[科普中国]-大气急流：导致极端天气的首要因素

撰文杰夫 · 马斯特斯（Jeff Masters）翻译聂羽审校张洋急流由大气层的活动引起，气候变化可以通过影响大气层的状态，间接改变急流的活动形态。而环绕在南北半球地表上空9~14千米处的急流会进一步对低层降水系统产生影响。急流通常分为极锋急流和副热带急流两支。极锋急流处于近极地地区冷空气和热带地区暖空气之间的交界处，而副热带急流则更靠近赤道。本文在讨论急流时，是指占据主导作用的极锋急流。伴随季节变化，急流的纬度也会发生南北摆动。在冬季，急流通常位于美国中部地区。到了夏天，急流中心将向北移到美国和加拿大的交界处。急流中的空气流动常是无序的，并常伴有罗斯贝波。在北半球，当急流伴随高压脊向北扩张时，会把南方的暖空气带向北方。当急流伴随低压槽向南扩张时，又会把冷空气从北方带向南方。在南北半球的大气层中，各自从低纬到高纬存在着三圈并存的闭合环流——三圈环流，分别称为哈得莱环流、费雷尔环流和极圈环流。急流就被认为是三圈环流的产物（参见示意图）。尽管三圈环流是形成急流的主要过程，但大气中的其他因素也能使急流发生改变。太阳的照射、海陆分布、高耸的山脊、温室气体的含量和空气中起反射作用的尘埃等都会影响大气中的共振现象。就像吉他中不同的弦在弹动时会产生共振一样，当大气中其他因素发生变化时，大气也会产生共振，这种共振被称作遥相关型（teleconnection patterns）。自然界中的共振现象能够使急流发生形变，因此也让我们很难判断，近几年急流怪异的行为是由于共振影响形成的短期现象，还是已经变成了一种新的常态。在北半球，厄尔尼诺（El Nio）／南方涛动和北极涛动 （Southern Oscillation and the Arctic Oscillation）是两个非常重要的遥相关型。厄尔尼诺发生在热带地区的海平面上，是以3~8年为周期反复震荡的气压场变化现象。当厄尔尼诺发生时，赤道东太平洋的异常暖海水涌入南美洲的西海岸；当与之相对应的拉尼娜（La Nia）发生时，赤道东太平洋的异常冷海水将会对南美的西海岸产生明显影响。北极涛动指的是北极地区和中纬度地区海平面气压场在10~30天范围内的周期性振荡。如果上述两个地区的气压差很小，那么急流会偏弱，使得急流型态容易出现较大振幅的弯曲。在冬季，北极和中纬度之间的气压差减小，有利于冷空气向南入侵美国东部、欧洲西部地区和东亚地区。极端天气大爆发大气中的遥相关型是非常复杂的。它们既可以相互抵消也可以相互增强。一旦大气的基本态发生了改变，遥相关型也会发生改变，使急流发生异常。2011年，太平洋发生了一次较弱到中等程度的拉尼娜事件，但在这种海温条件下，一支极端异常的急流持续很长时间，就显得非常奇怪。当时，任何已有理论都无法解释这种现象。当年12月，在旧金山举办的美国地球物理年会上，来自罗格斯大学的著名大气科学家珍妮弗·弗朗西斯（Jennifer Francis）将这次事件与北极快速增暧联系起来，并给出了最新的解释。她指出，北极海冰的减少必然会影响大气环流。近些年，北极增暖的速度比北半球的其他地区快了两倍多（这种现象称作“北极放大”）。她认为，北极的快速增暖会对北半球急流的活动造成明显的扰动。弗朗西斯的理论听上去很有道理。北极加速增暖的一个主要原因是秋季和冬季北极海冰减少。近年，由于海冰的融化以及表面风场的作用，北冰洋上的海冰显著减少。相对于从1979年到2000年的气候态来说，2012年9月时，海冰覆盖的范围减少了49%，相当于美国国土面积的43%。当海冰融化，冰下的海水暴露后，会吸收更多太阳辐射，海洋以及海洋上空的大气开始变暖，从而带来更多热量使得海冰继续融化，形成正反馈机制加速海冰融化。随着海冰逐渐融化，暴露出来的海水会在秋冬时释放出储存的热量，对北极上空大气的基本态产生长达数月、影响明显的扰动。在北半球的夏季，当北极的冰雪覆盖消失后，也会发生异常的“北极放大”现象。研究还显示，全球变暖已经使春季提前到来，而且每10年就会提前3天。提早融化的积雪会造成雪下的土壤加速暴露，使土壤吸收更多热量，使湿度降低，这些因素都驱使大陆地区提早进入更加温暖的季节。由于“北极放大”（海冰减少、春季冰雪覆盖的面积减少等现象引起）和其他因素的作用，北半球中纬度地区和北极地区的气温差异显著减小。温差减小的同时也会造成急流剧烈变化。而且，如果温差减小，处于中纬度的费雷尔环流和处于副极地地区的极圈环流之间的能量交换会减少，急流的风速也会被削弱。弗朗西斯和威斯康星大学麦迪逊分校的斯蒂芬·瓦卢斯（Stephen Vavrus）指出，伴随温差减小，北美和北大西洋高层大气中的急流风速已比1979年降低了14%左右。当急流风速减弱时，其型态会呈现出幅度更大、也更蜿蜒的曲线。弗兰西斯指出，从2000年开始，冬夏两季的极锋急流中，伴随出现的槽和脊的振幅已明显增大。如果急流的弯曲程度变大：在急流的北侧，暖空气可以伸展到更北也更冷的地方；在急流的南侧，冷空气则可以延伸到更偏南的地方。正是因为这种特性，造成了美国东岸在2013年1月时强冷空气的爆发。当时，北边极涡的冷空气大肆侵入美国东部，而在加利福尼亚地区却经历了非常严重的干旱事件，其他地区也发生了异常偏暖的事件。波动理论显示，急流风速减弱会使罗斯贝波向东传播的速度变慢，并且导致波形振幅较大的异常天气在一个地方长时间停留。这些大槽和大脊如果在一个地方停留时间过长，还会形成“阻塞形势”（blocks），使波动停止继续传播。都是北极的错？近期，对北极快速增暖和急流极端异常关系的研究在科学界掀起了一股热潮。2013年9月，美国国家研究委员会（National Research Council）主办的研讨会在美国马里兰大学举行，会议吸引了超过50位气候学家参与这次讨论。大部分气象专家都认为，在北极快速增暖的这段时间内，急流确实发生了改变。但是，也有很多科学家对最近15年北极快速增暖的强度是否足以使急流发生变化，一直持质疑态度。一些专家还从能量的角度，对北极快速增暖和急流变化之间的联系提出了质疑。因为体积巨大的急流中蕴含很多能量，想要改变急流的型态，需要很大的能量才能实现。美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的凯文·E·特伦伯斯（Kevin E. Trenberth）的一项研究表明，厄尔尼诺/南方涛动（El Nio/Southern Oscillation，ENSO）可以驱动急流发生变化，而北极快速增暖所吸收的热量要比ENSO中的能量小一个量级。2014年8月，特伦伯斯与合作者在《自然·气候变化》（Nature Climate Change）杂志上发表了一篇文章，阐述近年太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）遥相关所造成的热带太平洋的能量变化，并发现这种现象也能导致急流发生较大程度的弯曲。特伦伯斯还指出，过去10年间，PDO的自然变率（natural variability）也会受到气候变化的影响。2014年2月，包括特伦伯斯在内的5位著名气候学家在《科学》（Science）上发表一篇文章，对弗兰西斯的研究提出了批评。他们指出，对于北极快速增温与急流异常型态关系的研究，仍需要更多人参与，以求进一步研究。他们在文章结尾时总结说，“目前相关的理论和解释并不能令人信服”。一些科学家甚至质疑急流的波动振幅是否在增大。在2013年发表的一篇文章中，斯克林和西蒙兹用了一种不同于弗朗西斯的定义，来衡量急流的变化。他们的研究表明，在统计学上，急流波动振幅并没有表现出显著改变。不过，他们也指出，急流波动振幅还是有增大的趋势，尽管这种趋势比较微弱。但是，这些研究人员并没有给出其他理论，以解释急流极端异常的原因。在2014年8月，波茨坦研究所的季姆·库穆尔（Dim Coumou）教授和他的研究团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表文章指出，北极快速增温导致北极地区和中纬度地区的温差缩小，至少在夏季时，这一个因素就可以使急流发生较大的变化。不能再等了！尽管对于急流异常的原因，科学家目前仍然存在很大争议，但气象数据却用最显而易见的方式记录了这一切。在美国历史上，曾发生过多次毁灭性的灾害事件，比如1974年的超级飓风、1936年的极端干旱和热浪、1927年密西西比河的严重洪涝灾害等。这些灾害都与在2011年到2012年间发生的灾害具有某些相似性，因此，急流的异常行为可能预示着我们正将进入全新的、更具威胁的、灾害事件更加频繁的气候态。如果地球持续变暖，在急流中伴随高压脊的地方，高温将会制造更多热浪和干旱；在急流向南弯曲伴随低压槽的地方，海洋上的暖湿空气会随之传播，形成更多暴雨。如果急流持续缓慢移动，并伴随较大振幅的罗斯贝波，还会持续性引发更多的极端天气，造成巨大的伤亡和破坏。如果弗朗西斯和同事提出的理论是正确的，除非找到补救北极海冰的有效办法，否则我们将无法恢复曾经的气候态。事实上，由于大气中的主要温室气体（二氧化碳）目前仍以每年0.5%的速度增加，已经没有科学家认为北极的海冰会恢复到过去的状态了。干旱是急流异常造成的最严重的威胁之一，因为它会影响我们赖以生存的水和食物。如果由于急流异常，导致高压脊长期停留，并盘踞在美国和俄罗斯等粮食生产基地的上空，那么当地气候条件将无法给庄稼的生长提供必需的水分。干旱将会导致食品价格飞速上涨、饥荒肆虐以及由暴力引发的社会动荡。在2010年，俄罗斯发生的严重干旱和热浪事件中，就有一团巨大的高压脊盘踞在整个国家的上空。而原本应该给俄罗斯农业基地带来充沛雨水的低压系统转向巴基斯坦，造成巴基斯坦洪水泛滥。这次干旱和热浪事件是俄罗斯历史上造成死亡和损失最惨重的一次。它迫使俄罗斯中断小麦出口，进而推高全球谷物价格，使得多个国家和政府摇摇欲坠。显然，我们不能等到科学家完全弄清楚气候变化的原因和机制以后才开始行动。全世界范围都必须迅速有力地采取行动，把气温升高的幅度控制在2℃以内。到2050年，太阳能、风能、核能等几乎不排放二氧化碳的清洁能源应该发展到现有规模的3倍以上；与2010年相比，温室气体的排放量也必须减少40%~70%。从经济角度来看，这些措施仅会使世界经济出现每年0.06%的负增长，因此完全可以承受。但是，如果要等到2030年才开始行动，我们所需要付出的代价将会大大增加，并且很可能难以将升温幅度控制在2℃以内。根据几位著名气候学家的研究，夏季的北极海冰最终会全部消失。如果北极海冰的改变真的是造成急流异常弯曲的罪魁祸首，从2014年开始到2030年的10多年间，随着剩下50%的北极海冰持续减少，还会带来更加严重的极端天气。即使北极的变化不是急流发生变异的原因，结果也会让人不安。因为到目前为止，急流发生改变的物理机制仍然未知，我们也很难厘清气候变化会对急流造成何种影响。因此，我只能预测：在接下来的15年，摆在我们面前的是前所未有的气候挑战。作者：杰夫·马斯特斯是Weather Underground（全球知名气象机构）气象方面的负责人、灾害性天气预报方面的专家，《环球科学》特约专家。译者：聂羽博士毕业于南京大学大气科学学院，现就职于国家气候中心气候监测室，主要研究中纬度气候动力学，《环球科学》特约专家。审校：张洋毕业于美国麻省理工学院，现任南京大学大气科学学院副教授、博士生导师，主要研究气候动力学与气候变化，《环球科学》特约专家。转载请注明来自“科普中国”。