2021年全球重大天氣氣候事件及其成因*

張穎嫻 孫 劭 劉 遠 侯 威 王國復

國家氣候中心，北京 100081

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

引 言

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

2021年全球多地發生重大天氣氣候事件，包括全球多地遭受嚴重暴雨洪澇災害，美洲和亞洲等地發生嚴重干旱，北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異常活躍，歐洲和北美等地遭受高溫熱浪和山火，北美、歐美和亞洲等地遭受寒流和暴風雪侵襲，強對流天氣在世界各地頻發等。據國際災難數據庫(Emergency Events Database,EM-DAT)和慕尼黑再保險公司數據統計(EM-DAT,2021;Munich,2022)，2021年全球氣象水文災害共造成約2 240億美元的經濟損失，這一數據高于2019年(2 100億美元)和2020年(1 660億美元)，給世界多地經濟社會的可持續發展、人員生命及財產安全帶來了重大的不利影響。

在全球變化背景下，極端天氣氣候事件是國家應對氣候變化的優先重點，同時也是國際社會應對氣候變化的重要領域(秦大河等，2015)。2000—2019年，全球共發生了約11 000次極端天氣氣候事件，共造成超過47.5萬人喪生，經濟損失約為2.56萬億美元(Eckstein et al,2021)。因此，國家氣候中心長期關注中國和全球主要天氣氣候事件的發生發展、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全球的影響以及加深對氣象災害風險管理的認識。本文系統性回顧了2021年全球氣候概況以及年內發生的重大天氣氣候事件，并重點分析了7月歐洲中西部嚴重暴雨洪澇災害和2月北美強冬季風暴這兩個典型氣候事件的形成原因。所用的資料包括CPC全球氣溫格點資料集、GPCC全球降水量觀測資料集、NCEP/NCAR大氣再分析數據集、德國氣象局氣候數據中心的日降水量資料和NOAA北極濤動(Arctic oscillation，AO)指數。

1 全球主要氣候特征

1.1 地表溫度位列歷史第七位

2021年是歷史少見的“雙峰型拉尼娜”年，上一次全球拉尼娜事件發生于2020年8月，于2021年4月結束，之后在2021年11月再次形成，并持續至2022年。拉尼娜現象對天氣和氣候的影響通常與厄爾尼諾現象相反，具有暫時的全球降溫效應，通常在拉尼娜事件發生的第二年最強。盡管全球氣溫因為2020—2022年的拉尼娜事件暫時冷卻，但根據世界氣象組織的統計，2021仍然是有記錄以來最熱的七個年份之一(圖1)，2021年，全球平均氣溫較工業化前(1850—1900年)偏高為1.11℃(±0.13℃)，是2015年以來連續第七年較工業化前偏高1℃(WMO，2022)。由于大氣中溫室氣體吸收的熱量達到創紀錄水平，全球變暖和其他長期氣候變化趨勢預計將持續。

圖1 全球平均溫度距平(相對1850—1900年平均值)時間序列(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溫度均明顯偏高，其中北美東北部和格陵蘭島的部分地區偏高3℃以上；西伯利亞西部和東部、阿拉斯加、中東太平洋地區、澳大利亞大部分地區和南極洲部分地區溫度則低于常年，其中中東太平洋地區偏低的溫度與年初和年底的拉尼娜現象相對應。從區域來看，非洲的年平均氣溫與2019年持平，是有記錄以來的第三高，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年以來最冷的一年(NOAA，2022)。

圖2 2021年全球平均溫度距平(相對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歷史新高，海冰面積偏小

2021年全球海洋持續升溫，成為有現代海洋觀測記錄以來最暖的一年。同時，地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海區溫度均創歷史新高(Cheng et al,2022)。地球系統中超過90%的多余熱量儲存在海洋中，且相比常用的海面溫度等指標，海洋熱容量受自然波動的影響小，因而成為判斷全球是否變暖的最佳指標之一。最新數據表明，2021年全球海洋上層2 000 m熱容量再創歷史新高，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增加的熱容量相當于約500倍的2020年中國全年發電量(Cheng et al,2022)。有研究表明，人類的影響已經使大氣、海洋和陸地變暖，而且人類的影響極有可能是自20世紀70年代以來觀測到的海洋熱容量增加的主要驅動力(IPCC，2021)，此外工業和生物氣溶膠、土地利用等對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歷史新高。

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

2 全球重大天氣氣候事件概述

2.1 全球多地遭受嚴重暴雨洪澇災害

GPCC觀測資料顯示，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)。拉尼娜現象在某種程度上造成了一些地區降水模態的改變，比如年初的拉尼娜現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。非洲季風的爆發偏晚，季風降水接近常年；在以贊比亞為中心的南部非洲地區，雨季降水量持續低于常年值。在北美地區，阿拉斯加和加拿大北部、美國東南部和加勒比海部分地區的降雨量高于常年；北美中部地區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，地中海地區降水量異常偏少，而黑海和東歐部分地區降水量則明顯偏多。

圖3 2021年全球降水量距平百分率(相對于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，7月17—24日，中國河南多地出現破紀錄的極端強降水事件，臺風煙花西北側的偏南氣流為這次極端強降水提供了充沛的水汽。河南有39個縣(市)累計降水量達常年年降水量的一半，其中鄭州、輝縣、淇縣等10個縣(市)超過常年的年降水量。累計降水量超過250 mm的覆蓋面積占河南的32.8%。小時最大降水量(鄭州，201.9 mm)創下中國大陸小時氣象觀測降水量新紀錄；鄭州等19個縣(市)日降水量突破歷史極值；32個縣(市)連續3 d降水量突破歷史極值。據有關部門統計，此次災害共造成河南省150個縣(市、區)1 478.6萬人受災， 直接經濟損失達1 200.6 億元。

在歐洲地區，7月上中旬，歐洲中西部陸續發生暴雨洪澇災害。7月12—13日英格蘭南部部分地區發生極端強降水事件并引發洪水，其中英國倫敦部分地區90 min降水量接近80 mm，特別是基尤24 h降水量達47.8 mm，超過了當地常年7月總降水量，打破了1983年以來的歷史紀錄。強降水在倫敦和多塞特郡引發了洪水，造成部分地區大量車輛被淹沒、交通癱瘓、公司企業停工、學校停課。7月14—15日德國發生極端強降水，部分地區日降水量達100～150 mm，超過當地常年7月總降水量，最大日降水量為維珀菲爾特的162.4 mm。比利時、盧森堡、荷蘭、瑞士和法國東北部部分地區也受到了這次極端強降水的影響。在瑞士，比爾湖、圖恩湖和盧塞恩湖的最高水位達到5級洪水警報；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到了4級洪水警報。據德國慕尼黑再保險公司統計，此次歐洲強暴雨洪澇災害共造成超過220人死亡以及540億美元的經濟損失，其中德國的損失最大(400億美元)。8月10日，土耳其黑海沿岸發生暴雨洪澇災害，其中卡斯塔莫努省的博茲庫爾特24 h 降水量為399.9 mm，幾個城鎮遭受嚴重破壞，據報道有77人死亡。10月4日，意大利西北部利古里亞沿海地區出現了極端強降水，其中蒙特諾特6 h降水量為496.0 mm，羅西廖內12 h的降水量為740.6 mm。

在大洋洲地區，3月18—24日，澳大利亞東部沿海地帶連降暴雨，新南威爾士州遭遇50年一遇的洪災，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年干旱而嚴重枯竭的蓄水量被大幅恢復。此次洪災造成近2萬人被疏散，部分道路以及數以百計的房屋遭損毀，多條交通要道封閉，不少中小學校被迫停課，至少造成了21億 美元的經濟損失。5月29—31日，新西蘭南島中部坎特伯雷地區遭受極端特大暴雨侵襲，并引發百年一遇洪災，多個氣象站的日降水量超過250 mm，部分地區停電、路橋被毀，數百人緊急撤離家園。

在美洲地區，2021年上半年，南美洲北部部分地區，特別是亞馬孫河流域北部降水量持續異常偏多，導致該地區發生了持續性的強暴雨洪澇災害，6月20日巴西馬瑙斯的里奧內格羅河觀測到了有記錄以來的最高水位(30.02 m)。據報道，巴西北部洪水泛濫最為嚴重，圭亞那、哥倫比亞和委內瑞拉也受到了影響。

在非洲地區，盡管薩赫勒雨季的降水量接近常年同期且較近幾年偏少，但仍有一些地區發生了洪水災害，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 美洲和亞洲等地發生嚴重干旱

2020—2021年，北美洲西部大部分地區經歷了較重的干旱，從2020年1月至2021年8月的20個月是美國西南部有記錄以來最干燥的20個月。受干旱影響，2021年加拿大的小麥和油菜產量預計比2020年減產30%～40%；美國科羅拉多河米德湖的水位在7月下降到47 m，這是水庫完全投入使用有記錄以來的最低水位。嚴重干旱連續第二年影響了南美洲大部分亞熱帶地區，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的降水量都遠低于常年。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)極端干旱達到頂峰，低水位降低了水力發電量，擾亂了河流運輸。10月阿根廷的潘帕斯草原也飽受干旱困擾，巴拉圭河因嚴重干旱水位下降甚至見底。受干旱影響，作為“世界糧倉”的巴西玉米產量下降近10%，大豆和咖啡等作物減產致價格持續上漲，波及全球多國農產品進口貿易。

2021年嚴重干旱影響了西南亞的大部分地區。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曼斯坦在內的大部分地區的降水量都遠低于常年值。巴基斯坦經歷了有記錄以來第三個最干燥的2月。在1月和2月的大部分時間里，伊朗的高山積雪面積還不到常年的一半，這導致依賴融雪的河流流量減少，灌溉用水減少。

在非洲地區，馬達加斯加南部經歷了一場持續了至少兩年的嚴重干旱。從2020年7月至2021年6月的12個月里，該地區降水量較常年偏少50%左右，持續干旱給當地約114萬人帶來了嚴重的糧食安全問題。

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個命名的風暴，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數也略低于平均水平。

在北大西洋，四級颶風艾達于8月29日在美國路易斯安那州富爾雄港附近登陸，登陸時中心附近最大風力達67 m·s-1(相當于17級以上的超強臺風)，這是有記錄以來登陸該州的最強颶風。“艾達”登陸后一路北上影響多州，造成紐約最大小時降水量達到創紀錄的80 mm，部分地區24 h的降水量超過200 mm。“艾達”在其發展成熱帶氣旋之前，已給委內瑞拉帶來了大洪水。“艾達”致墨西哥灣附近幾乎所有的石油生產設施關閉；美國路易斯安那州近百萬戶家庭和企業斷電，新奧爾良市全城斷電，全美至少80人死亡，經濟損失約為638億美元。年內，另一個影響較大的是颶風格蕾絲。“格蕾絲”先是于8月16日給海地、多米尼加、牙買加、特立尼達和多巴哥帶來了洪水，之后其發展成三級颶風并于8月21日登陸墨西哥東部海岸，其帶來的強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，阿拉伯海氣旋風暴陶克塔伊和印度洋孟加拉灣氣旋風暴亞斯相繼登陸印度。“陶克塔伊”最大風力為14級(45 m·s-1，相當于強臺風級)，“亞斯”最大風力為12級(33 m·s-1，相當于臺風級)。“陶克塔伊”造成孟買圣克魯斯西氣象站5月 18日降水量達230 mm，這是孟買5月最大日降水量；印度西部城鎮帕爾加爾的日降水量高達298 mm。兩個風暴累計造成印度至少87人死亡、數百人失蹤，百萬人撤離家園，超30萬所房屋被摧毀，大量基礎設施受損。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，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年以來首次在該地區登陸的熱帶氣旋。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。“塞洛亞”形成于印度尼西亞南部，之后向東南方向移動至西澳大利亞。“塞洛亞”在4月2—5日給東帝汶以及印度尼西亞東南部帶來強降水并引發洪水和泥石流，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年以來在西澳大利亞南部登陸的最強熱帶氣旋，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、埃斯瓦蒂尼和馬達加斯加帶來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和新喀里多尼亞，引發多地洪澇災害。

在北太平洋地區，2021年熱帶氣旋的直接影響較近年偏小。7月臺風燦都和煙花給中國上海及周邊地區帶來了強降水，并引起了近海航運的中斷。臺風煙花西北側氣旋性暖濕氣流西進北上，攜帶大量水汽西北方向輸送至中國內陸，在一定程度上助力了中國河南省極端強降水的發生。9月臺風電母在越南登陸，之后西移至泰國，在泰國引發洪水，致7人死亡。

2.4 歐洲和北美等地遭受高溫熱浪和山火

2021年夏季，歐洲的平均溫度比1991—2020年期間要高出1℃，以0.1℃的微弱優勢超過2010年和2018年，成為歐洲史上最熱的夏天。歐洲各地高溫紀錄也在2021年夏季屢屢被打破，7月20日，吉茲雷(49.1℃)創下土耳其全國紀錄，第比利斯(40.6℃)創下格魯吉亞有記錄以來高溫紀錄。意大利西西里島8月11日觀測到了48.8℃高溫，而突尼斯的凱魯萬觀測到了更高的50.3℃，這一溫度成為了歐洲的最新高溫紀錄。8月14日，蒙托羅(47.4℃)創下了西班牙的全國紀錄，馬德里的42.7℃也是有記錄以來最熱的一天。高溫熱浪導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重的國家之一，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，異常的高溫熱浪多次影響北美西部。6月20日至7月29日，僅不列顛哥倫比亞省就報告了569例與熱相關的死亡病例，加拿大多個長期觀測站的最高氣溫都比原高溫紀錄高出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49.6℃，打破了加拿大全國的高溫紀錄。美國西南部也多次出現了高溫熱浪，其中加利福尼亞州死亡谷在7月9日最高氣溫達到54.4℃，追平了2020年觀測到的20世紀30年代以來世界最高溫度紀錄，是美國大陸有記錄以來最熱的夏天。持續的高溫熱浪造成北美西部多地發生山火，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hm2，這是加利福尼亞州有記錄以來最大的一次火災。

2.5 歐美和亞洲等地遭受寒流和暴風雪侵襲

2月12—17日，冬季風暴烏里襲擊了北美大部，加拿大南部、美國大部以及墨西哥北部遭遇強寒流和極端暴風雪，多地最低氣溫突破歷史極值，美國得克薩斯州最低氣溫下降至-22℃，為1895年以來罕見(中國氣象局，2022)。2月16日，俄克拉何馬城和達拉斯-沃斯堡機場最低氣溫(分別為-24.4℃和-18.3℃)均打破了1903年的低溫紀錄(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。冬季風暴引起的降雪疊加前期積雪，使得美國有73%的土地被白雪覆蓋。加拿大的溫莎市降雪量達200 mm，皮爾遜國際機場降雪量為120 mm，渥太華降雪量為180 mm。此次災害影響重大，美國共有172人喪生，超過550萬家庭斷電停電，為美國近代史上最大的停電事件之一。據慕尼黑再保險公司統計，冬季風暴烏里給美國造成了301億美元的經濟損失。

1月，亞洲多地遭受寒流和暴雪侵襲，其中俄羅斯經歷了2009年以來最寒冷的冬天。6—8日，中國北方遭受強寒潮侵襲，多地觀測到的最低氣溫突破建站以來的歷史極值，北京大部地區最低氣溫在-24～-18℃，南郊觀象臺最低氣溫達-19.6℃，為1966年以來的最低氣溫。7—11日，日本北部及西部連降大雪，多地日降雪量創下紀錄，強降雪導致超過4.5萬戶停電，10人死亡，近300人受傷。

在歐洲地區，1月7—10日，一場嚴重的暴風雪襲擊了西班牙的許多地區，多地發生極端低溫和大雪天氣，其中托萊多(-13.4℃)和特魯埃爾(-21.0℃)等地觀測到了有記錄以來的最低溫度，西班牙多地的陸地和空中運輸都受到了嚴重干擾。2月的第二周，荷蘭經歷了2010年以來最嚴重的暴風雪，受此次暴風雪的影響，德國、波蘭和英國多地也經歷了降溫和大雪天氣。12日，布雷馬爾最低氣溫至-23.0℃，這是英國自1995年以來的最低氣溫。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個地區出現了零下氣溫并伴有降雪，多地的最低氣溫陸續被刷新。23日，首都約翰內斯堡最低氣溫為-7℃，打破了1995年7月的最低氣溫紀錄(-6.3℃)；金伯利的最低氣溫則低至-9.9℃，大多數南非城市的氣溫都打破了近20年來的最低氣溫紀錄。

2.6 強對流天氣在世界各地頻發

美國是世界上龍卷風最為頻發的國家，2021年1—4月美國共發生了959次龍卷風，略低于常年同期。其中一次EF4級(最高風速達267～322 km·h-1)龍卷風于3月25日襲擊了美國東南部，其中阿拉巴馬州和佐治亞州西部的災情最為嚴重，共造成6人死亡和16億美元的經濟損失。4月27—28日，得克薩斯州和俄克拉何馬州發生了風雹災害，共造成24億美元的損失。12月10—11日，69次龍卷風侵襲了美國的10個州，共造成90人死亡、52億美元的經濟損失，是美國歷史上最為嚴重的龍卷風災害之一。

6月下半月，捷克、斯洛伐克、瑞士和德國多地發生強雷暴和龍卷。其中24日，一次F4級超強龍卷風襲擊了捷克摩拉維亞南部的幾個村莊，造成重大損失和6人死亡，這是捷克有記錄以來最強的龍卷風。據報道，6月強雷暴和龍卷給捷克造成了約7億美元的經濟損失。

在亞洲地區，5月14日，中國江蘇蘇州與浙江嘉興交界附近、湖北武漢市蔡甸區在2 h內先后出現強龍卷天氣，最大風力都達17級以上，并造成重大人員傷亡。6月1日傍晚，中國黑龍江省尚志市和阿城區出現龍卷(最大風力分別達17級以上和15級以上)；6月25日下午內蒙古錫林郭勒盟太仆寺旗出現強龍卷；7月20日河南開封通許出現龍卷；21日河北保定清苑部分地區出現極端風雹天氣，東閭鄉遭受龍卷風(中國氣象局，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月歐洲中西部出現嚴重暴雨洪澇災害

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，德國西部多地24 h 累計降水量達到100 mm，部分地區超過了常年7月的月總降水量(圖5)，歐洲中西部上空持續幾天的穩定的大氣環流型造成了此次極端強降水。

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

7月12—15日，500 hPa中歐地區為強的切斷低壓系統或風暴中心貝恩德，其被困于東西兩側高壓區之間，形成了“高-低-高”的阻塞大氣環流型(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為水汽通量的輻散，這表明低壓系統西側大西洋東部的高壓脊起到了“泵”的作用，使大西洋水汽穿過法國進入比利時、荷蘭和德國，低壓系統又通過氣旋式環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。7月20日之后，隨著東大西洋上空高壓進一步延伸到歐洲大陸，并將低壓區向北和向東推進，中歐大部分地區的強降水也趨于結束。

圖6 2021年7月12—15日500 hPa位勢高度及距平場(填色：距平場，等值線：平均場，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及散度場(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)

某一國際氣候科學家小組的快速歸因研究顯示，氣候變化使得歐洲發生類似這次極端強降水事件的可能性增加了1.2～9倍，由于人類活動引起全球氣候變暖將使這類暴雨事件增加3%～19%。這些結果強化了政府間氣候變化專門委員會新報告(IPCC，2021)的結論，即現在有明確證據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動力，隨著氣溫上升，西歐和中歐將面臨越來越多的極端降雨和洪水。

3.2 2月中旬冬季風暴烏里襲擊北美大部

2021年2月12—17日，強冬季風暴烏里侵襲了北美大部，尤其給美國西部到南部、中西部到東北內陸帶來了強暴風雪和極端低溫，美國中部和南部部分地區氣溫較常年偏低12℃以上(圖8)。導致了這次冬季強風暴事件的直接原因是對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達一個多星期，這使得寒冷的北極空氣逐漸向南擴散到得克薩斯州。

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500 hPa位勢高度主要為較強的正距平，表示極渦強度偏弱，而較低緯度的北美地區位勢高度為強負距平，表示極地渦旋從北極偏移至較低緯度并在北美形成強的低壓槽(圖9a)。北美低壓槽東西兩側為強高壓脊，穩定的“高-低-高”大氣環流型使得冷空氣源源不斷地沿著北美低壓槽從北極地區向南輸送至美國南部以及墨西哥北部。與此同時，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沿著急流從東北太平洋向東進入北美大陸，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流，反氣旋西側的偏南氣流有利于大西洋暖濕空氣輸送至北美內陸，加之位于高空槽前，槽前暖濕空氣抬升為強降雪提供了有力的水汽條件(圖9c)。值得注意的是，當2月中旬北美遭受暴雪低溫時，東亞則氣溫較常年明顯偏高，可以說溫暖如春，形成了東西半球“冰火兩重天”的格局。國家氣候中心的專家認為受全球變暖的影響，北極放大效應帶來的北極海冰減少和氣溫升高會使得對流層極渦變得不穩定，進而發生分裂和位移，導致2月中旬對流層極渦偏向北美，從而促使極寒天氣的發生。

圖9 2021年2月12—17日(a)500 hPa位勢高度場(等值線)與距平(填色)，(b)200 hPa緯向風場距平， 以及(c)700 hPa矢量風場距平(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暴風雪和低溫災害是2020年12月底至2021年1月初逐步開始的北極地區平流層爆發性增溫事件(sudden stratospheric warming，SSW)引發的北極-低緯度大氣環流過程相互作用的結果(Zhang et al,2022a)。極地渦旋是環繞地球南北兩極的低壓冷空氣區，周圍有旋轉的西風急流。典型的情況是，足夠強的西風可以在冬天將最冷的空氣禁錮在極地。SSW導致極地渦旋減弱，使得冷空氣擴散到中緯度地區，而溫暖的空氣進入北極。由于SSW，平流層10 hPa位勢高度距平在12月底由負轉正，并在1月達到最強，2月中旬趨于結束，并且SSW的影響從平流層隨時間下傳至對流層低層(圖10a)。AO指數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，而負位向意味著冷空氣由于西風急流減弱而南下。12月底至1月極地渦旋的反復破壞導致了AO指數表現為強的負位相(圖10b)，這表示已形成“暖北極-冷大陸”的大氣環流模態，而北美的冬季風暴和極端低溫就是在這種背景下發生的。值得注意的是，2021年1月初東亞也遭受了一次強寒潮的侵襲。前期的平流層爆發性增溫以及北大西洋濤動負位相、西伯利亞高壓增強、烏拉爾山阻塞高壓增強和東亞槽加深相關的中高緯度大尺度大氣環流異常被證實共同影響了強寒潮的發生(Zhang et al,2022b；Zheng et al,2022)。另外，Li et al(2022)指出東亞未來幾年頻繁經歷極端寒冷事件的可能性很大，并且預測直到2025年東亞冬季氣溫將呈現波動中下降的趨勢。可見，在全球變暖的背景下，與極端寒冷事件的發生和演變相關的物理機制和可預報性仍然是未來的研究重點(Mu et al,2022)。

圖10 2020年11月1日至2021年2月28日(a)北極地區(65°～90°N)位勢高度距平的時間-高度剖面和(b)AO指數變化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 論

2021年大氣中的溫室氣體吸收熱量達到創紀錄的水平，盡管全球氣溫因為2020—2022年的拉尼娜事件暫時冷卻，但2021年全球平均氣溫較工業化前(1850—1900年)偏高1.11℃(±0.13℃)，仍為有氣象記錄以來的第七暖年。全球海洋持續升溫，為有現代觀測記錄以來最暖的一年，全球海洋上層700 m 和2 000 m的熱容量同創歷史新高。全球海平面上升速率增加，并在2021年達到了新的歷史最高水平。2021年，北極海冰面積遠低于常年值，其中7月上半月北極海冰面積創歷史新低，9月東格陵蘭海的海冰面積創歷史新低。

在全球變暖的大背景下，年內歐洲、美洲遭受高溫熱浪，多地觀測到突破歷史極值的極端高溫，成為歐洲和美國有記錄以來最熱的夏天，高溫熱浪導致歐洲南部地中海沿岸以及美國西部干燥少雨，山火頻發，損失慘重；全球多地遭受嚴重暴雨洪澇災害，尤其是中國河南出現破紀錄極端強降水事件，歐洲遭遇百年一遇極端強降水，造成了嚴重人員傷亡和財產損失；美洲和亞洲多地發生嚴重旱災，美國、加拿大、巴西、阿根廷等地農業損失最大。北大西洋和北印度洋熱帶氣旋異常活躍，四級颶風艾達登陸美國路易斯安那州，是有記錄以來登陸該州的最強颶風，狂風、暴雨和風暴潮給美國東南沿岸各州造成大面積破壞，造成數百億美元經濟損失；年初，歐美和亞洲多地遭受寒流和暴風雪侵襲，冬季風暴烏里襲擊北美大部，多地最低氣溫突破歷史極值，暴風雪天氣造成交通癱瘓，數百萬家庭停電，數百人喪生；強對流天氣在世界各地頻發發生，僅12月就有69次龍卷風侵襲美國多州，造成近百人死亡，是美國歷史上最為嚴重的龍卷風災害之一。

進一步分析表明，7月12—15日，500 hPa中歐地區為強的切斷低壓系統，其被困于東西兩側高壓區之間，穩定的“高-低-高”的阻塞大氣環流模態使得大西洋水汽穿過法國進入比利時、荷蘭和德國，低壓系統又通過氣旋式環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降水并引發洪水。2月中旬，對流層極地渦旋從北極向南偏移，并在北美形成持續穩定的強低壓槽，使得冷空氣源源不斷地沿著北美低壓槽從北極地區向南輸送至美國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，北美大部發生了強暴風雪天氣。另外，2020年12月底至2021年1月北極地區發生平流層爆發性增溫事件，其影響下傳至對流層，導致對流層極地渦旋的反復破壞以及強的AO負位相，為此次北美冬季風暴和極端低溫災害的發生提供了背景條件。