為何全球變暖要為席卷美國的極寒天氣負責(zé)？

編譯 費文緒

2014年1月，隨著一場災(zāi)難性的寒潮席卷北美大部分地區(qū)，尤其是導(dǎo)致尼亞加拉瀑布大部分凍結(jié)，“極渦”這個詞一躍成為流行語。我們可以預(yù)期未來這樣的極端天氣事件將會變得更加頻繁

2019年初，美國經(jīng)歷了前所未有的冰凍天氣，而全球變暖是罪魁禍首，這聽起來是不是很瘋狂？落基山脈以東的北美地區(qū)經(jīng)歷了寒潮，其氣溫低至北極般的程度，這是真的，卻并非全部真相。與此同時，在世界的其他地區(qū)，從澳大利亞到真正的北極，正出現(xiàn)破紀錄的溫暖天氣。

發(fā)聲的少數(shù)人也許會用這種錯誤的邏輯說事，“我所在之處很冷，所以全球變暖不是真的”，即便是學(xué)童都知道天氣并不是氣候。但是，由于全球變暖和一種你可能聽過的現(xiàn)象——極渦（polar vortex）的綜合作用，近年來這些極寒的寒潮愈演愈烈。“極渦背后的科學(xué)”一圖是極渦如何發(fā)揮作用的科學(xué)原理，以及為何全球變暖會矛盾地在如今的破紀錄低溫天氣中發(fā)揮重要作用。

當(dāng)你想起地球，包括地球的天氣、氣候和氣溫，你的腦海中會浮現(xiàn)什么畫面？

描繪地球的最好方式是把它看成繞其軸旋轉(zhuǎn)的球體，但是有兩種附加效應(yīng)：大氣和海洋。隨著地球繞地軸旋轉(zhuǎn)，我們感受到晝夜交替，白天在太陽光照射下感覺天氣變暖，夜間在黑暗中感覺天氣變冷，因為地球把其儲存的熱量輻射到太空深處。當(dāng)我們所處的半球朝著太陽傾斜時，我們就經(jīng)歷了夏季；當(dāng)我們所處的半球背離太陽傾斜時，我們就經(jīng)歷了冬季。

海洋儲存了巨大熱量，由洋流把熱量從一個地方帶到另一個地方。但是，在我們目前經(jīng)歷的這些特別的天氣事件中，大氣才是最大的成因。

在任何自轉(zhuǎn)的行星上，都會產(chǎn)生叫作“盛行風(fēng)”（prevailing winds）的效應(yīng)。隨著自轉(zhuǎn)，地球一般會經(jīng)歷3種不同的風(fēng)，通常分別局限在3個不同緯度地帶：

緯度0°～ 30°地帶：盛行信風(fēng)（trade winds），自東向西吹，匯聚于赤道。

緯度30°～ 60°地帶：盛行西風(fēng)，自西向東吹，然后上升至北極圈（或下沉至南極圈）。

緯度60°～ 90°地帶：極地環(huán)流，通常局限在地球緯度最高的地區(qū)。

雖然緯度帶不同，這種現(xiàn)象對于大多數(shù)快速自轉(zhuǎn)、具有大氣的行星都很常見，包括金星、火星、木星和土星。不過，地球有一點特別。

由于地球大氣層很稀薄、地球的大幅軸向傾斜、極地上空的云層遮蔽和反射行為以及一系列其他因素，地球赤道和兩極之間的溫差極大。這種溫差在夏季最小，因為那時極區(qū)經(jīng)歷幾乎24小時的持續(xù)日照；冬季溫差最大，因為那時極區(qū)幾乎總是處于黑夜中。

地球的大氣循環(huán)，包括哈得萊環(huán)流（即低緯度環(huán)流）、費雷爾環(huán)流（即中緯度環(huán)流）和極地環(huán)流，以及北半球和南半球表示盛行風(fēng)的6個不同地帶

由于赤道和兩極之間存在極大溫差，因此，在兩極存在持續(xù)的大范圍低壓帶，以氣旋的方式自西向東旋轉(zhuǎn)（在北極是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在南極是順時針方向旋轉(zhuǎn)）。這兩個低壓帶稱為“極渦”，它們均始于大氣層上空數(shù)英里處，然后充分擴展到平流層。

在極渦下面，你通常會發(fā)現(xiàn)大量密度大的冷空氣環(huán)繞著兩個極點。正常情況下，這些極渦足夠穩(wěn)定，因為溫差和氣壓差大到足以讓極渦一年到頭都留在原地。

當(dāng)極渦達到最強時，就變成單個環(huán)流，空氣固定在一定區(qū)域。當(dāng)極渦變?nèi)鯐r，它們會分裂成兩個或多個環(huán)流，并且開始偏離極點。當(dāng)極渦變得極弱時，它們會分裂成碎片，其中一些低壓、低溫的空氣會開始與極區(qū)之外氣壓和溫度更高的空氣發(fā)生相互作用。

盡管“極渦”這個詞從19世紀中葉就已出現(xiàn)，卻鮮有人知道。直到最近10年，極渦變得很弱以致移動到北美和歐亞大陸上空，導(dǎo)致了我們近年來歷史上最嚴寒的冬天，才引起人們關(guān)注。

當(dāng)北極的極渦變得極弱時，地球中緯度地區(qū)的高壓帶（西風(fēng)帶所在之處）會向極點推進，替換冷空氣。這導(dǎo)致極渦更加向南移動，而且，急流扭曲并向人口稠密的南緯地區(qū)偏離。當(dāng)來自極區(qū)的干冷空氣遇到中緯度地區(qū)的濕熱空氣，就會出現(xiàn)劇烈的天氣變化，我們習(xí)慣上稱為“寒潮”。

北半球大部分地區(qū)正在經(jīng)歷的極寒天氣，恰恰是因為目前正在發(fā)生的極渦現(xiàn)象。

但是，為何要把寒潮歸咎于全球變暖呢？

答案很簡單：因為導(dǎo)致極渦分裂的現(xiàn)象稱為“平流層突然變暖”（sudden stratospheric warming），平流層上層的空氣在短短幾天之內(nèi)變暖大約30～50 ℃ 。北半球有大片的陸地，意味著隨著地表溫度上升，會把熱量傳輸?shù)礁钡貐^(qū)。

極渦現(xiàn)象是如何導(dǎo)致極端天氣的具體細節(jié)很復(fù)雜，不過解釋起來卻很簡單：地表溫度越高，尤其是在北美和歐亞大陸北部地區(qū)，就會允許越多的熱量傳輸?shù)奖睒O平流層。變暖的地球使得平流層突然變暖事件更大可能和更頻繁。而這些事件會使極渦變得不穩(wěn)定，把冷空氣帶到中緯度地區(qū)，從而導(dǎo)致我們目前正在經(jīng)歷的極端天氣。

隨著地球持續(xù)變暖，這些主要地區(qū)的積雪和海冰將會減少，從而改變極渦邊界地區(qū)的氣壓和氣溫梯度。在極端情況下，造成的結(jié)果是極渦變?nèi)跄酥帘罎?。急流的移動是最初的跡象之一，而且已經(jīng)成為近年來非常頻繁的現(xiàn)象。

我們在2014年經(jīng)歷的大寒潮并不是只發(fā)生一次的事件。盡管很多人對那場暴風(fēng)雪記憶猶新，仿佛發(fā)生在昨天；但我們完全可以預(yù)料，這類極端天氣事件在未來幾年會成為常態(tài)。氣候正在發(fā)生變化，并且正在以各種方式影響全球各地的天氣。

也許自相矛盾的是，恰恰是極冷的強極渦導(dǎo)致人口更稠密的中緯度地區(qū)冬天的天氣穩(wěn)定和溫暖。這是氣候變化產(chǎn)生的效應(yīng)之一，在最好的情況下，需要幾百年才會逆轉(zhuǎn)。目前，冰凍天氣和超強寒潮正影響北半球中緯度地區(qū)的大部分陸地。

隨著地球持續(xù)變暖，像這樣的極端天氣將會變得平常，很多氣候?qū)W家預(yù)測，未來每10年，不穩(wěn)定的極渦就會帶給我們多次這樣的暴風(fēng)雪。歡迎來到極端天氣的新常態(tài)，拜全球變暖所賜，北極在嚴冬甚至不能保持寒冷。

極渦背后的科學(xué)

極渦是繞地球北極和南極的大范圍低壓冷空氣。“渦旋”一詞指的是幫助更冷空氣留在極地附近的逆時針氣流（左圖）。通常在北半球的冬天，極渦將會變得不那么穩(wěn)定，而向外擴展，在急流的擾動下，把北極的冷空氣向南推進到美國（右圖）。

“極渦”并非什么新詞——實際上，這一術(shù)語最早出現(xiàn)在1853年的刊物《利特爾的生活年代》（E.Littell＇s Living Age）中。

穩(wěn)定的強極渦（左圖）與不穩(wěn)定的弱極渦（右圖）之間的區(qū)別：不穩(wěn)定的弱極渦會導(dǎo)致中緯度地區(qū)的寒潮和極寒天氣，就像我們現(xiàn)在經(jīng)歷的極寒天氣一樣