國環(huán)流經(jīng)向度偏大，中高緯地區(qū)受西北氣流控制。旬內(nèi)前中期影響我國的冷空氣活動較為頻繁但勢力不強，中東部地區(qū)氣溫較常年偏低，旬內(nèi)后期氣溫略有回升但幅度不大。南支槽偏弱，不利于水汽向我國輸送，旬內(nèi)無明顯降水過程。

圖5 2020年12月上(a)、中(b)、下(c)旬歐亞500 hPa平均位勢高度場(單位: dagpm)Fig.5 Eurasia mean geopotential heights at 500 hPa (unit: dagpm) in the 1st (a), 2nd (b) and last (c) dekads of December 2020

12月中旬(圖5b)，歐亞中高緯度調(diào)整為一槽一脊的環(huán)流形勢。我國中高緯地區(qū)呈“西高東低”形勢，并且處于負距平控制下，中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度較大。其中，10—12日，受南支槽波動東移影響，西南地區(qū)東部出現(xiàn)小到中雨，我國中東部大部處于冷空氣間歇期，華北中南部、黃淮、汾渭平原、江淮、江漢、江南等地靜穩(wěn)天氣形勢建立，出現(xiàn)了一次中到重度霾天氣過程。12—15日，伴隨烏拉爾山阻塞高壓崩潰，西伯利亞高壓橫槽下擺，積聚在中西伯利亞高緯度地區(qū)的冷空氣迅速爆發(fā)南下，我國大部地區(qū)先后受到全國型強冷空氣過程影響，中東部大部地區(qū)出現(xiàn)5～8℃、部分地區(qū)10℃以上的降溫。由于南支槽較常年同期偏弱，水汽條件較差，旬內(nèi)降水較少，整體氣候呈現(xiàn)“干冷”特點。冷空氣影響過后，旬末中高緯地區(qū)環(huán)流趨于平直，無明顯冷空氣活動。

12月下旬(圖5c)，前中期北冰洋極地高壓不斷發(fā)展，西伯利亞橫槽建立，我國中東部大部環(huán)流經(jīng)向度較小，地面受均壓場控制，為靜穩(wěn)天氣形勢，20—28日，我國中東部地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性的霧-霾天氣過程。28—30日，隨西伯利亞橫槽轉(zhuǎn)豎，引導強冷空氣南下，我國大部地區(qū)遭遇寒潮天氣，多地最低氣溫突破歷史極值，并伴有一次大范圍雨雪天氣。

3 冷空氣活動

3.1 概 況

12月共有2次冷空氣過程影響我國，與近三年歷史同期相比(王繼康等，2018； 徐冉等，2019，徐冉等，2020)，冷空氣活動頻次較2017年(5次)、2018年(3次)、2019年(3次)要偏少，但過程強度要偏強。兩次冷空氣過程分別發(fā)生在12—15日，27—31日，其中第一次冷空氣過程(12—15日)為全國型強冷空氣過程，第二次(27—31日)為全國型寒潮過程，影響范圍均較大(表1)。

表1 2020年12月主要冷空氣過程Table 1 Main cold air processes in December 2020

3.2 27—31日寒潮過程分析

12月27—31日，受西伯利亞強冷空氣南下影響，我國大部分地區(qū)經(jīng)歷了一次寒潮天氣。受寒潮過程影響，降溫8℃以上的國土面積超過400萬km2，降幅12℃以上面積達175萬km2，影響范圍自北向南主要集中在我國中東部地區(qū)。其中大部地區(qū)氣溫普遍下降8～12℃，內(nèi)蒙古中部、陜西北部、山西、河北西北部、山東中南部、安徽北部和東部、江蘇、上海、浙江北部等地氣溫下降12～18℃，部分地區(qū)降溫幅度在18℃以上。浙江、安徽、江蘇等地共20站氣溫達到或跌破當?shù)?2月歷史極值；山西太原南郊(-20.6℃)、湖南衡山(-15.9℃)突破當?shù)赜袣v史記錄以來最低氣溫紀錄。寒潮天氣過程影響期間，西北地區(qū)東部、華北、黃淮、江淮、江漢、江南、華南及內(nèi)蒙古中東部、遼寧等地出現(xiàn)6～9級陣風，浙江沿海達10～12級；山東、河南中東部、安徽、江蘇、上海、浙江中北部、江西北部、湖南東北部、湖北北部和東部等地出現(xiàn)降雪(雨)或雨夾雪，安徽、江蘇中北部等地積雪深度為3～6 cm，其中江蘇北部7～9 cm，山東半島出現(xiàn)小到中雪，局地大雪。本次寒潮天氣的特點是，影響范圍廣、降溫劇烈、氣溫低、大風持續(xù)時間長。

由500 hPa位勢高度場和地面氣壓場的演變趨勢來看，此次寒潮過程屬于橫槽轉(zhuǎn)豎型。從路徑上來說，冷空氣源地為新地島以東洋面，并在南移過程中與烏拉爾山冷高壓合并。12月27日08時500 hPa高度場(圖6a)可見，我國中東部地區(qū)仍位于緯向環(huán)流中，貝加爾湖以東橫槽繼續(xù)發(fā)展，此時，地面冷高壓占據(jù)了西西伯利亞地區(qū)，中心強度達到1 052 hPa。脊前的偏北氣流不斷引導冷空氣在貝加爾湖至巴爾喀什湖一帶的橫槽內(nèi)發(fā)展、積聚，脊后暖平流促使高壓脊不斷加強。至28日08時(圖6b)，地面冷高壓中心強度已達到1 081 hPa，主體位于蒙古國西北部，冷空氣前鋒到達我國內(nèi)蒙古中東部和東北地區(qū)。28日夜間起，隨700 hPa西南急流加強，水汽輸送條件明顯加強，冷暖氣流交匯作用下，黃淮、江淮、江南等地的部分地區(qū)出現(xiàn)降雪(雨)或雨夾雪。29日08時，地面冷高壓強度已達到1 094 hPa，地面冷空氣主體緩慢南壓，但主體仍位于蒙古國西部。500 hPa高空槽前偏西氣流中有短波槽東移，橫槽系統(tǒng)南壓并開始轉(zhuǎn)豎，引導強冷空氣大舉南下，前期經(jīng)新疆北部沿河西走廊南下的冷空氣，與從蒙古高原經(jīng)東北地區(qū)的冷空氣合并后，快速向南推進，長江以北大部地區(qū)出現(xiàn)大風和強降溫天氣。至29日20時(圖6c)，700 hPa轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，南方地區(qū)降水過程趨于結(jié)束。31日，隨冷高壓主體東移入海，寒潮降溫過程趨于結(jié)束。

圖6 2020年12月27日08時(a)，28日08時(b)及29日20時(c)500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和海平面氣壓場(陰影，單位：hPa)Fig.6 Geopotential height at 500 hPa (isoline, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded, unit: hPa) at 08:00 BT 27 (a) and 08:00 BT 28 (b), and 20:00 BT 29 (c) December 2020

4 主要降水過程

4.1 概 況

2020年12月主要有兩次降水過程(表2)。與常年同期相比，過程偏少，強度偏弱，且主要集中在中下旬，上旬降水稀少，導致江南南部、華南等地氣象干旱維持。下旬出現(xiàn)了兩次降水過程，均伴隨冷空氣過程發(fā)生。在28—29日過程中，安徽、江蘇中北部等地積雪深度為3～9 cm，山東半島出現(xiàn)小到中雪，局地大雪，山東濰坊和日照局地達9～14 cm。

表2 2020年12月主要降水過程Table 2 Main precipitation processes in December 2020

4.2 28—29日降水過程分析

12月28—30日，我國中東部地區(qū)出現(xiàn)一次大范圍雨雪天氣，山東、河南中東部、安徽、江蘇、上海、浙江中北部、江西北部、湖南東北部、湖北北部和東 部等地出現(xiàn)降雪(雨)或雨夾雪。在此期間，安徽、江蘇中北部等地積雪深度為3～9 cm，山東濰坊和日照局地達9～14 cm。此次過程主要由高空槽東移引導冷空氣南下與暖濕氣流相交匯所導致，同時低層有切變線相配合。

28日20時(圖7)，500 hPa高空槽南壓至蒙古國東南部—內(nèi)蒙東北部一線，槽前強迫作用有利于低空急流的發(fā)展，湖南、湖北南部一帶出現(xiàn)12 m·s-1低空西南風急流，700 hPa偏南氣流進一步加強北推，水汽輸送條件明顯改善，河南大部、山東中西部等地主要高濕區(qū)集中在700 hPa等壓面附近，同時，700 hPa切變線在黃淮一帶逐漸開始發(fā)展，主要降水時段也由此開始。28日夜間至29日早晨，山東、河南中東部等地出現(xiàn)降雨、雪或雨夾雪(2～9 cm)，河南中部局地達10～14 cm。29日05時，700 hPa切變線移至黃淮南部，西南暖濕氣流帶來的水汽在此輻合抬升，新增積雪主要出現(xiàn)在山東大部、河南東部。29日08時，隨著500 hPa橫槽東移動轉(zhuǎn)豎，地面冷高壓東移，冷空氣南下速度顯著加快，切變線隨之南壓，850 hPa上-4℃等溫線也逐步南推。29日白天至夜間，黃淮南部、江淮、江南東部先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪或雨轉(zhuǎn)雨夾雪，江蘇北部、安徽東北部等地積雪深度為3～9 cm。其中，山東半島850 hPa的冷中心最低溫度達到-20℃，海氣溫差大，冷空氣和低槽前暖濕氣流交匯，降雪時間較長，至29日14時，山東濰坊和日照局地積雪深度已達到9～14 cm。30日02時，700 hPa整層均轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，降水過程趨于結(jié)束。

圖7 2020年12月28日20時500 hPa位勢高度場(實線，單位：dagpm)、850 hPa風場(風羽)和比濕(陰影：≥6 g·kg-1)Fig.7 Geopotential height at 500 hPa (solid line, unit: dagpm), wind field (barb) and specific humidity (shaded: ≥6 g·kg-1) at 850 hPa at 20:00 BT 28 December 2020

5 霧-霾過程

5.1 概 況

月內(nèi)出現(xiàn)了兩次明顯的大范圍霧-霾天氣過程，次數(shù)與2018年同期持平(2次；徐冉等，2019；2020)，多于2017同期(1次；王繼康等，2018年)。受靜穩(wěn)天氣形勢影響，12月10—12日，華北中南部、黃淮、汾渭平原、江淮、江漢、江南西北部等地出現(xiàn)中至重度霾天氣過程，同時華北東部、黃淮大部、江淮、江漢等地出現(xiàn)大霧或濃霧，局地出現(xiàn)強濃霧。12月下半月以來，受全國冷空氣勢力偏弱影響，污染氣團在我國中東部持續(xù)存在，20—28日，華北中南部、黃淮、汾渭平原、江淮、江漢、四川盆地等地經(jīng)歷了一次持續(xù)性更久的大范圍霧-霾天氣，尤其是26—28日污染后期，為今年秋冬季以來污染程度最重、范圍最廣。

5.2 20—28日霧-霾天氣過程分析

12月20—28日，影響我國的冷空氣勢力偏弱，華北中南部、黃淮、汾渭平原、江淮、江漢、四川盆地等地空氣污染氣象擴散條件較差，出現(xiàn)中至重度霾天氣過程，26—28日為此次霧-霾過程影響最嚴重時段，河北南部、山東西部、河南中北部、四川盆地中南部地區(qū)出現(xiàn)中至重度霾。本次過程期間，污染最重的幾個城市中，濮陽小時平均PM2.5濃度峰值高達362 μg·m-3(28日05時)，德州達343 μg·m-3(27日23時)，咸陽為281 μg·m-3(22日22時)。

共有22個城市PM2.5小時濃度超過250 μg·m-3，重污染城市數(shù)量主要集中在河南、山東和四川。此外，28日早晨，河北東南部、山東中北部和東部、河南東部、安徽北部和南部、江蘇、上海、浙江中北部、江西中東部、福建西北部、四川盆地西部和南部、貴州中西部、廣西西部、海南島東北部等多地出現(xiàn)大霧，山東中北部、安徽北部、江蘇、江西中東部、貴州西南部等地部分地區(qū)能見度不足200 m，局地出現(xiàn)能見度低于50 m的特強濃霧。

從環(huán)流形勢上看(圖8)，12月20—28日我國中東部地區(qū)處于緯向環(huán)流控制中，無明顯槽脊活動，冷空氣勢力弱，我國受冷高壓后部的均壓場控制，氣壓梯度小、風力弱，有利于污染物累積。在此期間，500 hPa維持偏西氣流，高空云量較少，夜間地面輻射降溫明顯，近地層易形成穩(wěn)定的逆溫層結(jié)，有利于水汽和污染物在近地層積聚，有利于霧-霾天氣的發(fā)生和維持。本次過程始發(fā)于山東，污染區(qū)域較往年整體偏南，以23、24日華北地區(qū)出現(xiàn)弱冷空氣為界，污染物在華北、黃淮、江淮區(qū)域內(nèi)南北擺動，區(qū)域北部總體偏好而中南部污染持續(xù)時間較長?；厮葸^程發(fā)展，20—21日大氣擴散條件轉(zhuǎn)為不利，蒙古高壓前部弱東北風與黃海高壓后部弱西南風的輻合區(qū)位于河北東南部、山東西部，華北南部、黃淮、陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)輕度至中度霾，山東部分地區(qū)出現(xiàn)重度霾。22日，受華北、黃淮地區(qū)近地面持續(xù)偏南風影響，黃淮中西部污染開始向北傳輸，河北中南部發(fā)展為中度霾，長三角本地污染也逐漸形成。23—24日，華北中部位于500 hPa短波槽槽底，受西北路徑弱冷空氣影響，北京、天津、河北中南部的霾天氣逐漸消散，同時大氣污染向南傳輸，山東中西部、長三角等地霾天氣維持或加重。25—26日，黃淮、江淮地面受偏南風控制，污染物向北傳輸回流。27—28日為污染最重時段，輻合區(qū)濕度達到90%以上并維持在河北東南部、山東西部、河南東北部一帶，為細顆粒物吸濕增長提供有利氣象條件，北至京津冀、南至兩廣、西至川渝、東至山東以及新疆天山北麓地區(qū)，出現(xiàn)中至重度霾天氣，其中山東中西部、河南中東部維持重度霾天氣。由探空情況(圖9)可知，28日08時鄭州500～1 000 m高度存在逆溫層結(jié)；27日夜間至28日凌晨，河北南部、河南東部、山東西部和東部、安徽北部等地近地層濕度均接近飽和，低空出現(xiàn)一定的逆溫，高空少云利于地面輻射降溫，以上區(qū)域出現(xiàn)大霧天氣，局地有強濃霧。28日下午，北路冷空氣開始影響華北、黃淮一帶，大氣擴散條件轉(zhuǎn)好，霧-霾過程逐漸結(jié)束。

圖8 2020年12月20—28日平均500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和海平面氣壓場(陰影)Fig.8 Average geopotential height at 500 hPa (isoline, unit: dagpm) and sea level pressure (shaded) during 20-28 December 2020

圖9 2020年12月28日08時鄭州的T-logp圖Fig.9 T-logp graph of Zhengzhou at 08:00 BT 28 December 2020

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。