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关于寒潮的那些事

  今年第一波寒潮的后劲刚过,第二波寒潮又来了。寒潮,是指大规模强冷空气的南下活动过程。根据我国《冷空气等级》标准规定,某地冷空气过境后,气温在24小时内下降8℃或48小时内下降10℃,并且日最低气温在4℃以下,才可称为一次寒潮过程。为什么会有寒潮?不是说全球在变暖吗,为啥还寒潮频发?这些问题,我们来一一回答。

  寒潮起源于哪里?

  一切的根源都得从太阳辐射讲起。由于地球是个球体,不同纬度接收到的太阳辐射能量是不同的:赤道多、两极少,所以赤道温度高,而地处高纬的北极地区温度低。特别是冬季,太阳直射点位于南半球,北极地区出现极夜现象,气温一般低于-20℃,所以在北极地区的上空聚集了大量的冷空气。

  北极的冷空气能否南下入侵中低纬度地区,则与中纬度地区上空的西风带有关。西风带的形成可以简单叙述为:赤道地区暖空气上升,在高空向两极运动,由于受到地球自西向东自转运动的影响,暖空气在向北运动的过程中同时向东偏转,最终在中纬度地区的高空转向形成自西向东传播的西风带。

  强大的西风带中自西向东的纬向气流,就像一根紧绷的“皮筋儿”,圈住了北极地区的冷空气,不让它们轻易离开极区。但如果西风带强度减弱,原本拉紧的“皮筋儿”变得松弛,就容易产生波动,形成南北移动的经向气流,此时冷空气就可以顺势向南入侵。

  北极地区主要是被欧亚大陆和北美大陆围绕着的北冰洋。由于陆地降温比水体更快,冬季时欧亚大陆的气温更是急剧下降。来自北冰洋洋面上的冷空气在南下过程中,常常会经过我国北部的西伯利亚中部地区,并在那里聚集加强——这个地区被称为“寒潮关键区”(70°~90°E,43°~65°N)。当冷空气“酝酿”至一定强度后,在有利的大气形势下,便一举南下,大肆入侵我国。

  每一次冷空气过后,寒潮关键区的冷空气库存就减少一部分,从而开始酝酿新的冷空气,等待下一次爆发时刻的到来。

  寒潮如何南下?

  从上面的叙述中,我们可以知道,寒潮来不来,一看冷空气,二看西风带。那西风带上都要看些什么呢?有经验的预报员告诉你:“看槽脊波动。”

  西风带原本是条近乎平直的稳定东行的纬向气流,当气流发生波动时,我们把向南凹的部分称为“槽”,向北凸的部分称作“脊”。西风带上“槽”的形成与冷空气的向南移动有关,而“脊”的形成往往意味着中纬度地区有暖空气向北发展。当“脊”不断向北发展,其南部与南方暖空气的联系被中高纬度冷空气截断后,将会形成一个闭合的暖中心,称为“阻塞高压”。

  这种阻塞高压稳定少动,持续时间长,它破坏了西风带环流,有利于波动的形成和发展,即南北向气流的发展,从而给冷空气的南下打开了“通道”。在亚洲地区,阻塞高压常常出现在亚洲以东的鄂霍次克海以及亚洲西北部的乌拉尔山地区。

  乌拉尔阻塞高压正好位于寒潮关键区的西侧。当乌拉尔阻塞高压不断向北发展,使得西风气流在欧亚地区呈现“Ω”形态,暖脊带领的暖空气能把北极地区的冷空气挤走,从而使得冷空气像“坐滑滑梯”一般,顺势就溜到了西伯利亚中部的寒潮关键区。可以说,乌拉尔阻塞高压是联系北极冷空气与我国大陆的重要桥梁。

  全球变暖为啥还寒潮频发?

  研究表明,全球变暖促进了冷空气南下。

  寒潮的发展与爆发和西风带密切相关。而西风带这根“皮筋儿”的松紧,则由南北纬向温度梯度决定。南北温度差异大,西风带强,反之,西风带弱,容易出现波动。

  在过去的100年中,全球整体温度持续升高,而在近几十年中,北极地区正在经历比全球其他地区更快的变暖,这一过程称为“北极放大效应”。这种温度变化趋势使得南北温度梯度减小,从而减弱西风带环流。

  在这种情况下,形成于西风带南部的阻塞高压更加容易深入北极地区。同时在气候变暖的背景下,阻塞高压的维持时间越来越长,并且在北半球中高纬度地区,尤其是乌拉尔山地区更容易出现持续性的阻塞高压。

  气候变暖下,极端寒潮事件的发生往往是由多个大气系统协同作用的结果。近日,中国科学院大气物理研究所的姚遥副研究员和张文其博士关于2021年初我国极端寒潮天气的研究成果发表在《Advances in Atmospheric Sciences》杂志上。研究结果表明,2020年秋到2021年初冬,在乌拉尔山连续发生了几次阻塞过程。

  当暖脊向北发展时,所携带的暖空气会导致北冰洋地区的海冰持续减少,从而增暖北极地区。同时当年又出现了拉尼娜现象,即赤道太平洋中东地区的海温下降。这样的协同作用,进一步促进了南北纬向温度梯度的减弱,从而导致西风带的减弱,有利于极端寒潮事件的发生。

  (作者:陈可鑫,系中国科学院大气物理研究所博士生)

责任编辑:李玥

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