作者 | 唐鳳

北極變暖或?yàn)槊绹?guó)冬季極端天氣源頭。課題組供圖

今年2月，一場(chǎng)史上最強(qiáng)寒流讓美國(guó)能源大州大規(guī)模停電。除停電并無(wú)法取暖外，降雪、冰凌、凍雨等極端天氣還讓得克薩斯州總?cè)丝诮话氲?400萬(wàn)人面臨飲用水供應(yīng)困難，同時(shí)食品供應(yīng)鏈也受到?jīng)_擊。

是什么造成了這場(chǎng)罕見的冬季風(fēng)暴？全球氣候不是在持續(xù)變暖嗎？由馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校、大氣與環(huán)境研究公司（AER）和以色列希伯萊大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究確定了此次極端天氣的“源頭”——受到干擾的極地渦旋。

研究人員發(fā)現(xiàn)，極地渦旋干擾的頻率正在增加，這是導(dǎo)致美國(guó)冬季出現(xiàn)極端天氣的重要原因之一。而北極的變化可能是造成這種增加趨勢(shì)的原因之一。9月3日，這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》上。

越來(lái)越冷的冬天

目前，全球氣候變暖已經(jīng)基本成為人們的共識(shí)。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局日前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年7月全球平均氣溫破紀(jì)錄，成為自1880年有氣象記錄以來(lái)最熱的7月。與20世紀(jì)的7月平均溫度15.8攝氏度相比，這個(gè)7月全球陸地和海洋表面溫度高出0.93攝氏度。

另一方面，許多中緯度地區(qū)都經(jīng)歷了“超級(jí)嚴(yán)寒”的冬季。2021年1月，西班牙全國(guó)普降大雪，10余個(gè)自治區(qū)的400余條公路受到影響，60條公路關(guān)閉。幾乎同一時(shí)間，日本海沿岸多地連降大雪，局部地區(qū)積雪厚度達(dá)兩米多，新潟縣上越市觀測(cè)點(diǎn)的積雪厚度達(dá)2.26米，富山縣和福井縣觀測(cè)點(diǎn)的積雪厚度超過(guò)1米，均為往年積雪厚度兩倍多。

不久之后，美國(guó)南部得克薩斯州部分地區(qū)開始遭遇冬季風(fēng)暴，造成路面結(jié)冰、道路被封以及大面積停電。該國(guó)國(guó)家氣象局有史以來(lái)首次在包括休斯敦在內(nèi)的得州東南部地區(qū)發(fā)布“風(fēng)寒警報(bào)”。而讓得克薩斯州居民被迫“抱團(tuán)取暖”的幕后推手卻在遙遠(yuǎn)的北極。

論文合作者、希伯萊大學(xué)的Chaim Garfinkel說(shuō)：“盡管全球氣候正在變暖，但中緯度地區(qū)冬季極端寒冷天氣明顯增加，這兩者之間長(zhǎng)期存在矛盾。”

“一方面是創(chuàng)紀(jì)錄溫暖的北極、北極低海冰量、西伯利亞深積雪，以及復(fù)雜的極地渦旋干擾，另一方面是美國(guó)、歐洲和亞洲破紀(jì)錄的寒冷，歐洲和美國(guó)的破壞性降雪。”該論文通訊者、AER季節(jié)性預(yù)測(cè)主任Judah Cohen說(shuō)，這些看似矛盾的現(xiàn)象其實(shí)存在物理聯(lián)系。

極地渦旋在“延伸”

過(guò)去30年里，北極經(jīng)歷了地球上最大程度的氣候變化，包括氣溫迅速上升、海冰融化、春季積雪減少、秋季積雪增加。北極相對(duì)于全球其他地區(qū)的迅速變暖被稱為北極放大效應(yīng)。但北極的這些快速變化在多大程度上影響了中緯度地區(qū)的天氣，一直是氣候科學(xué)家激烈爭(zhēng)論的話題。

“去年冬天，得克薩斯州的嚴(yán)重寒潮使關(guān)于氣候變化是否導(dǎo)致更嚴(yán)重的冬季極端天氣的辯論升溫。然而，迄今為止，鮮有研究證實(shí)氣候變化與得克薩斯州寒潮等極端天氣事件之間存在物理聯(lián)系。這項(xiàng)研究證明地球變暖不一定能保護(hù)人們免受嚴(yán)酷冬季天氣的毀滅性影響。”Cohen說(shuō)。

此前，大多數(shù)關(guān)于北極放大效應(yīng)和中緯度地區(qū)冬季天氣之間聯(lián)系的理論認(rèn)為，這一途徑要么通過(guò)波狀急流，要么通過(guò)平流層突然變暖，這是對(duì)極地渦旋影響最大、最常被研究的內(nèi)容。這項(xiàng)研究提供了令人信服的證據(jù)，證明北極變暖和中緯度地區(qū)冬季極端天氣之間存在最緊密的聯(lián)系，至少在美國(guó)，可能是源于一種不太為人所知的、較弱的極地渦旋“延伸”。

研究人員分析發(fā)現(xiàn)，平流層極地渦旋存在一個(gè)相對(duì)較弱或中斷的狀態(tài)，呈現(xiàn)出拉伸的外觀，而不是更典型的圓形外觀。這些變化在衛(wèi)星時(shí)代（1979年后）一直在增加。觀測(cè)分析和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)都表明，北極地區(qū)的變化，包括加速變暖、海冰融化和西伯利亞降雪增加，都有利于極地渦旋的延伸和落基山脈以東的北美地區(qū)在冬季出現(xiàn)極端天氣。

減少溫室氣體排放不能放松

馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校環(huán)境、地球和大氣科學(xué)教授Mathew Barlow表示：“這里探索的動(dòng)力路徑（從北極的地表氣候變化到極地平流層，然后再回到美國(guó)地表）突出了氣候變化可能產(chǎn)生廣泛影響。”

具體而言，更有阻尼的急流、赤道到極點(diǎn)更大的溫度梯度，以及對(duì)流層中更少的向上波能，有利于平流層中出現(xiàn)更強(qiáng)的極地渦旋。

然而，隨著北極變暖，巴倫支—喀拉海海冰的融化使歐亞大陸西北部變暖，加上西伯利亞降雪的增加使歐亞大陸東北部變冷，導(dǎo)致歐亞大陸上空急流的放大更為頻繁，進(jìn)而引發(fā)向上大氣波能增加。

在隨著平流層高度增加而減弱的緯向風(fēng)等條件下，極地渦旋出現(xiàn)伸展和波反射——在歐亞大陸上空向上，在北美上空向下。

向下波能輻射聚合導(dǎo)致阿拉斯加灣上空的急流向北移動(dòng)，北美上空急流向南移動(dòng)，以及北美東部地區(qū)冬季極端天氣（寒冷和降雪）的增加。

“但所有的溫度異常都是相對(duì)于其周期而言的，并不是說(shuō)在北極放大效應(yīng)的過(guò)程中，冬季整體上變得更冷。”Cohen在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。

但Garfinkel表示，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)，不應(yīng)該以中緯度地區(qū)冬季極端寒冷天氣的增加為借口，推遲采取減少溫室氣體排放的行動(dòng)。

“該研究將觀測(cè)分析與模擬實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合起來(lái)，這是很重要的，為應(yīng)用新的機(jī)器學(xué)習(xí)工具提供了機(jī)會(huì)。”

未參與該研究的荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)的Dim Coumou在同期發(fā)表的相關(guān)評(píng)論文章中指出，“未來(lái)的工作應(yīng)進(jìn)一步解開北極與中緯度地區(qū)冷暖季節(jié)的因果關(guān)系，并特別關(guān)注極端天氣。”

“我認(rèn)為，更好地認(rèn)識(shí)和識(shí)別這些極地渦旋變化事件，可以幫助亞洲和美洲（包括中國(guó)、美國(guó)和加拿大）為應(yīng)對(duì)冬季極端天氣做準(zhǔn)備。它可以讓我們更早預(yù)測(cè)這些事件。”

Cohen說(shuō)，“我們?nèi)匀恍枰玫乩斫庠斐蛇@些事件的機(jī)制。我們下一步計(jì)劃擴(kuò)展建模研究。”

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2021-09-06 第2版 國(guó)際 原標(biāo)題為《誰(shuí)讓美國(guó)得州“瑟瑟發(fā)抖”》)