作者 | 唐鳳

北極變暖或為美國冬季極端天氣源頭。課題組供圖

今年2月，一場史上最強寒流讓美國能源大州大規模停電。除停電并無法取暖外，降雪、冰凌、凍雨等極端天氣還讓得克薩斯州總人口近一半的1400萬人面臨飲用水供應困難，同時食品供應鏈也受到沖擊。

是什么造成了這場罕見的冬季風暴？全球氣候不是在持續變暖嗎？由馬薩諸塞大學洛厄爾分校、大氣與環境研究公司（AER）和以色列希伯萊大學領導的一項新研究確定了此次極端天氣的“源頭”——受到干擾的極地渦旋。

研究人員發現，極地渦旋干擾的頻率正在增加，這是導致美國冬季出現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的原因之一。9月3日，這項研究發表在《科學》上。

越來越冷的冬天

目前，全球氣候變暖已經基本成為人們的共識。美國國家海洋和大氣管理局日前發布的數據顯示，2021年7月全球平均氣溫破紀錄，成為自1880年有氣象記錄以來最熱的7月。與20世紀的7月平均溫度15.8攝氏度相比，這個7月全球陸地和海洋表面溫度高出0.93攝氏度。

另一方面，許多中緯度地區都經歷了“超級嚴寒”的冬季。2021年1月，西班牙全國普降大雪，10余個自治區的400余條公路受到影響，60條公路關閉。幾乎同一時間，日本海沿岸多地連降大雪，局部地區積雪厚度達兩米多，新潟縣上越市觀測點的積雪厚度達2.26米，富山縣和福井縣觀測點的積雪厚度超過1米，均為往年積雪厚度兩倍多。

不久之后，美國南部得克薩斯州部分地區開始遭遇冬季風暴，造成路面結冰、道路被封以及大面積停電。該國國家氣象局有史以來首次在包括休斯敦在內的得州東南部地區發布“風寒警報”。而讓得克薩斯州居民被迫“抱團取暖”的幕后推手卻在遙遠的北極。

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

“一方面是創紀錄溫暖的北極、北極低海冰量、西伯利亞深積雪，以及復雜的極地渦旋干擾，另一方面是美國、歐洲和亞洲破紀錄的寒冷，歐洲和美國的破壞性降雪。”該論文通訊者、AER季節性預測主任Judah Cohen說，這些看似矛盾的現象其實存在物理聯系。

極地渦旋在“延伸”

過去30年里，北極經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。北極相對于全球其他地區的迅速變暖被稱為北極放大效應。但北極的這些快速變化在多大程度上影響了中緯度地區的天氣，一直是氣候科學家激烈爭論的話題。

“去年冬天，得克薩斯州的嚴重寒潮使關于氣候變化是否導致更嚴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系。這項研究證明地球變暖不一定能保護人們免受嚴酷冬季天氣的毀滅性影響。”Cohen說。

此前，大多數關于北極放大效應和中緯度地區冬季天氣之間聯系的理論認為，這一途徑要么通過波狀急流，要么通過平流層突然變暖，這是對極地渦旋影響最大、最常被研究的內容。這項研究提供了令人信服的證據，證明北極變暖和中緯度地區冬季極端天氣之間存在最緊密的聯系，至少在美國，可能是源于一種不太為人所知的、較弱的極地渦旋“延伸”。

研究人員分析發現，平流層極地渦旋存在一個相對較弱或中斷的狀態，呈現出拉伸的外觀，而不是更典型的圓形外觀。這些變化在衛星時代（1979年后）一直在增加。觀測分析和數值模擬實驗都表明，北極地區的變化，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在冬季出現極端天氣。

減少溫室氣體排放不能放松

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

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

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，導致歐亞大陸上空急流的放大更為頻繁，進而引發向上大氣波能增加。

在隨著平流層高度增加而減弱的緯向風等條件下，極地渦旋出現伸展和波反射——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致阿拉斯加灣上空的急流向北移動，北美上空急流向南移動，以及北美東部地區冬季極端天氣（寒冷和降雪）的增加。

“但所有的溫度異常都是相對于其周期而言的，并不是說在北極放大效應的過程中，冬季整體上變得更冷。”Cohen在接受《中國科學報》采訪時說。

但Garfinkel表示，這項研究強調，不應該以中緯度地區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。

“該研究將觀測分析與模擬實驗緊密結合起來，這是很重要的，為應用新的機器學習工具提供了機會。”

未參與該研究的荷蘭阿姆斯特丹自由大學的Dim Coumou在同期發表的相關評論文章中指出，“未來的工作應進一步解開北極與中緯度地區冷暖季節的因果關系，并特別關注極端天氣。”

“我認為，更好地認識和識別這些極地渦旋變化事件，可以幫助亞洲和美洲（包括中國、美國和加拿大）為應對冬季極端天氣做準備。它可以讓我們更早預測這些事件。”

Cohen說，“我們仍然需要更好地理解造成這些事件的機制。我們下一步計劃擴展建模研究。”

《中國科學報》 (2021-09-06 第2版 國際 原標題為《誰讓美國得州“瑟瑟發抖”》)