張穎嫻 孫 劭 劉 遠(yuǎn) 侯 威 王國(guó)復(fù)

國(guó)家氣候中心，北京 100081

提 要： 2021年全球平均氣溫較工業(yè)化前偏高1.11℃(±0.13℃)，為有氣象記錄以來(lái)的第七暖年。全球海洋持續(xù)升溫，海洋熱容量和全球平均海平面高度均創(chuàng)歷史新高，南北極海冰覆蓋范圍較常年偏小。年內(nèi)，全球各地重大天氣氣候事件頻發(fā)，歐亞多地遭受嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害，北美和亞洲等地發(fā)生嚴(yán)重干旱，北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異?；钴S，歐洲和北美等地遭受高溫?zé)崂撕蜕交穑瑲W美及亞洲多地遭受寒流和暴風(fēng)雪侵襲。成因分析表明，7月中旬中歐地區(qū)持續(xù)受切斷低壓控制，大西洋和地中海的水汽持續(xù)不斷輸送至歐洲中西部，給該地區(qū)帶來(lái)了極端強(qiáng)降水事件并引發(fā)洪水；2月中旬對(duì)流層極渦從北極向南偏移至北美中部形成穩(wěn)定的低壓槽，在低壓槽、有利的低層水汽輸送、前期平流層爆發(fā)性增溫的共同作用下，北美大部地區(qū)遭受極端低溫和強(qiáng)暴風(fēng)雪天氣侵襲。

引 言

世界氣象組織最新數(shù)據(jù)顯示，盡管全球氣溫由于2020—2022年的拉尼娜事件暫時(shí)冷卻，但2021年大氣中的溫室氣體吸收熱量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平，因此2021年仍然是有記錄以來(lái)最熱的七個(gè)年份之一(WMO，2022)。2021年全球平均氣溫較工業(yè)化前(1850—1900年)偏高1.11℃(±0.13℃)，為有氣象記錄以來(lái)的第七暖年。全球海洋持續(xù)升溫，為有現(xiàn)代觀測(cè)記錄以來(lái)最暖的一年，全球海洋上層700 m和2 000 m的熱容量同創(chuàng)歷史新高(NOAA,2022)。全球海平面上升速率增加，2013—2021年的上升速率達(dá)到4.4 mm·a-1，全球平均海平面在2021年達(dá)到歷史最高水平(WMO，2021)。2021年，北極海冰面積遠(yuǎn)低于常年值，南極海冰略低于常年值，其中7月上半月北極海冰面積創(chuàng)歷史新低，9月東格陵蘭海的海冰面積創(chuàng)歷史新低(WMO，2021)。

2021年全球多地發(fā)生重大天氣氣候事件，包括全球多地遭受嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害，美洲和亞洲等地發(fā)生嚴(yán)重干旱，北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異?；钴S，歐洲和北美等地遭受高溫?zé)崂撕蜕交?，北美、歐美和亞洲等地遭受寒流和暴風(fēng)雪侵襲，強(qiáng)對(duì)流天氣在世界各地頻發(fā)等。據(jù)國(guó)際災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(kù)(Emergency Events Database,EM-DAT)和慕尼黑再保險(xiǎn)公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(EM-DAT,2021;Munich,2022)，2021年全球氣象水文災(zāi)害共造成約2 240億美元的經(jīng)濟(jì)損失，這一數(shù)據(jù)高于2019年(2 100億美元)和2020年(1 660億美元)，給世界多地經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展、人員生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大的不利影響。

在全球變化背景下，極端天氣氣候事件是國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化的優(yōu)先重點(diǎn)，同時(shí)也是國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化的重要領(lǐng)域(秦大河等，2015)。2000—2019年，全球共發(fā)生了約11 000次極端天氣氣候事件，共造成超過(guò)47.5萬(wàn)人喪生，經(jīng)濟(jì)損失約為2.56萬(wàn)億美元(Eckstein et al,2021)。因此，國(guó)家氣候中心長(zhǎng)期關(guān)注中國(guó)和全球主要天氣氣候事件的發(fā)生發(fā)展、成因和影響(孫劭等，2019；尹宜舟等，2020，翟建青等，2021)，這有利于全面了解氣候變化對(duì)全球的影響以及加深對(duì)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的認(rèn)識(shí)。本文系統(tǒng)性回顧了2021年全球氣候概況以及年內(nèi)發(fā)生的重大天氣氣候事件，并重點(diǎn)分析了7月歐洲中西部嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害和2月北美強(qiáng)冬季風(fēng)暴這兩個(gè)典型氣候事件的形成原因。所用的資料包括CPC全球氣溫格點(diǎn)資料集、GPCC全球降水量觀測(cè)資料集、NCEP/NCAR大氣再分析數(shù)據(jù)集、德國(guó)氣象局氣候數(shù)據(jù)中心的日降水量資料和NOAA北極濤動(dòng)(Arctic oscillation，AO)指數(shù)。

1 全球主要?dú)夂蛱卣?/h2>

1.1 地表溫度位列歷史第七位

2021年是歷史少見(jiàn)的“雙峰型拉尼娜”年，上一次全球拉尼娜事件發(fā)生于2020年8月，于2021年4月結(jié)束，之后在2021年11月再次形成，并持續(xù)至2022年。拉尼娜現(xiàn)象對(duì)天氣和氣候的影響通常與厄爾尼諾現(xiàn)象相反，具有暫時(shí)的全球降溫效應(yīng)，通常在拉尼娜事件發(fā)生的第二年最強(qiáng)。盡管全球氣溫因?yàn)?020—2022年的拉尼娜事件暫時(shí)冷卻，但根據(jù)世界氣象組織的統(tǒng)計(jì)，2021仍然是有記錄以來(lái)最熱的七個(gè)年份之一(圖1)，2021年，全球平均氣溫較工業(yè)化前(1850—1900年)偏高為1.11℃(±0.13℃)，是2015年以來(lái)連續(xù)第七年較工業(yè)化前偏高1℃(WMO，2022)。由于大氣中溫室氣體吸收的熱量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平，全球變暖和其他長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)預(yù)計(jì)將持續(xù)。

圖1 全球平均溫度距平(相對(duì)1850—1900年平均值)時(shí)間序列(WMO,2022)Fig.1 Global average temperature anomalies (compared to the 1850-1900 average) (WMO, 2022)

雖然2021年明顯總體溫暖，但全球各地的溫度距平存在差異(圖2)。從美國(guó)和加拿大西海岸延伸到加拿大東北部和格陵蘭島，以及非洲中部至北部和中東的大部分地區(qū)溫度均明顯偏高，其中北美東北部和格陵蘭島的部分地區(qū)偏高3℃以上；西伯利亞西部和東部、阿拉斯加、中東太平洋地區(qū)、澳大利亞大部分地區(qū)和南極洲部分地區(qū)溫度則低于常年，其中中東太平洋地區(qū)偏低的溫度與年初和年底的拉尼娜現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。從區(qū)域來(lái)看，非洲的年平均氣溫與2019年持平，是有記錄以來(lái)的第三高，僅次于2010年(第二熱)和2016年(最熱)；北美、南美、歐洲和亞洲的年平均氣溫都位居各自有記錄以來(lái)最熱的九年之列；雖然大洋洲的年平均氣溫高于常年值，但2021年是2012年以來(lái)最冷的一年(NOAA，2022)。

圖2 2021年全球平均溫度距平(相對(duì)1991—2020年平均值)空間分布(C3S,2022)Fig.2 Global distribution of temperature anomalies in 2021 (compared to the 1991-2020 average) (C3S, 2022)

1.2 海洋熱容量和海平面高度創(chuàng)歷史新高，海冰面積偏小

2021年全球海洋持續(xù)升溫，成為有現(xiàn)代海洋觀測(cè)記錄以來(lái)最暖的一年。同時(shí)，地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海區(qū)溫度均創(chuàng)歷史新高(Cheng et al,2022)。地球系統(tǒng)中超過(guò)90%的多余熱量?jī)?chǔ)存在海洋中，且相比常用的海面溫度等指標(biāo)，海洋熱容量受自然波動(dòng)的影響小，因而成為判斷全球是否變暖的最佳指標(biāo)之一。最新數(shù)據(jù)表明，2021年全球海洋上層2 000 m熱容量再創(chuàng)歷史新高，其中北大西洋、北太平洋和地中海熱容量均為歷史新高(NOAA,2022)。與2020年相比，2021年全球海洋上層2 000 m增加的熱容量相當(dāng)于約500倍的2020年中國(guó)全年發(fā)電量(Cheng et al,2022)。有研究表明，人類的影響已經(jīng)使大氣、海洋和陸地變暖，而且人類的影響極有可能是自20世紀(jì)70年代以來(lái)觀測(cè)到的海洋熱容量增加的主要驅(qū)動(dòng)力(IPCC，2021)，此外工業(yè)和生物氣溶膠、土地利用等對(duì)海洋變暖也有一定的影響(Cheng et al,2022)。由于海洋熱膨脹和陸地冰川融水等作用，全球海平面在2013—2021年期間平均每年上升4.4 mm，是1993—2002年海平面上升速率的兩倍，2021年全球平均海平面高度更是創(chuàng)歷史新高。

2021年3月21日，北極海冰面積達(dá)全年最大(1 480萬(wàn)km2)，2021年3月北極海冰面積是1979年有記錄以來(lái)的第九或第十低； 7月上半月北極海冰面積創(chuàng)歷史新低；9月16日北極海冰全年最小(472萬(wàn)km2)，大于近些年，但仍遠(yuǎn)低于常年值，其中東格陵蘭海的海冰面積創(chuàng)下了歷史新低。南極海冰面積略低于常年值，2月19日出現(xiàn)了年度最小值(260萬(wàn)km2)，為有記錄以來(lái)第十五低；最大值出現(xiàn)在8月30日(1 880 萬(wàn)km2)，是除了2016年外第二次南極海冰面積最大值發(fā)生在8月。

2 全球重大天氣氣候事件概述

2.1 全球多地遭受嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害

GPCC觀測(cè)資料顯示，歐洲東部、東亞、東南亞、澳洲東部、非洲東北部、南美洲北部、北美洲東南部和北部等地2021年年降水量較常年偏多；西亞、中亞、非洲西部、南美洲南部、中美洲、北美中部等地降水量偏少(圖3)。拉尼娜現(xiàn)象在某種程度上造成了一些地區(qū)降水模態(tài)的改變，比如年初的拉尼娜現(xiàn)象可能造成了海洋大陸的降水較常年偏多，以及巴塔哥尼亞的降水較常年偏少。非洲季風(fēng)的爆發(fā)偏晚，季風(fēng)降水接近常年；在以贊比亞為中心的南部非洲地區(qū)，雨季降水量持續(xù)低于常年值。在北美地區(qū)，阿拉斯加和加拿大北部、美國(guó)東南部和加勒比海部分地區(qū)的降雨量高于常年；北美中部地區(qū)則處于異常干燥的地帶。澳大利亞西南部和東南部的降水量較常年異常偏高；新西蘭北島的降水量則異常少。另外，地中海地區(qū)降水量異常偏少，而黑海和東歐部分地區(qū)降水量則明顯偏多。

圖3 2021年全球降水量距平百分率(相對(duì)于1951—2000年平均值)Fig.3 Global distribution of precipitation anomalies in 2021 (compared to 1951-2000 average)

在亞洲地區(qū)，7月17—24日，中國(guó)河南多地出現(xiàn)破紀(jì)錄的極端強(qiáng)降水事件，臺(tái)風(fēng)煙花西北側(cè)的偏南氣流為這次極端強(qiáng)降水提供了充沛的水汽。河南有39個(gè)縣(市)累計(jì)降水量達(dá)常年年降水量的一半，其中鄭州、輝縣、淇縣等10個(gè)縣(市)超過(guò)常年的年降水量。累計(jì)降水量超過(guò)250 mm的覆蓋面積占河南的32.8%。小時(shí)最大降水量(鄭州，201.9 mm)創(chuàng)下中國(guó)大陸小時(shí)氣象觀測(cè)降水量新紀(jì)錄；鄭州等19個(gè)縣(市)日降水量突破歷史極值；32個(gè)縣(市)連續(xù)3 d降水量突破歷史極值。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，此次災(zāi)害共造成河南省150個(gè)縣(市、區(qū))1 478.6萬(wàn)人受災(zāi)， 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 200.6 億元。

在歐洲地區(qū)，7月上中旬，歐洲中西部陸續(xù)發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害。7月12—13日英格蘭南部部分地區(qū)發(fā)生極端強(qiáng)降水事件并引發(fā)洪水，其中英國(guó)倫敦部分地區(qū)90 min降水量接近80 mm，特別是基尤24 h降水量達(dá)47.8 mm，超過(guò)了當(dāng)?shù)爻Ｄ?月總降水量，打破了1983年以來(lái)的歷史紀(jì)錄。強(qiáng)降水在倫敦和多塞特郡引發(fā)了洪水，造成部分地區(qū)大量車輛被淹沒(méi)、交通癱瘓、公司企業(yè)停工、學(xué)校停課。7月14—15日德國(guó)發(fā)生極端強(qiáng)降水，部分地區(qū)日降水量達(dá)100～150 mm，超過(guò)當(dāng)?shù)爻Ｄ?月總降水量，最大日降水量為維珀菲爾特的162.4 mm。比利時(shí)、盧森堡、荷蘭、瑞士和法國(guó)東北部部分地區(qū)也受到了這次極端強(qiáng)降水的影響。在瑞士，比爾湖、圖恩湖和盧塞恩湖的最高水位達(dá)到5級(jí)洪水警報(bào)；布里恩茨湖、巴塞爾附近的萊茵河和蘇黎世湖的最高水位也達(dá)到了4級(jí)洪水警報(bào)。據(jù)德國(guó)慕尼黑再保險(xiǎn)公司統(tǒng)計(jì)，此次歐洲強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害共造成超過(guò)220人死亡以及540億美元的經(jīng)濟(jì)損失，其中德國(guó)的損失最大(400億美元)。8月10日，土耳其黑海沿岸發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，其中卡斯塔莫努省的博茲庫(kù)爾特24 h 降水量為399.9 mm，幾個(gè)城鎮(zhèn)遭受嚴(yán)重破壞，據(jù)報(bào)道有77人死亡。10月4日，意大利西北部利古里亞沿海地區(qū)出現(xiàn)了極端強(qiáng)降水，其中蒙特諾特6 h降水量為496.0 mm，羅西廖內(nèi)12 h的降水量為740.6 mm。

在大洋洲地區(qū)，3月18—24日，澳大利亞?wèn)|部沿海地帶連降暴雨，新南威爾士州遭遇50年一遇的洪災(zāi)，尤其是悉尼北部的黑斯廷斯河、卡魯阿河和曼寧河，部分河流因2017—2019年干旱而嚴(yán)重枯竭的蓄水量被大幅恢復(fù)。此次洪災(zāi)造成近2萬(wàn)人被疏散，部分道路以及數(shù)以百計(jì)的房屋遭損毀，多條交通要道封閉，不少中小學(xué)校被迫停課，至少造成了21億 美元的經(jīng)濟(jì)損失。5月29—31日，新西蘭南島中部坎特伯雷地區(qū)遭受極端特大暴雨侵襲，并引發(fā)百年一遇洪災(zāi)，多個(gè)氣象站的日降水量超過(guò)250 mm，部分地區(qū)停電、路橋被毀，數(shù)百人緊急撤離家園。

在美洲地區(qū)，2021年上半年，南美洲北部部分地區(qū)，特別是亞馬孫河流域北部降水量持續(xù)異常偏多，導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性的強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害，6月20日巴西馬瑙斯的里奧內(nèi)格羅河觀測(cè)到了有記錄以來(lái)的最高水位(30.02 m)。據(jù)報(bào)道，巴西北部洪水泛濫最為嚴(yán)重，圭亞那、哥倫比亞和委內(nèi)瑞拉也受到了影響。

在非洲地區(qū)，盡管薩赫勒雨季的降水量接近常年同期且較近幾年偏少，但仍有一些地區(qū)發(fā)生了洪水災(zāi)害，特別是在尼日爾、蘇丹、南蘇丹以及馬里。另外，非洲中部的坦噶尼喀湖5月水位比常年同期偏高3 m多，這造成了湖岸的部分布隆迪居民流離失所。

2.2 美洲和亞洲等地發(fā)生嚴(yán)重干旱

2020—2021年，北美洲西部大部分地區(qū)經(jīng)歷了較重的干旱，從2020年1月至2021年8月的20個(gè)月是美國(guó)西南部有記錄以來(lái)最干燥的20個(gè)月。受干旱影響，2021年加拿大的小麥和油菜產(chǎn)量預(yù)計(jì)比2020年減產(chǎn)30%～40%；美國(guó)科羅拉多河米德湖的水位在7月下降到47 m，這是水庫(kù)完全投入使用有記錄以來(lái)的最低水位。嚴(yán)重干旱連續(xù)第二年影響了南美洲大部分亞熱帶地區(qū)，其中巴西中部和南部、巴拉圭、烏拉圭和阿根廷北部大部分地區(qū)的降水量都遠(yuǎn)低于常年。9—10月，南美洲中東部拉普拉塔流域(包含巴拉那河、巴拉圭河及烏拉圭河三大河流)極端干旱達(dá)到頂峰，低水位降低了水力發(fā)電量，擾亂了河流運(yùn)輸。10月阿根廷的潘帕斯草原也飽受干旱困擾，巴拉圭河因嚴(yán)重干旱水位下降甚至見(jiàn)底。受干旱影響，作為“世界糧倉(cāng)”的巴西玉米產(chǎn)量下降近10%，大豆和咖啡等作物減產(chǎn)致價(jià)格持續(xù)上漲，波及全球多國(guó)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口貿(mào)易。

2021年嚴(yán)重干旱影響了西南亞的大部分地區(qū)。在2020—2021年的冷季，包括伊朗、阿富汗、巴基斯坦、土耳其東南部和土庫(kù)曼斯坦在內(nèi)的大部分地區(qū)的降水量都遠(yuǎn)低于常年值。巴基斯坦經(jīng)歷了有記錄以來(lái)第三個(gè)最干燥的2月。在1月和2月的大部分時(shí)間里，伊朗的高山積雪面積還不到常年的一半，這導(dǎo)致依賴融雪的河流流量減少，灌溉用水減少。

在非洲地區(qū)，馬達(dá)加斯加南部經(jīng)歷了一場(chǎng)持續(xù)了至少兩年的嚴(yán)重干旱。從2020年7月至2021年6月的12個(gè)月里，該地區(qū)降水量較常年偏少50%左右，持續(xù)干旱給當(dāng)?shù)丶s114萬(wàn)人帶來(lái)了嚴(yán)重的糧食安全問(wèn)題。

2.3 北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異常活躍

2021年全球熱帶氣旋數(shù)量接近歷史平均水平。北大西洋熱帶氣旋較為活躍，截至10月11日，有20個(gè)命名的風(fēng)暴，大約是歷史同期的兩倍。北印度洋熱帶氣旋也非常活躍，但北太平洋西部和北太平洋東部的熱帶氣旋數(shù)量接近或低于歷史平均水平。另外，南半球太平洋和印度洋的熱帶氣旋個(gè)數(shù)也略低于平均水平。

在北大西洋，四級(jí)颶風(fēng)艾達(dá)于8月29日在美國(guó)路易斯安那州富爾雄港附近登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)67 m·s-1(相當(dāng)于17級(jí)以上的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng))，這是有記錄以來(lái)登陸該州的最強(qiáng)颶風(fēng)?！鞍_(dá)”登陸后一路北上影響多州，造成紐約最大小時(shí)降水量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的80 mm，部分地區(qū)24 h的降水量超過(guò)200 mm。“艾達(dá)”在其發(fā)展成熱帶氣旋之前，已給委內(nèi)瑞拉帶來(lái)了大洪水?！鞍_(dá)”致墨西哥灣附近幾乎所有的石油生產(chǎn)設(shè)施關(guān)閉；美國(guó)路易斯安那州近百萬(wàn)戶家庭和企業(yè)斷電，新奧爾良市全城斷電，全美至少80人死亡，經(jīng)濟(jì)損失約為638億美元。年內(nèi)，另一個(gè)影響較大的是颶風(fēng)格蕾絲?！案窭俳z”先是于8月16日給海地、多米尼加、牙買加、特立尼達(dá)和多巴哥帶來(lái)了洪水，之后其發(fā)展成三級(jí)颶風(fēng)并于8月21日登陸墨西哥東部海岸，其帶來(lái)的強(qiáng)暴雨侵襲了墨西哥韋拉克魯斯州，造成至少8人死亡。

5月中下旬，阿拉伯海氣旋風(fēng)暴陶克塔伊和印度洋孟加拉灣氣旋風(fēng)暴亞斯相繼登陸印度?！疤湛怂痢弊畲箫L(fēng)力為14級(jí)(45 m·s-1，相當(dāng)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí))，“亞斯”最大風(fēng)力為12級(jí)(33 m·s-1，相當(dāng)于臺(tái)風(fēng)級(jí))。“陶克塔伊”造成孟買圣克魯斯西氣象站5月 18日降水量達(dá)230 mm，這是孟買5月最大日降水量；印度西部城鎮(zhèn)帕爾加爾的日降水量高達(dá)298 mm。兩個(gè)風(fēng)暴累計(jì)造成印度至少87人死亡、數(shù)百人失蹤，百萬(wàn)人撤離家園，超30萬(wàn)所房屋被摧毀，大量基礎(chǔ)設(shè)施受損。9月下旬，熱帶氣旋古拉布從孟加拉灣穿越印度東海岸；殘余體系在阿拉伯海加強(qiáng)，之后橫穿印度，并更名為“沙欣”。10月3日，熱帶氣旋沙欣在阿曼北部海岸馬斯喀特西北部登陸，這是自1890年以來(lái)首次在該地區(qū)登陸的熱帶氣旋。受“古拉布”和“沙欣”影響，印度、巴基斯坦、阿曼和伊朗共有39人死亡。

在南半球，影響最大的熱帶氣旋是塞洛亞?！叭鍋啞毙纬捎谟《饶嵛鱽喣喜浚笙驏|南方向移動(dòng)至西澳大利亞?！叭鍋啞痹?月2—5日給東帝汶以及印度尼西亞?wèn)|南部帶來(lái)強(qiáng)降水并引發(fā)洪水和泥石流，之后于11日在澳大利亞西部海岸的卡爾巴里附近登陸，是自1956年以來(lái)在西澳大利亞南部登陸的最強(qiáng)熱帶氣旋，共造成印度尼西亞、東帝汶和澳大利亞272人死亡。另外，1月下旬熱帶氣旋埃洛伊絲侵襲了非洲東南部，給莫桑比克、南非、津巴布韋、埃斯瓦蒂尼和馬達(dá)加斯加帶來(lái)了較大損失和人員傷亡。在南太平洋，熱帶氣旋安娜和尼蘭侵襲斐濟(jì)和新喀里多尼亞，引發(fā)多地洪澇災(zāi)害。

在北太平洋地區(qū)，2021年熱帶氣旋的直接影響較近年偏小。7月臺(tái)風(fēng)燦都和煙花給中國(guó)上海及周邊地區(qū)帶來(lái)了強(qiáng)降水，并引起了近海航運(yùn)的中斷。臺(tái)風(fēng)煙花西北側(cè)氣旋性暖濕氣流西進(jìn)北上，攜帶大量水汽西北方向輸送至中國(guó)內(nèi)陸，在一定程度上助力了中國(guó)河南省極端強(qiáng)降水的發(fā)生。9月臺(tái)風(fēng)電母在越南登陸，之后西移至泰國(guó)，在泰國(guó)引發(fā)洪水，致7人死亡。

2.4 歐洲和北美等地遭受高溫?zé)崂撕蜕交?/h3>

2021年夏季，歐洲的平均溫度比1991—2020年期間要高出1℃，以0.1℃的微弱優(yōu)勢(shì)超過(guò)2010年和2018年，成為歐洲史上最熱的夏天。歐洲各地高溫紀(jì)錄也在2021年夏季屢屢被打破，7月20日，吉茲雷(49.1℃)創(chuàng)下土耳其全國(guó)紀(jì)錄，第比利斯(40.6℃)創(chuàng)下格魯吉亞有記錄以來(lái)高溫紀(jì)錄。意大利西西里島8月11日觀測(cè)到了48.8℃高溫，而突尼斯的凱魯萬(wàn)觀測(cè)到了更高的50.3℃，這一溫度成為了歐洲的最新高溫紀(jì)錄。8月14日，蒙托羅(47.4℃)創(chuàng)下了西班牙的全國(guó)紀(jì)錄，馬德里的42.7℃也是有記錄以來(lái)最熱的一天。高溫?zé)崂藢?dǎo)致歐洲多地山林大火蔓延，損失慘重，尤其是在地中海東部和中部，土耳其是受影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，此外還有希臘、意大利、西班牙、葡萄牙、阿爾巴尼亞、北馬其頓、阿爾及利亞和突尼斯。

6—7月期間，異常的高溫?zé)崂硕啻斡绊懕泵牢鞑俊?月20日至7月29日，僅不列顛哥倫比亞省就報(bào)告了569例與熱相關(guān)的死亡病例，加拿大多個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)站的最高氣溫都比原高溫紀(jì)錄高出4～6℃，其中不列顛哥倫比亞省中南部的利頓6月29日最高氣溫達(dá)49.6℃，打破了加拿大全國(guó)的高溫紀(jì)錄。美國(guó)西南部也多次出現(xiàn)了高溫?zé)崂?，其中加利福尼亞州死亡谷?月9日最高氣溫達(dá)到54.4℃，追平了2020年觀測(cè)到的20世紀(jì)30年代以來(lái)世界最高溫度紀(jì)錄，是美國(guó)大陸有記錄以來(lái)最熱的夏天。持續(xù)的高溫?zé)崂嗽斐杀泵牢鞑慷嗟匕l(fā)生山火，其中加利福尼亞州北部的迪克西大火始于7月13日，截至10月7日已燃燒了約39萬(wàn)hm2，這是加利福尼亞州有記錄以來(lái)最大的一次火災(zāi)。

2.5 歐美和亞洲等地遭受寒流和暴風(fēng)雪侵襲

2月12—17日，冬季風(fēng)暴烏里襲擊了北美大部，加拿大南部、美國(guó)大部以及墨西哥北部遭遇強(qiáng)寒流和極端暴風(fēng)雪，多地最低氣溫突破歷史極值，美國(guó)得克薩斯州最低氣溫下降至-22℃，為1895年以來(lái)罕見(jiàn)(中國(guó)氣象局，2022)。2月16日，俄克拉何馬城和達(dá)拉斯-沃斯堡機(jī)場(chǎng)最低氣溫(分別為-24.4℃和-18.3℃)均打破了1903年的低溫紀(jì)錄(分別為-15.6℃和-11.1℃)。墨西哥北部最低氣溫低至-18℃，至少十余人因低溫死亡。冬季風(fēng)暴引起的降雪疊加前期積雪，使得美國(guó)有73%的土地被白雪覆蓋。加拿大的溫莎市降雪量達(dá)200 mm，皮爾遜國(guó)際機(jī)場(chǎng)降雪量為120 mm，渥太華降雪量為180 mm。此次災(zāi)害影響重大，美國(guó)共有172人喪生，超過(guò)550萬(wàn)家庭斷電停電，為美國(guó)近代史上最大的停電事件之一。據(jù)慕尼黑再保險(xiǎn)公司統(tǒng)計(jì)，冬季風(fēng)暴烏里給美國(guó)造成了301億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

1月，亞洲多地遭受寒流和暴雪侵襲，其中俄羅斯經(jīng)歷了2009年以來(lái)最寒冷的冬天。6—8日，中國(guó)北方遭受強(qiáng)寒潮侵襲，多地觀測(cè)到的最低氣溫突破建站以來(lái)的歷史極值，北京大部地區(qū)最低氣溫在-24～-18℃，南郊觀象臺(tái)最低氣溫達(dá)-19.6℃，為1966年以來(lái)的最低氣溫。7—11日，日本北部及西部連降大雪，多地日降雪量創(chuàng)下紀(jì)錄，強(qiáng)降雪導(dǎo)致超過(guò)4.5萬(wàn)戶停電，10人死亡，近300人受傷。

在歐洲地區(qū)，1月7—10日，一場(chǎng)嚴(yán)重的暴風(fēng)雪襲擊了西班牙的許多地區(qū)，多地發(fā)生極端低溫和大雪天氣，其中托萊多(-13.4℃)和特魯埃爾(-21.0℃)等地觀測(cè)到了有記錄以來(lái)的最低溫度，西班牙多地的陸地和空中運(yùn)輸都受到了嚴(yán)重干擾。2月的第二周，荷蘭經(jīng)歷了2010年以來(lái)最嚴(yán)重的暴風(fēng)雪，受此次暴風(fēng)雪的影響，德國(guó)、波蘭和英國(guó)多地也經(jīng)歷了降溫和大雪天氣。12日，布雷馬爾最低氣溫至-23.0℃，這是英國(guó)自1995年以來(lái)的最低氣溫。另外，歐洲東南部的雅典在15日遭遇了2009年以來(lái)最大的降雪。

7月下旬，正值冬季的南非受南極極端寒流的影響，19個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了零下氣溫并伴有降雪，多地的最低氣溫陸續(xù)被刷新。23日，首都約翰內(nèi)斯堡最低氣溫為-7℃，打破了1995年7月的最低氣溫紀(jì)錄(-6.3℃)；金伯利的最低氣溫則低至-9.9℃，大多數(shù)南非城市的氣溫都打破了近20年來(lái)的最低氣溫紀(jì)錄。

2.6 強(qiáng)對(duì)流天氣在世界各地頻發(fā)

美國(guó)是世界上龍卷風(fēng)最為頻發(fā)的國(guó)家，2021年1—4月美國(guó)共發(fā)生了959次龍卷風(fēng)，略低于常年同期。其中一次EF4級(jí)(最高風(fēng)速達(dá)267～322 km·h-1)龍卷風(fēng)于3月25日襲擊了美國(guó)東南部，其中阿拉巴馬州和佐治亞州西部的災(zāi)情最為嚴(yán)重，共造成6人死亡和16億美元的經(jīng)濟(jì)損失。4月27—28日，得克薩斯州和俄克拉何馬州發(fā)生了風(fēng)雹災(zāi)害，共造成24億美元的損失。12月10—11日，69次龍卷風(fēng)侵襲了美國(guó)的10個(gè)州，共造成90人死亡、52億美元的經(jīng)濟(jì)損失，是美國(guó)歷史上最為嚴(yán)重的龍卷風(fēng)災(zāi)害之一。

6月下半月，捷克、斯洛伐克、瑞士和德國(guó)多地發(fā)生強(qiáng)雷暴和龍卷。其中24日，一次F4級(jí)超強(qiáng)龍卷風(fēng)襲擊了捷克摩拉維亞南部的幾個(gè)村莊，造成重大損失和6人死亡，這是捷克有記錄以來(lái)最強(qiáng)的龍卷風(fēng)。據(jù)報(bào)道，6月強(qiáng)雷暴和龍卷給捷克造成了約7億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

在亞洲地區(qū)，5月14日，中國(guó)江蘇蘇州與浙江嘉興交界附近、湖北武漢市蔡甸區(qū)在2 h內(nèi)先后出現(xiàn)強(qiáng)龍卷天氣，最大風(fēng)力都達(dá)17級(jí)以上，并造成重大人員傷亡。6月1日傍晚，中國(guó)黑龍江省尚志市和阿城區(qū)出現(xiàn)龍卷(最大風(fēng)力分別達(dá)17級(jí)以上和15級(jí)以上)；6月25日下午內(nèi)蒙古錫林郭勒盟太仆寺旗出現(xiàn)強(qiáng)龍卷；7月20日河南開(kāi)封通許出現(xiàn)龍卷；21日河北保定清苑部分地區(qū)出現(xiàn)極端風(fēng)雹天氣，東閭鄉(xiāng)遭受龍卷風(fēng)(中國(guó)氣象局，2022)。

2021年全球重大天氣氣候事件如圖4所示。

圖4 2021年全球重大天氣氣候事件示意圖Fig.4 Diagram of global major weather and climate events in 2021

3 典型重大氣候事件成因分析

3.1 7月歐洲中西部出現(xiàn)嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害

歐洲中西部屬于溫帶海洋氣候，月降水量之間的差異較小，氣候適宜，比如德國(guó)西部城市科隆全年最小月降水量在4月，約為50 mm；月降水量最多在7月，約為90 mm。7月14日，德國(guó)西部多地24 h 累計(jì)降水量達(dá)到100 mm，部分地區(qū)超過(guò)了常年7月的月總降水量(圖5)，歐洲中西部上空持續(xù)幾天的穩(wěn)定的大氣環(huán)流型造成了此次極端強(qiáng)降水。

圖5 2021年7月14日德國(guó)降水量分布Fig.5 Observed daily precipitation over Germany on 14 July 2021

7月12—15日，500 hPa中歐地區(qū)為強(qiáng)的切斷低壓系統(tǒng)或風(fēng)暴中心貝恩德，其被困于東西兩側(cè)高壓區(qū)之間，形成了“高-低-高”的阻塞大氣環(huán)流型(圖6)。圖7顯示切斷低壓貝恩德所在的中歐上空有很強(qiáng)的水汽通量輻合，而其北部和西部的東大西洋和南部的地中海地區(qū)為水汽通量的輻散，這表明低壓系統(tǒng)西側(cè)大西洋東部的高壓脊起到了“泵”的作用，使大西洋水汽穿過(guò)法國(guó)進(jìn)入比利時(shí)、荷蘭和德國(guó)，低壓系統(tǒng)又通過(guò)氣旋式環(huán)流從地中海獲取充沛的水汽和熱量，并將深層水汽輸送至中歐地區(qū)。7月20日之后，隨著東大西洋上空高壓進(jìn)一步延伸到歐洲大陸，并將低壓區(qū)向北和向東推進(jìn)，中歐大部分地區(qū)的強(qiáng)降水也趨于結(jié)束。

圖6 2021年7月12—15日500 hPa位勢(shì)高度及距平場(chǎng)(填色：距平場(chǎng)，等值線：平均場(chǎng)，單位：gpm)Fig.6 500 hPa geopotential height and anomaly averaged over 12-15 July 2021 (colored: anomaly field, isoline: the mean field, unit: gpm)

圖7 2021年7月12—15日整層水汽通量距平場(chǎng)及散度場(chǎng)(矢量：水汽通量距平，單位：kg·m-1·s-1；填色：散度，單位：10-5 kg·m-2·s-1)Fig.7 Integrated moisture flux anomalies and divergence averaged over 12-15 July 2021 (vector: flux anomaly, unit: kg·m-1·s-1; colored: divergence, unit: 10-5 kg·m-2·s-1)

某一國(guó)際氣候科學(xué)家小組的快速歸因研究顯示，氣候變化使得歐洲發(fā)生類似這次極端強(qiáng)降水事件的可能性增加了1.2～9倍，由于人類活動(dòng)引起全球氣候變暖將使這類暴雨事件增加3%～19%。這些結(jié)果強(qiáng)化了政府間氣候變化專門委員會(huì)新報(bào)告(IPCC，2021)的結(jié)論，即現(xiàn)在有明確證據(jù)表明人類正在使地球氣候變暖，人為氣候變化是極端天氣變化的主要驅(qū)動(dòng)力，隨著氣溫上升，西歐和中歐將面臨越來(lái)越多的極端降雨和洪水。

3.2 2月中旬冬季風(fēng)暴烏里襲擊北美大部

2021年2月12—17日，強(qiáng)冬季風(fēng)暴烏里侵襲了北美大部，尤其給美國(guó)西部到南部、中西部到東北內(nèi)陸帶來(lái)了強(qiáng)暴風(fēng)雪和極端低溫，美國(guó)中部和南部部分地區(qū)氣溫較常年偏低12℃以上(圖8)。導(dǎo)致了這次冬季強(qiáng)風(fēng)暴事件的直接原因是對(duì)流層高空極地渦旋從北極向南偏移，然后在加拿大中南部逗留長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多星期，這使得寒冷的北極空氣逐漸向南擴(kuò)散到得克薩斯州。

圖8 2021年2月12—17日地表平均氣溫距平分布(相對(duì)于1981—2010年平均值)Fig.8 Surface mean temperature anomaly averaged over 12-17 February 2021 (compared to 1981-2010 average)

2月12—17日，北極極區(qū)500 hPa位勢(shì)高度主要為較強(qiáng)的正距平，表示極渦強(qiáng)度偏弱，而較低緯度的北美地區(qū)位勢(shì)高度為強(qiáng)負(fù)距平，表示極地渦旋從北極偏移至較低緯度并在北美形成強(qiáng)的低壓槽(圖9a)。北美低壓槽東西兩側(cè)為強(qiáng)高壓脊，穩(wěn)定的“高-低-高”大氣環(huán)流型使得冷空氣源源不斷地沿著北美低壓槽從北極地區(qū)向南輸送至美國(guó)南部以及墨西哥北部。與此同時(shí)，200 hPa高空急流位于東北太平洋至北美西北部，表明不停有高空擾動(dòng)沿著急流從東北太平洋向東進(jìn)入北美大陸，為冬季降水提供抬升力和水分(圖9b)。低層700 hPa北美大西洋沿岸有反氣旋式環(huán)流，反氣旋西側(cè)的偏南氣流有利于大西洋暖濕空氣輸送至北美內(nèi)陸，加之位于高空槽前，槽前暖濕空氣抬升為強(qiáng)降雪提供了有力的水汽條件(圖9c)。值得注意的是，當(dāng)2月中旬北美遭受暴雪低溫時(shí)，東亞則氣溫較常年明顯偏高，可以說(shuō)溫暖如春，形成了東西半球“冰火兩重天”的格局。國(guó)家氣候中心的專家認(rèn)為受全球變暖的影響，北極放大效應(yīng)帶來(lái)的北極海冰減少和氣溫升高會(huì)使得對(duì)流層極渦變得不穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生分裂和位移，導(dǎo)致2月中旬對(duì)流層極渦偏向北美，從而促使極寒天氣的發(fā)生。

圖9 2021年2月12—17日(a)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線)與距平(填色)，(b)200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)距平， 以及(c)700 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)距平(A：反氣旋)Fig.9 (a) 500 hPa geopotential height (isoline)and anomaly (colored)， (b) 200 hPa zonal wind anomaly， (c) 700 hPa vector wind anomaly averaged (A： auticyclone) over 12-17 February 2021

另外，一些已有研究表明北美這次強(qiáng)暴風(fēng)雪和低溫災(zāi)害是2020年12月底至2021年1月初逐步開(kāi)始的北極地區(qū)平流層爆發(fā)性增溫事件(sudden stratospheric warming，SSW)引發(fā)的北極-低緯度大氣環(huán)流過(guò)程相互作用的結(jié)果(Zhang et al,2022a)。極地渦旋是環(huán)繞地球南北兩極的低壓冷空氣區(qū)，周圍有旋轉(zhuǎn)的西風(fēng)急流。典型的情況是，足夠強(qiáng)的西風(fēng)可以在冬天將最冷的空氣禁錮在極地。SSW導(dǎo)致極地渦旋減弱，使得冷空氣擴(kuò)散到中緯度地區(qū)，而溫暖的空氣進(jìn)入北極。由于SSW，平流層10 hPa位勢(shì)高度距平在12月底由負(fù)轉(zhuǎn)正，并在1月達(dá)到最強(qiáng)，2月中旬趨于結(jié)束，并且SSW的影響從平流層隨時(shí)間下傳至對(duì)流層低層(圖10a)。AO指數(shù)可以衡量極地空氣在北極受阻或南侵的程度，AO正位相表示冷空氣更多地圍困在北極，而負(fù)位向意味著冷空氣由于西風(fēng)急流減弱而南下。12月底至1月極地渦旋的反復(fù)破壞導(dǎo)致了AO指數(shù)表現(xiàn)為強(qiáng)的負(fù)位相(圖10b)，這表示已形成“暖北極-冷大陸”的大氣環(huán)流模態(tài)，而北美的冬季風(fēng)暴和極端低溫就是在這種背景下發(fā)生的。值得注意的是，2021年1月初東亞也遭受了一次強(qiáng)寒潮的侵襲。前期的平流層爆發(fā)性增溫以及北大西洋濤動(dòng)負(fù)位相、西伯利亞高壓增強(qiáng)、烏拉爾山阻塞高壓增強(qiáng)和東亞槽加深相關(guān)的中高緯度大尺度大氣環(huán)流異常被證實(shí)共同影響了強(qiáng)寒潮的發(fā)生(Zhang et al,2022b；Zheng et al,2022)。另外，Li et al(2022)指出東亞未來(lái)幾年頻繁經(jīng)歷極端寒冷事件的可能性很大，并且預(yù)測(cè)直到2025年?yáng)|亞冬季氣溫將呈現(xiàn)波動(dòng)中下降的趨勢(shì)。可見(jiàn)，在全球變暖的背景下，與極端寒冷事件的發(fā)生和演變相關(guān)的物理機(jī)制和可預(yù)報(bào)性仍然是未來(lái)的研究重點(diǎn)(Mu et al,2022)。

圖10 2020年11月1日至2021年2月28日(a)北極地區(qū)(65°～90°N)位勢(shì)高度距平的時(shí)間-高度剖面和(b)AO指數(shù)變化Fig.10 (a) Time-height cross-section of the geopotential height anomaly over the polar cap (65°-90°N), and (b) Arctic Oscillation index from 1 November 2020 to 28 February 2021

4 結(jié) 論

2021年大氣中的溫室氣體吸收熱量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平，盡管全球氣溫因?yàn)?020—2022年的拉尼娜事件暫時(shí)冷卻，但2021年全球平均氣溫較工業(yè)化前(1850—1900年)偏高1.11℃(±0.13℃)，仍為有氣象記錄以來(lái)的第七暖年。全球海洋持續(xù)升溫，為有現(xiàn)代觀測(cè)記錄以來(lái)最暖的一年，全球海洋上層700 m 和2 000 m的熱容量同創(chuàng)歷史新高。全球海平面上升速率增加，并在2021年達(dá)到了新的歷史最高水平。2021年，北極海冰面積遠(yuǎn)低于常年值，其中7月上半月北極海冰面積創(chuàng)歷史新低，9月東格陵蘭海的海冰面積創(chuàng)歷史新低。

在全球變暖的大背景下，年內(nèi)歐洲、美洲遭受高溫?zé)崂?，多地觀測(cè)到突破歷史極值的極端高溫，成為歐洲和美國(guó)有記錄以來(lái)最熱的夏天，高溫?zé)崂藢?dǎo)致歐洲南部地中海沿岸以及美國(guó)西部干燥少雨，山火頻發(fā)，損失慘重；全球多地遭受嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害，尤其是中國(guó)河南出現(xiàn)破紀(jì)錄極端強(qiáng)降水事件，歐洲遭遇百年一遇極端強(qiáng)降水，造成了嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；美洲和亞洲多地發(fā)生嚴(yán)重旱災(zāi)，美國(guó)、加拿大、巴西、阿根廷等地農(nóng)業(yè)損失最大。北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異?；钴S，四級(jí)颶風(fēng)艾達(dá)登陸美國(guó)路易斯安那州，是有記錄以來(lái)登陸該州的最強(qiáng)颶風(fēng)，狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮給美國(guó)東南沿岸各州造成大面積破壞，造成數(shù)百億美元經(jīng)濟(jì)損失；年初，歐美和亞洲多地遭受寒流和暴風(fēng)雪侵襲，冬季風(fēng)暴烏里襲擊北美大部，多地最低氣溫突破歷史極值，暴風(fēng)雪天氣造成交通癱瘓，數(shù)百萬(wàn)家庭停電，數(shù)百人喪生；強(qiáng)對(duì)流天氣在世界各地頻發(fā)發(fā)生，僅12月就有69次龍卷風(fēng)侵襲美國(guó)多州，造成近百人死亡，是美國(guó)歷史上最為嚴(yán)重的龍卷風(fēng)災(zāi)害之一。

進(jìn)一步分析表明，7月12—15日，500 hPa中歐地區(qū)為強(qiáng)的切斷低壓系統(tǒng)，其被困于東西兩側(cè)高壓區(qū)之間，穩(wěn)定的“高-低-高”的阻塞大氣環(huán)流模態(tài)使得大西洋水汽穿過(guò)法國(guó)進(jìn)入比利時(shí)、荷蘭和德國(guó)，低壓系統(tǒng)又通過(guò)氣旋式環(huán)流從地中海獲取充沛的水汽和熱量，從而造成了歐洲中西部的極端強(qiáng)降水并引發(fā)洪水。2月中旬，對(duì)流層極地渦旋從北極向南偏移，并在北美形成持續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)低壓槽，使得冷空氣源源不斷地沿著北美低壓槽從北極地區(qū)向南輸送至美國(guó)南部以及墨西哥北部。在低壓槽，高空急流和有利的低層水汽輸送的共同作用下，北美大部發(fā)生了強(qiáng)暴風(fēng)雪天氣。另外，2020年12月底至2021年1月北極地區(qū)發(fā)生平流層爆發(fā)性增溫事件，其影響下傳至對(duì)流層，導(dǎo)致對(duì)流層極地渦旋的反復(fù)破壞以及強(qiáng)的AO負(fù)位相，為此次北美冬季風(fēng)暴和極端低溫災(zāi)害的發(fā)生提供了背景條件。