為何全球變暖要為席卷美國的極寒天氣負責？

編譯 費文緒

2014年1月，隨著一場災難性的寒潮席卷北美大部分地區，尤其是導致尼亞加拉瀑布大部分凍結，“極渦”這個詞一躍成為流行語。我們可以預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經歷了寒潮，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，從澳大利亞到真正的北極，正出現破紀錄的溫暖天氣。

發聲的少數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”一圖是極渦如何發揮作用的科學原理，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揮重要作用。

當你想起地球，包括地球的天氣、氣候和氣溫，你的腦海中會浮現什么畫面？

描繪地球的最好方式是把它看成繞其軸旋轉的球體，但是有兩種附加效應：大氣和海洋。隨著地球繞地軸旋轉，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。當我們所處的半球朝著太陽傾斜時，我們就經歷了夏季；當我們所處的半球背離太陽傾斜時，我們就經歷了冬季。

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。

在任何自轉的行星上，都會產生叫作“盛行風”（prevailing winds）的效應。隨著自轉，地球一般會經歷3種不同的風，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（trade winds），自東向西吹，匯聚于赤道。

緯度30°～ 60°地帶：盛行西風，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：極地環流，通常局限在地球緯度最高的地區。

雖然緯度帶不同，這種現象對于大多數快速自轉、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，因為那時極區經歷幾乎24小時的持續日照；冬季溫差最大，因為那時極區幾乎總是處于黑夜中。

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

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

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

當極渦達到最強時，就變成單個環流，空氣固定在一定區域。當極渦變弱時，它們會分裂成兩個或多個環流，并且開始偏離極點。當極渦變得極弱時，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之外氣壓和溫度更高的空氣發生相互作用。

盡管“極渦”這個詞從19世紀中葉就已出現，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，導致了我們近年來歷史上最嚴寒的冬天，才引起人們關注。

當北極的極渦變得極弱時，地球中緯度地區的高壓帶（西風帶所在之處）會向極點推進，替換冷空氣。這導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偏離。當來自極區的干冷空氣遇到中緯度地區的濕熱空氣，就會出現劇烈的天氣變化，我們習慣上稱為“寒潮”。

北半球大部分地區正在經歷的極寒天氣，恰恰是因為目前正在發生的極渦現象。

但是，為何要把寒潮歸咎于全球變暖呢？

答案很簡單：因為導致極渦分裂的現象稱為“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，會把熱量傳輸到更北地區。

極渦現象是如何導致極端天氣的具體細節很復雜，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，就會允許越多的熱量傳輸到北極平流層。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定，把冷空氣帶到中緯度地區，從而導致我們目前正在經歷的極端天氣。

隨著地球持續變暖，這些主要地區的積雪和海冰將會減少，從而改變極渦邊界地區的氣壓和氣溫梯度。在極端情況下，造成的結果是極渦變弱乃至崩潰。急流的移動是最初的跡象之一，而且已經成為近年來非常頻繁的現象。

我們在2014年經歷的大寒潮并不是只發生一次的事件。盡管很多人對那場暴風雪記憶猶新，仿佛發生在昨天；但我們完全可以預料，這類極端天氣事件在未來幾年會成為常態。氣候正在發生變化，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致人口更稠密的中緯度地區冬天的天氣穩定和溫暖。這是氣候變化產生的效應之一，在最好的情況下，需要幾百年才會逆轉。目前，冰凍天氣和超強寒潮正影響北半球中緯度地區的大部分陸地。

隨著地球持續變暖，像這樣的極端天氣將會變得平常，很多氣候學家預測，未來每10年，不穩定的極渦就會帶給我們多次這樣的暴風雪。歡迎來到極端天氣的新常態，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

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，這一術語最早出現在1853年的刊物《利特爾的生活年代》（E.Littell＇s Living Age）中。

穩定的強極渦（左圖）與不穩定的弱極渦（右圖）之間的區別：不穩定的弱極渦會導致中緯度地區的寒潮和極寒天氣，就像我們現在經歷的極寒天氣一樣