2021年春季海洋天气评述

刘达，王慧，黄彬，曹越男，陈博宇

(国家气象中心，北京 100081)

引言

本文分析了2021年春季(3—5月，下同)北半球的大气环流特征及逐月演变，并对我国近海海域发生的主要灾害性天气及其相关影响因素进行了分析。除此之外，还分析了西北太平洋热带气旋的活动特征、我国近海海域浪高和海面温度等气象、水文要素在春季的变化特征，简要统计了全球其他海域热带气旋活动的基本情况。

使用的数据资料主要包括：NCEP/DOE再分析数据、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[1-3]。

文中提到的重大过程统计标准如下：1)大风过程: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：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 环流特征与演变

1.1 环流特征

2021年春季500 hPa平均位势高度场及距平场(图1)显示，北半球极涡呈现偶极型分布，极涡中心分别位于新地岛以东和加拿大北部，极涡中心强度均较常年同期偏强，位于新地岛以东的极涡中心强度为516 dagpm，较常年偏强约6 dagpm，加拿大北部极涡中心强度为526 dagpm，偏强约2 dagpm。北半球中高纬度西风带呈现为4波型，对应的距平场除欧洲北部地区出现负异常外，亚洲东部地区、太平洋海域位势高度均呈现正异常，因此洋中槽和东亚大槽均较常年同期偏弱，导致春季东亚地区以纬向环流为主。

图1 2021年春季北半球500 hPa平均位势高度场(a)及其距平场(b)(单位：dagpm)

1.2 环流演变对我国天气的影响

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(图2a)，欧洲北部存在一个较强的低压槽区，亚洲大陆西侧主要受高压脊的控制，东亚大槽主要活跃在鄂霍次克海至日本一带。由距平场可以看出，亚洲和太平洋区域对应正距平区，东亚大槽强度较历史同期偏弱，亚洲西部的高压脊较常年偏强，受到高压脊的阻挡作用，月内亚洲东部地区的冷空气活动较弱。对应的海平面气压场(图2b)上可以看出，贝加尔湖以西有一冷高压，高压中心对应负距平区域，冷高压强度较历史同期偏弱，影响我国北方地区的冷空气活动偏弱。我国近海海域气压较常年偏低，北部海域存在一个弱的高压中心，受其影响，月内北部海域海雾过程频发，影响时间较长。

图2 2021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)

4月，欧亚大陆及西北太平洋海域的中高纬环流为“两槽一脊”型，低纬度地区环流以纬向型为主，不断有短波槽活动出现。与3月相比，东亚大槽东移至日本以东海域，其强度变化不大，贝加尔湖以东出现了一个低压槽，亚洲西部依然处于高压脊的控制之下。距平图显示高压脊区和东亚大槽伴有正距平，贝加尔湖以北的低压槽对应负距平区，虽然强度偏强，但是由于位置偏北导致月内冷空气活动偏北，影响我国的冷空气过程偏少(图3a)。图3b为海平面气压场和距平图，可以看出位于贝加尔湖附近地区的冷高压加强，中心气压值达到1 024 hPa左右，大陆高压较常年偏强。我国近海气压由负距平转为正距平，渤海、黄海和东海北部海域处于高压内部，低层形势场稳定，大风和海雾过程偏少(图3b)。

图3 2021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)

5月，欧亚大陆及西北太平洋海域的中高纬环流呈现“两槽两脊”型(图4a)，两槽分别位于欧洲和贝加尔湖附近，槽区对应负距平，强度较常年偏强，东亚大槽较4月无明显变化，脊区分别位于巴尔喀什湖以西和鄂霍次克海，且明显强于常年。海平面气压场和距平图(图4b)显示贝加尔湖附近的冷高压强度减弱，我国近海海域尤其是北部海域处于两高压之间的低压控制下且伴有负距平，低压东移过程中导致我国近海海域出现大风天气。

图4 2021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)

2 我国近海天气分析

2.1 大风过程

2.1.1 概况

2021年春季，影响我国的冷空气活动较弱，我国近海的大风过程较2020年和2019年[2-3]明显偏少且强度偏弱，季内我国近海共出现了5次8级以上大风过程，其中冷空气大风过程2次，冷空气和气旋共同影响的大风过程1次，温带气旋影响的大风过程2次(表1)。由大风的持续时间来看，大风过程一般持续2～3 d，受冷空气影响的过程主要发生在3、4 月，5月过程主要由气旋入海导致；由大风影响情况来看，大风强度偏弱，主要为7～8级，影响海域主要集中在我国北部海域。3月，由于影响我国的冷空气较弱，观测到8级以上大风过程的次数(2次)相对于2019年和2020年3月[2-3](分别为8次和5次)显著偏少。4月，冷空气活跃程度更弱，仅有一次大风过程，主要影响我国北部海域。5月，2次大风过程均由温带气旋入海引起，因此持续时间较短。下面重点对3月19—23日冷空气导致的大风过程进行分析。

表1 中国近海2021年春季主要大风过程

2.1.2 3月19—23日大风过程分析

3月19—23日的大风过程自北向南分别影响了我国黄渤海海域、东海海域、台湾海峡、南海北部海域和北部湾，其中渤海海峡和黄海中部的部分海域出现了7～8级、阵风9级的西北风，台湾海峡、巴士海峡、南海中东部海域出现了7～8级、阵风9级的偏北到东北风。这次过程影响范围广，持续时间长，台湾海峡部分测站阵风极值约为20.8 m·s-1，8级以上大风持续时间达到6 h以上，大沽灯塔(站号54630)观测到极值阵风19.5 m·s-1且8级及以上大风持续时间约3 h。

回顾此次大风过程，主要是受到北方冷空气和南支槽的共同影响，导致我国近海海域尤其是东部和南部海域出现持续性的大风天气，为2021年春季影响范围最广的大风过程(图5)。从500 hPa形势场上看，3月19—20日(图略)，贝加尔湖北部有一低涡发展，内蒙古中部有一低压槽，前期受此低压槽的影响我国北部海域开始出现大风天气(图6a)。21日，上述低值系统加强并且向南移动，低压槽加深延伸到东海南部海域，其对应冷中心最低温度达到-40 ℃以下，槽后的西北气流引导北方强冷空气南下进一步影响我国东部和南部海域(图6b)，东部海域大风加强，南部海域开始出现大风天气。22日，北部的低压槽东移，北部海域北风减弱并逐渐转向为西南风，与此同时22—23日期间，我国西南地区有一南支槽开始发展，伴随横槽东移转竖，我国东部和南部海域受其和前一股冷空气的共同影响，出现持续性的大风天气。

图5 2021年3月表层10 m风场(a. 20日08时，b. 21日08时，c. 22日08时，d. 23日08时；单位：m·s-1)

图6 2021年3月日平均500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)和温度场(色阶，单位：℃)(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日)

由地面形势看，大陆处于强盛的高压系统控制之下，日本以南洋面也有一高压活动，我国近海位于两高压之间的低压区，气压梯度较大，有利于大风的出现和发展(图7a)。21日，伴随地面高压中心东移，低压中心加强移动至日本海附近，我国近海处于等压线密集区，气压梯度增大，东部和东南部海域的风力增加(图7b)。随着高压东移，我国南部海域位于高压底部，东北风加强，北部海域位于高压西北部，风向逐渐转变为以西南气流为主(图7c)。随着高压系统入海减弱，此次大风过程趋于结束(图7d)。

图7 2021年3月日平均海平面气压场(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日；色阶，单位：hPa)

有研究[4-7]指出低层的冷平流对于冷空气导致的大风过程具有很好的指示作用。通过分析925 hPa的冷平流可以发现，20日，我国北部和东部海域受到冷平流的影响，冷平流使得表层气压上升，正变压加强，风速增强，黄渤海和东海开始出现7～8级大风(图8a—c)。21—22日，冷平流增强南压，大值中心达到-16×10-4K·s-1以上，东部和南部海域风速显著增大。随着冷平流的减弱，预示着我国近海海域大风过程结束(图8d)。

图8 2021年3月925 hPa温度平流(a. 20日，b. 21日，c. 22日，d. 23日；色阶，单位：10-4 K·s-1)

2.2 海雾过程

2.2.1 概况

2021年春季，我国近海出现8次比较明显的海雾过程，其中3月3次，4月2 次，5月3 次(表2)。海雾过程持续时间一般为2～3 d，主要影响我国北部和东部海域。由环流形势来看，春季我国近海海域基本处于两高压中间的低压带，不断有暖湿气流输送，造成春季海雾过程频发。下面针对3月25—28日的海雾个例进行分析。

表2 中国近海2021年春季主要海雾过程

2.2.2 3月25—28日海雾个例分析

通过卫星可见光观测(图9)可以发现，此次过程中3月25—26日白天，雾区主要位于渤海海峡、黄海北部、中部和西南部海域以及东海西北部的部分海域，雾区西侧边缘光滑。26日夜间开始受气旋入海的影响，雾区被高层云系遮挡难以分辨，27日下午随着高层云系东移，可见光云图中低层雾区逐渐清晰，此时雾区主要位于渤海东部海域、渤海海峡、黄海大部海域。28日白天，随着北方大风沙尘过程东移，雾区自西向东逐渐消散，此次海雾过程趋于结束。此次海雾过程中山东半岛和辽东半岛东侧沿岸海域低能见度持续时间达50 h以上，部分海域能见度低于100 m(图略)。

图9 2021年3月25日08时(a1、a2)、3月26日08时(b1、b2)、3月27日08时(c1、c2)和3月28日08时(d1、d2)葵花8号卫星可见光通道图像(a1、b1、c1、d1)及其海雾反演区域(a2、b2、c2、d2；蓝色填充)示意图

此次海雾过程主要受500 hPa高空脊和低层高压系统的影响，3月25—26日，黄海海域处于高空槽后脊前，受到西北风控制，槽后下沉气流有利于低层形势场的稳定，地面处于高压系统的后部，并不断有暖湿气流向北输送(图略)。3月26日夜间，伴随高空短波槽东移，黄海中部海域有气旋发展，部分海域由雾转雨，能见度持续偏低，与此同时，低层气旋前部水汽输送增强，有利于黄海北部和东部雾区的维持。27日夜间，北方低涡逐渐东移南下，冷空气活动加强使得此次海雾过程趋于结束。

春季是黄海海雾高发的季节，此时海雾主要以平流冷却雾为主[8-9]，平流冷却雾的形成主要表现为暖湿气流移动到冷海面，在适宜的海气温差、空气湿度以及气象条件的共同作用下形成大范围的海雾。此次黄海海雾的发生从低层环流上来看，3月25—26日，黄海处于高压的后部，以偏南气流为主，偏南风的风速在4～8 m·s-1的范围内，有研究[10]指出风速在2～4级时有利于雾区的生成和维持。同时，偏南风将南部的暖湿水汽不断输送到北部的冷海面，黄海海域低层相对湿度不断增加，由卫星云图雾区分布(图9)与湿度大值区(图10)的对比来看，雾区相对湿度均在80%以上，部分海域达到95%以上，持续的偏南气流有利于平流冷却雾的出现和维持。27日，受入海气旋的影响，黄海海域低层相对湿度降低，由于高层对流云的遮挡，雾区的范围很难分辨。28日，伴随北方低值系统东移，偏北风对水汽的清除和干燥作用使得此次海雾过程结束。海雾的发生和维持与海洋表层和低层大气的温度密切相关，通常海气温差在-3～0.5 ℃时有利于平流冷却雾的生成[10]。春季我国北部海域的海面温度通常低于低层气温，回顾此次过程期间黄海海域的海气温差(图11)可以发现雾区的主要范围为海气温差在-3～1 ℃的海域，此时由于海温略低于气温，有利于大气中水汽冷却凝结。低层大气层结是影响雾区的另外一个重要气象因素，3月25—26日期间，黄海海域低层925 hPa和1 000 hPa存在1～2 ℃的逆温层(图略)，逆温层的存在加强了低层的稳定性，从而有利于雾区的长时间维持。27日后，随着低层偏北风逐渐加强，逆温层被破坏，雾区逐渐向朝鲜半岛收缩。

图10 2021年3月1 000 hPa相对湿度场(色阶，单位：%)和10 m风场(单位：m·s-1)(a. 25日08时，b. 26日08时，c. 27日08时，d. 28日08时)

图11 2021年3月海气温差(a. 25日08时，b. 26日08时，c. 27日08时，d. 28日08时；色阶，单位：℃)

2.3 热带气旋

2.3.1 西北太平洋和南海热带气旋

2021年春季，西北太平洋和南海海域共有2个台风生成(表3)，比1949—2020年平均值(约2.07个)略偏少。2021年2号台风“舒力基”(SURIGAE)于4月14日凌晨在菲律宾以东洋面生成(图12)，随后向西偏北方向移动，强度逐渐加强，17日强度快速加强，于14时达到了超强台风级并维持了72 h。21日后在菲律宾东部近海转向东北方向移动，转向后强度逐渐减弱，于24日夜间在西北太平洋洋面变性为温带气旋。“舒力基”活跃期间对我国近海没有直接影响，主要是通过与冷空气的结合导致台湾海峡、台湾以东洋面、巴士海峡、南海东北部等海域出现了7～8级的大风天气。3号台风“彩云”(Choi-wan)于5月31日上午在菲律宾以东洋面生成，随后向西偏北方向移动，逐渐向菲律宾东部近海靠近，于6月1日夜间在菲律宾中部沿海登陆，登陆后继续向西北方向移动，穿过菲律宾群岛后，于6月3日进入我国南海中部海域，随后在南海东北部海域转向东北方向移动，受其影响，南海东部的部分海域、巴士海峡、台湾以东洋面等海域出现了7～8级的大风天气，“彩云”于6月5日减弱为热带低压。

图12 2021年春季西北太平洋和南海热带气旋路径图

表3 2021年春季西北太平洋和南海热带气旋

2.3.2 全球其他海域热带气旋概况

2021年春季，除西北太平洋和南海之外，其他海域共有10个热带气旋活动，分别为东太平洋1个，北印度洋2个，南印度洋3个，澳大利亚附近海域3个，北大西洋1个(表4)。同历史平均(1981—2010年共30 a平均，南印度洋为2000—2010年共10 a平均)对比来看，东太平洋(常年平均0.6个)、北印度洋(常年平均0.9个)、北大西洋(常年平均0.1个)比常年平均偏多，南印度洋比常年平均(7.9个)偏少，南太平洋春季无台风生成。

表4 2021年春季全球其他各大洋(除西北太平洋和南海外)热带气旋统计

3 海洋概况

3.1 浪高

2021年春季，我国近海有效波高(以下简称“浪高”)在2 m以上的海浪过程有8次(表5)，海浪过程基本与大风和热带气旋活动对应，但是影响时段并不是完全一致。海浪的变化主要受到地形、波浪的发展与传播以及风时风区的影响。春季，海浪影响的主要海域分别是黄渤海、台湾海峡、南海北部海域和巴士海峡，主要影响时段是3、4月，5月海浪偏小。3月和4月，我国近海浪高大于2 m的过程主要有3次，累计影响时间分别为11 d和8 d，5月浪高大于2 m的过程有2次，影响时间仅有2 d。由最大浪高来看，受到“舒力基”的影响，巴士海峡和台湾以东洋面最大浪高达到4 m以上，其他过程主要在2～3 m之间。

表5 中国近海2021年春季主要大浪(2 m以上)过程

由月平均变化(图13)来看，我国东部和南部海域3、4月的浪高明显高于5月，其中大值区主要为南海东北部海域、台湾以东洋面，北部海域、北部湾浪高变化较小，均在1.2 m以下，浪高的变化可能与季风的强弱和转换有关[11]。3月，平均浪高的大值区主要在东海、台湾海峡、南海北部海域，平均浪高达到1.2 m，其中南海东北部部分海域浪高达到2 m以上。4月，我国东部近海的浪高较3月增大，尤其是东海东部海域、巴士海峡、台湾以东洋面平均浪高达到2 m以上。5月，我国近海的浪高大幅下降，平均浪高处于0.6～1.2 m之间。

图13 2021年春季平均浪高(a. 3月，b. 4月，c. 5月；色阶，单位：m)

3.2 海面温度

春季我国近海海面温度(以下简称“海温”)南北梯度较大，北部海域平均海温低于20 ℃，南部海域平均海温达到24 ℃以上，温度梯度最大的海域主要位于东海。由逐月海温演变(图14)可以看出，春季我国近海海温不断升高，除渤海、渤海海峡、黄海北部和中部海域海温始终低于16 ℃外，黄海南部和东海大部海域温度由16 ℃升高到18～24 ℃，增幅2～4 ℃，南部海域海温普遍由24 ℃升高到28 ℃以上，增加4 ℃左右。海温的升高为热带气旋的生成和发展提供了有利的下垫面条件，使得春季台风活动略低于常年同期。

图14 2021年春季平均海面温度(a. 3月，b. 4月，c. 5月；色阶，单位：℃)

由逐月平均海温距平分布(图15)来看，2021年春季我国近海大部分海域的海温较常年偏高约1 ℃，其中浙江沿岸海域和东海西北部部分海域偏高达3 ℃以上。3月，渤海北部和黄海北部海域海温较常年偏低，台湾海峡海温较常年偏低约1 ℃以上，东海北部海域海温偏高。4月，台湾海峡和东海北部海域依然呈现出与3月相同的特征，南海中部海域海温略偏低。进入5月，我国近海海域几乎均呈现出海温偏高的特征，偏高的主要海域分别是北部湾和东海西北部海域，均达到了2 ℃以上。

图15 2021年春季3月(a)、4月(b)、5月(c)海面温度距平(色阶，单位：℃)

4 小结

2021年春季，北半球极涡为偶极型分布，极涡较常年平均偏强，中高纬度西风带呈现为4波型，东亚大槽和洋中槽较常年偏弱，东亚地区以纬向环流为主，冷空气活动较弱，季内海雾过程频发。4月和5月，受入海气旋的影响，我国东部海域出现多次大风过程。具体天气总结如下:

1)我国近海出现了5次8级以上大风过程，其中冷空气大风过程2次，冷空气和温带气旋共同影响的大风过程1次，温带气旋影响的大风过程2次。

2)我国近海共出现8次比较明显的海雾过程，逐月分布为：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个台风，全球其他海域共有10个热带气旋，分别为东太平洋1个，北印度洋2个，南印度洋3个，澳大利亚附近海域3个，北大西洋1个。

4)我国近海浪高2 m 以上的海浪过程有8 次，主要的大浪区域有东海东部海域、台湾海峡、巴士海峡、南海北部海域。

5)3—5 月，我国近海海域处于逐渐升温的过程，东部和南部海域的升温幅度较大，从北到南的海面温度梯度增加。