这个暖冬,寒潮为何如此猛烈?

这个暖冬,寒潮为何如此猛烈?

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——冰、空气和阳光的魔术。

当全国人民正全力以赴抗击疫情时,似乎不会有很多人注意到,这个冬天也同往年显得不太一样。情人节那天,北京降下了这个冬天的第七场雪,成为今冬最猛烈寒潮中的一支不寻常的小插曲。

01. 2月16日,雪后的北京延庆海坨山 | 图源@VCG

说这场雪不寻常,是因为北方的冬季常常干冷少雨雪。以北京为例,多年平均冬季降水量仅为8.3mm。但今冬情形有些不同:如果从12月1日算起,截至2月14日第七次降雪结束后,北京市的降水量已有37.5mm,是常年同期5.3mm的六倍多,达到1951年以来同期最高[1-3]

02. 2月13日至16日的降水实况图 | 2020年2月中旬的猛烈寒潮为全国带来充沛的降水,其中降雪范围之大引人注目。图源@中央气象台[4]

刚刚过去的大寒潮带来充沛的雨雪,长城内外大雪纷飞,大江南北冷风冰雨。可是,假如你在11月初关注过天气资讯,一定会注意到气象部门早就预测今冬是一个暖冬[5]——更有气象爱好者认为,叫它超级暖冬也并不为过。

03. 听说,今年又是一个暖冬? | 但从数据来看,并不令人意外。图源@赵榜/星球研究所

但就在这样一个暖冬的背景下,一场猛烈寒潮却在冬天的下半场不期而至,给全国带来相当凶猛的降温,气温下降14℃以上的地区比比皆是。

04. 2月13日至16日全国降温实况图 | 剧烈的降温席卷我国中东部广泛。图源@中央气象台 [4]

暖冬、多雪和猛烈寒潮,就这样看似不协调、而又漫不经心地出现在这个冬季。

可是,它们真的彼此矛盾吗?


01 雪花从何而来?


雪花,是本轮寒潮带给人们的“见面礼”。

雪的本质仍是高空水汽遇冷后的产物。当寒潮来袭,冷空气贴地前进,逼迫暖湿气团爬升至高空遇冷凝结,开始以冰晶的方式落下。假如低空温暖,便会融化为雨水;假如低空温度逐渐由暖转冷,则会依次出现雨、雨夹雪和雪——情人节的寒潮里,包括北京在内的许多城市便经历了如此的天气过程。

05. 寒潮过境时的雨雪转变过程示意图 | 随着暖空气被冷空气逐渐挤走,会依次出现雨、雨夹雪和雪。图源@郑伯容/星球科学评论

寒潮与暖湿气团的相互作用,是引发雨雪天气的直接原因。

在本轮寒潮到来之前,从南方吹来的暖湿气流控制了中国北方大部分区域,多地甚至因此出现了罕见的“高温”天气。在本应天寒地冻的东三省,气温竟然连续突破零度,大幅超过历史同期值。网友甚至吐槽,本来用作天然冰箱的自家阳台,竟然化冻了

06. 本轮寒潮前后的部分北方城市最高气温变化图 | “过山车”一般的最高气温曲线看似有趣,却让穿衣服变成问题。制图@陈睿婷/星球科学评论

不轻易示人的水汽也没有放过露脸的机会,全国多地在寒潮前经历了一次大雾天气,从大西南一路绵延到东三省,范围之大令人惊讶。

07. 2月12日至13日全国雾区预报图 | 浓雾笼罩了从大西南到东三省的广泛国土。图源@中央气象台

大雾出现在寒潮降雪之前,似乎是预言着“冬雾雪”的民谚,但是,早就习惯了灰霾(指不含水汽、干燥的霾)天气的人们,并没有把这场来势汹汹的大雾放在眼里。

08. 2月13日,寒潮到来前的长春 |雾气笼罩城市,可能会被人们当成霾,但湿冷的体感还是会暴露一切。图源@VCG

在今年的大暖冬里,东亚地区冬季风偏弱[5],有利于暖湿气流向北方输送[6],为北国带去了这个季节不常有的充沛水汽与温暖和煦。

09. 影响我国的冬季风示意图 | 冬季风减弱以后,南方暖湿气流容易找到机会北上。制图@赵榜 巩向杰/星球研究所

南风浩荡,裹挟着来自印度洋、南海和西太平洋的水汽一路北上。原本干爽凛冽的北国之冬,竟也变得如长江流域的冬天一般,粘腻阴冷,雾气朦胧。如果不是一场寒潮的到来,这股令人窒息的水汽就会一直停留在原地,无法变成雨雪润泽人间,而是以雾的形式遮天蔽日。

好在,它并没有让人们等待太久,万马千军,正从塞外飞驰南下。


02 寒潮从何而来?

西伯利亚是冬季影响我国的冷空气策源地(如前图)。正常情况下,西伯利亚冷气团的边界时南时北,控制区域时大时小,交替带来冷暖变化。但总有些时候,一大波冷空气会如同商量好一般,忽然而至,横扫千军,然后悄然离去。人们将这种突然爆发的、能够造成急剧降温的强烈冷空气称作寒潮。

10. 寒潮过境后,山东邹城的村庄、田野与山丘被白雪覆盖 | 图源@VCG

强寒潮天气的出现往往与极地涡旋有关[7-8],曾经有学者统计过影响中国的176个强寒潮事件,其中有108个与极地涡旋的活动有关[9]。这是一种在南北两极均有分布的大气中上层深厚气流系统,分别在高空的平流层(距地表10千米以上)和低空的对流层(距地表10千米以内)存在,有学者认为二者之间没有直接相连[10],但却彼此影响。对流层极地涡旋具有更大的范围,能够显著的影响低空天气系统,因此与人们的生活也有更密切的关系[10]。

11. 平流层和对流层极地涡旋的示意图 | 平流层和对流层的极地涡旋既相对独立,又相互影响。图源@NOAA Climate.gov

在平流层,北极涡旋的结构相对简单,平面上是一个较圆滑的椭圆。随着高度逐渐下降,极涡的形态开始发生改变。到了对流层内,极涡的形态则相当不规则,像是天空中的花朵

12. 北极涡旋在大气不同高度的形状示意图 | 作为分布在大气中上层的大型气流结构,利用不同气压的等位势高度线,可以界定极涡的分布范围。图源@Severe Weather Europe [11]

两条高速流动的横向风带,分别将极地的寒冷空气禁锢在极涡内。其中对流层内的横向风带也叫西风急流,它是隔绝冷、热空气的藩篱,但冷热气流之间的冲撞也会造成边界动荡不宁,让极涡的稳定性出现变化,使冷空气时不时“”到不同的地区,给当地带来非常强烈的寒潮[10,12]。

13. 北极涡旋的两种常见状态 | 北极周围地区气压和风力的变化,会使北极涡旋在稳定和波状状态之间交替变化,影响北半球冬季的天气。图源@NOAA

2013-2014年的冬天,美国遭遇了异常令人印象深刻的强大寒流。这场寒流源自一股北美洲西海岸的温暖气团向北方冲击,使北极涡旋减弱分解,迫使北极涡旋的结构从“一超”转变为“多强”,若干个小型极涡中心向欧亚大陆和北美大陆袭去。

14. 2013-2014年冬季北美洲寒潮前后的北极极涡态势 |图片显示了北半球中高纬地区500百帕气压的等位势高度(气压为500百帕的对应高度)。该压力位的高度范围大约在地表以上5000~5500米,图中紫色区域即表示对流层极涡。图源@NOAA Climate.gov

除了白令海附近,与北冰洋沟通的北大西洋也是暖湿气流冲击北极的极佳场所。近年来最典型的一次极涡移动事件(Polar vortex shift)发生在2015-2016年的冬季。2015年底,位于冰岛附近的一个强大风暴将大西洋上的暖湿气流送进了北极圈,使12月30日的北极点温度急剧升高20多摄氏度,短暂超过了冰点

15. 2015年底霸王级寒潮前的北极点升温曲线 | 根据距离北极点最近的一个浮标测定的数据,北极点附近的气温在一天之内飙升25摄氏度左右。图源@NOAA Climate.gov

深冬的北极点气温破零,这在人类气象观测史上十分罕见。暖湿气流强烈冲击了北极涡旋的西风急流屏障,积蓄在北极上空的寒冷气团被迫移动。2016年的新年在北极涡旋的扭曲变形中来到,若干个次级中心开始向欧亚大陆和北美大陆腹地移动,为半个月后的全北半球霸王级寒潮埋下伏笔。

16. 2015年底霸王级寒潮前的500百帕等位势高度风场及温度变化图

(图注:图中紫色(低温空气)范围大体对应对流层中部的极涡范围,白线表示气流轨迹,紫色区域周围的密集线条密集处即为极涡边界(西风急流),包裹着低温空气一起做逆时针运动(自西向东)。风速和温度数据为北极点处500hPa对应高度处的数据。注意1月20日起侵袭我国的极涡。制图@郑伯容/星球科学评论)

到了2016年1月下旬,经过半个多月的动荡不安与蓄势待发,凶猛寒潮终于如约降临北美洲和东亚。在中国,最低温度降至零下的国土面积,达到惊人的945万平方公里;一个北极涡旋次中心最南移动到了渤海上空,史所罕见;广州市区甚至也迎来了新中国成立后的首次降雪[13-14]。

17. 南国的雪人 | 广东韶关乳源大桥镇柯树下村,不少游客前来赏雪,一个雪人堆放在车头。图源@VCG

极涡外围的突然南移意味着极为剧烈的寒潮,能够带来严重的低温雨雪天气,对人们的生产生活造成重大灾害。类似的场景在近年来并不罕见,2019年1月,北极涡旋的一大块外围气团又一次横扫北美。

18. 北极涡旋外围横扫北美洲 | NASA的大气红外测深仪(AIRS)记录到的一次对流层北极涡旋外围波动事件,深紫色的极涡冷气团横扫加拿大及美国。该事件发生于2019年1月20日至1月29日,造成美国北部发生超级寒潮。图片显示的大气活动距离地表大约4000米,温度单位为华氏度。图源@JPL-Caltech AIRS项目/NAS

这次寒潮给美国人民带来深刻的印象,1月底的最冷阶段时,最低体感温度可达-59华氏度,合-50.5摄氏度[6-7]。如果没有必要防护,裸露在外的皮肤将会很快被冻伤。

2019年1月北美洲寒潮的地面温度https://www.zhihu.com/video/1214851614940569600

19. 2019年1月北美洲极涡事件的地面气温变化视频 | 视频中的温度由计算机根据实测数据插值算出,为地面以上2米处的空气温度。出自@NASA [16])

2020年2月,北大西洋风暴格外活跃。2月10日,温带气旋Ciara登陆挪威,冷风凄雨横扫整个欧洲西北部的同时,也将暖湿气流向北极圈内输送,这又是似曾相识的一幕。在西风的吹拂下,暖气团开始挤压极涡,将一个小分支向东推去。在跨越千山万水后,这个极涡分支渐渐从极涡主体脱离,最终在2月13日扣关长城一线,为中国北方带来一个飘雪的情人节,和随后的全国剧烈降温。

20. 2020年初强寒潮前后的500百帕高度风场及温度变化态势图 |

(图注:图中紫色(低温空气)范围大体对应对流层中部的极涡范围,白线表示气流轨迹,紫色区域周围的密集线条密集处即为极涡边界(西风急流),包裹着低温空气一起做逆时针运动(自西向东)。风速和温度数据为北极点处500hPa对应高度处的数据。注意1月20日起侵袭我国的极涡。制图@郑伯容/星球科学评论)

由于寒潮到来之前,许多地区正被温润的南风控制,于是便有了这次急转直下的气温“过山车”

但即便强悍如斯,这场寒潮毕竟还是结束了。冬天最寒冷的日子已经过去,气温重新回暖,雨水节气(今年的2月19日)也已到来,春天的脚步声正越来越近,我们还有什么好担心的呢?


03 在变暖的世界中深度冻结


对流层极涡边缘与暖气团的挤压碰撞,每年冬天都在北半球激烈上演着。在西风带的吹拂下,它们往往在陆地西北部写下开头,在陆地的北端积蓄高潮,最后在陆地的中-东部以凶猛的寒潮作结。但是,年复一年的习以为常中,也正在酝酿着变化。

在全球升温的大背景中,北半球冬季的平均温度也在一路走高,暖冬出现的频率和暖化程度都在变高。暖冬正成为几乎每年都会出现的自然事件,人们也已经逐渐习惯。

暖冬到底给我们带来了什么?除了静稳的雾霾天气[17]及温和的冬日暖阳,还有长期来看处于减少状态的寒潮数量。

21. 气候变暖导致我国寒潮变化数据图 | 20世纪的气象数据表明, 我国寒潮数量总体有轻微下降趋势。图源@中国天气网 [18]

但这并不意味着,寒潮的强度也在相应减小。有研究表明,在过去的十多年里,东亚地区冬季的冷空气暴发更加频繁,并且比1990年代更强,持续时间更长[19]。

为什么?

一种解释认为,由于北极正在以更快的速度变暖,使北极圈内外的温差减小,降低了北极和中纬度之间的气压差,会减弱对流层顶部的高空西风急流。就像河流一样,流动较慢的风带也往往会蜿蜒曲折[20-21],有可能在一定程度上降低了对极涡内冷气团的约束能力,但极涡边界的稳定性也受到其他因素影响[22]。

22. 北极和全球温度距平变化图 | 北极温度升高的明显快于全球。图源@NOAA Climate.gov

同时,北极地面的升温海冰融化,改变了近地表处的热量分布,也以复杂的机制影响着上方空气,破坏并削弱平流层极涡,并反过来作用于中纬度地区的冬季天气[19,23-28]。

23. 19世纪中叶以来的北极海冰最小范围变化 | 北极海冰最小面积出现在每年的9月下旬,在过去的170年大为缩小。改自文献[29]

变弱的平流层极涡与寒潮爆发存在统计意义上的联系,但现有的认识尚不足以证实二者存在一对一的直接关系[10,28,30],也尚未揭示其中的大气运动机制。变强的亚洲和美洲对流层极涡则会使当地冬季较为寒冷,但它与平流层极涡的关系仍不太明确[31]。

在当代,北极变暖与极涡变化的关系,及其与北半球冬季寒潮的关系是时下研究的热门领域。由于资料积累不够丰富和观测手段的限制,目前尚没有一个清晰明了的科学答案。但即便如此,现有的研究似乎正在展现出一个不太美妙的前景:北极越暖,在中纬度地区发生强烈极端天气的可能性越大[36],而冬季强寒潮就是此类极端天气之一。

24. 幻日景象 | 今年1月19日发生在美国爱荷华州德梅因的幻日(sun dogs)现象,这是阳光通过十分寒冷的大气时才会出现的光学现象,其形成与高空大气悬浮的小冰晶有关。在刚刚结束的本轮寒潮中,内蒙古多地也出现了史诗级幻日现象。图源VCG

曾几何时,一些公众人物曾以2019年极涡南下引发极端寒潮事件为例,质疑全球变暖的诸多事实,结果引发舆论哗然。殊不知,结果岂能证伪原因?

25. 一位国外政要的社交媒体截图 | 图源@某社交网站

在本世纪内,全球变暖的趋势难以看到逆转,这使得我们不仅要承受更加炎热的盛夏,也要防范越发极端的暖冬寒潮[36]。当“气候变化”正逐步取代“全球变暖”在流行科学中的位置时,这并不是在表示“全球变暖”不再值得关心,而是提醒大家注意几件可能很切身的事——

  • 全球变暖,不代表世界各地均匀变暖,或者均匀变湿;
  • 全球变暖,虽然意味着冬季的平均温度会有所升高,但并不意味着突发寒潮的强度会显著减弱,反而有可能愈发极端化;
  • 全球变暖,正在用温暖的方式,给世界带来意料之外的深度冻结。
26. 结冰的肥皂泡 | 冰、空气与阳光的魔术,不仅将这个肥皂泡定格在寒风中,也可能把世界笼罩于深度冻结的阴影之下。图源@VCG

最后,暖冬以后的春季,同样需要警惕“倒春寒”的奇袭。

请诸位继续注意保暖,继续保持健康


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创作团队:

  • 策划撰稿@云舞空城
  • 视觉设计 |陈睿婷 郑伯容 赵榜 巩向杰
  • 图片编辑 | 谢禹涵
  • 内容审校 | 王朝阳
  • 封面来源 |VCG
  • 外部审稿@漠北,南京信息工程大学,大气物理学硕士


【本文参考文献】


  • [1] 中国天气网. 入冬以来北京现6次雪 华北降水量为1961年来同期最多. 2020-02-07. (入冬以来北京现6次雪 华北降水量为1961年来同期最多)
  • [2] 气象北京. 盘一盘2018~2019年北京冬季的气候情况. 2019-03-07. (盘一盘2018~2019年北京冬季的气候情况_影响)
  • [3] 气象北京. 2018年北京天气情况回顾. 2019-01-08. (2018年北京天气情况回顾_降水量)
  • [4] 中央气象台. 中央气象台发布2020年首个寒潮天气过程特点与影响评估. 2020-02-16. (http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202002/t20200216_546874.html)
  • [5] 生态环境部. 国家气候中心 中国环境监测总站联合会商指出2019年11月和冬季我国北方大气污染扩散气象条件整体偏差. 2019-11-01. (中华人民共和国生态环境部
  • [6] 智协飞, 张玲, 潘嘉露. 我国南方冬季气候变暖前后极端降水事件分析[J]. 热带气象学报, 2011, 27(2):166-172.
  • 张恒德, 高守亭, 刘毅. 极涡研究进展[J]. 高原气象, 2008, 27(2).
  • [7] 康志明, 金荣花, 鲍媛媛. 1951—2006年期间我国寒潮活动特征分析[J]. 高原气象, 2010(02):172-180.
  • [8] 张婧雯, 李栋梁, 柳艳菊. 北半球极涡新特征及其对中国冬季气温的影响[J]. 高原气象, 2014, 33(3).
  • [9] 天气学原理课件. 第五章, 天气系统. (第五章天气系统)
  • [10] Waugh D W, Sobel A H, Polvani L M. What is the polar vortex and how does it influence weather?[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(1): 37-44.
  • [11] Andrej Flis. Polar vortex: What is it, and why you should care?. 2018-10-31. (Severe Weather Europe » “Follow severe weather as it happens. Anywhere. Any time.”
  • [12] 姜世中. 气象学与气候学. 科学出版社, 2010
  • [13] 江琪, 马学款, 王飞. 2016年1月大气环流和天气分析[J]. 气象, 2016, v.42;No.496(04):128-134.
  • [14] 气象上海Rainbow. 强寒潮专题报告(一). 2016. (http://blog.sina.com.cn/s/blog_8ea1c69c0102w5nc.html)
  • [15] JPL. AIRS Captures Polar Vortex. 2019.(Space Images
  • [16] Michael Carlowicz. Arctic Weather Plunges into North America. (Arctic Weather Plunges into North America
  • [17] Zou Y, Wang Y, Zhang Y, et al. Arctic sea ice, Eurasia snow, and extreme winter haze in China[J]. Science Advances, 2017, 3(3): e1602751.
  • [18] 中国天气网. 冻成狗?数据告诉你我国寒潮变少了. 2018-01-10. (冻成狗?数据告诉你我国寒潮变少了
  • [19] Overland J, Francis J A, Hall R, et al. The melting Arctic and midlatitude weather patterns: Are they connected?[J]. Journal of Climate, 2015, 28(20): 7917-7932.
  • [20] Francis J A, Vavrus S J. Evidence for a wavier jet stream in response to rapid Arctic warming[J]. Environmental Research Letters, 2015, 10(1): 014005.
  • [21] Jennifer Francis. How polar vortex blasts are tied to global warming. 2019-01-30. (https://earthsky.org/earth/how-polar-vortex-connected-to-global-warming)
  • [22] Russell Blackport, James A. Screen. Insignificant effect of Arctic amplification on the amplitude of midlatitude atmospheric waves[J]. Science Advances, 2020, 6(8): eaay2880. DOI: 10.1126/sciadv.aay2880
  • [23] Cohen J L, Furtado J C, Barlow M A, et al. Arctic warming, increasing snow cover and widespread boreal winter cooling[J]. Environmental Research Letters, 2012, 7(1): 014007.
  • [24] Kretschmer M, Coumou D, Agel L, et al. More-persistent weak stratospheric polar vortex states linked to cold extremes[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2018, 99(1): 49-60.
  • [25] Garfinkel C I, Hartmann D L, Sassi F. Tropospheric precursors of anomalous Northern Hemisphere stratospheric polar vortices[J]. Journal of Climate, 2010, 23(12): 3282-3299.
  • [26] Francis J A, Vavrus S J. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes[J]. Geophysical research letters, 2012, 39(6).
  • [27] Francis J A. Why are Arctic linkages to extreme weather still up in the air?[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(12): 2551-2557.
  • [28] Kim B M, Son S W, Min S K, et al. Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea-ice loss[J]. Nature communications, 2014, 5(1): 1-8.
  • [29] Walsh J E, Fetterer F, Scott Stewart J, et al. A database for depicting Arctic sea ice variations back to 1850[J]. Geographical Review, 2017, 107(1): 89-107.
  • [30] 熊光明, 陈权亮, 朱克云, et al. 平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系[J]. 高原气象, 2012, 31(4):1001-1006.
  • [31] 康彩燕, 胡钰玲, 王式功, et al. 极涡对北半球冬季气温的影响[J]. 兰州大学学报(自科版), 2017, 53(2):227-234.
  • [32] 李艳, 王嘉禾, 王式功. 极涡、阻塞高压和西伯利亚高压在极端低温事件中的组合性异常特征[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2019, 55(01):57-69.
  • [33] 孙兰涛, 吴辉碇, 李响. 对北极极涡的认识[J]. 极地研究, 2006, 18(1):52-62.
  • [34] 贾建颖, 孙照渤. 北极海冰和北半球500hPa极涡的相互关系[J]. 南京氣象學院學報, 2006, 29(1):75-81.
  • [35] 张婧雯, 李栋梁, 柳艳菊. 前期春季北太平洋海温异常与冬季北半球极涡的关系[J]. 气象科学, 2015(1):52-59.
  • [36] Wallace J M, Held I M, Thompson D W J, et al. Global warming and winter weather[J]. Science, 2014, 343(6172): 729-730.
  • [37] 姜忠宝, 王盘兴, 吴息, et al. 北半球冬季极涡异常变化的时空特征[J]. 大气科学学报, 2013, 36(2):202-216.


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编辑于 2020-02-23

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