大氣急流：導致極端天氣的首要因素

撰文傑夫 · 馬斯特斯（Jeff Masters）翻譯聶羽審校張洋

急流由大氣層的活動引起，氣候變化可以通過影響大氣層的狀態，間接改變急流的活動形態。而環繞在南北半球地表上空9~14千米處的急流會進一步對低層降水系統產生影響。急流通常分為極鋒急流和副熱帶急流兩支。極鋒急流處於近極地地區冷空氣和熱帶地區暖空氣之間的交界處，而副熱帶急流則更靠近赤道。本文在討論急流時，是指佔據主導作用的極鋒急流。

伴隨季節變化，急流的緯度也會發生南北擺動。在冬季，急流通常位於美國中部地區。到了夏天，急流中心將向北移到美國和加拿大的交界處。急流中的空氣流動常是無序的，並常伴有羅斯貝波。在北半球，當急流伴隨高壓脊向北擴張時，會把南方的暖空氣帶向北方。當急流伴隨低壓槽向南擴張時，又會把冷空氣從北方帶向南方。

在南北半球的大氣層中，各自從低緯到高緯存在著三圈並存的閉合環流——三圈環流，分別稱為哈得萊環流、費雷爾環流和極圈環流。急流就被認為是三圈環流的產物（參見示意圖）。儘管三圈環流是形成急流的主要過程，但大氣中的其他因素也能使急流發生改變。太陽的照射、海陸分布、高聳的山脊、溫室氣體的含量和空氣中起反射作用的塵埃等都會影響大氣中的共振現象。就像吉他中不同的弦在彈動時會產生共振一樣，當大氣中其他因素髮生變化時，大氣也會產生共振，這種共振被稱作遙相關型（teleconnection patterns）。自然界中的共振現象能夠使急流發生形變，因此也讓我們很難判斷，近幾年急流怪異的行為是由於共振影響形成的短期現象，還是已經變成了一種新的常態。

在北半球，厄爾尼諾（El Nio）／南方濤動和北極濤動 （Southern Oscillation and the Arctic Oscillation）是兩個非常重要的遙相關型。厄爾尼諾發生在熱帶地區的海平面上，是以3~8年為周期反覆震蕩的氣壓場變化現象。當厄爾尼諾發生時，赤道東太平洋的異常暖海水湧入南美洲的西海岸；當與之相對應的拉尼娜（La Nia）發生時，赤道東太平洋的異常冷海水將會對南美的西海岸產生明顯影響。北極濤動指的是北極地區和中緯度地區海平面氣壓場在10~30天範圍內的周期性振蕩。如果上述兩個地區的氣壓差很小，那麼急流會偏弱，使得急流型態容易出現較大振幅的彎曲。在冬季，北極和中緯度之間的氣壓差減小，有利於冷空氣向南入侵美國東部、歐洲西部地區和東亞地區。

極端天氣大爆發

大氣中的遙相關型是非常複雜的。它們既可以相互抵消也可以相互增強。一旦大氣的基本態發生了改變，遙相關型也會發生改變，使急流發生異常。2011年，太平洋發生了一次較弱到中等程度的拉尼娜事件，但在這種海溫條件下，一支極端異常的急流持續很長時間，就顯得非常奇怪。當時，任何已有理論都無法解釋這種現象。當年12月，在舊金山舉辦的美國地球物理年會上，來自羅格斯大學的著名大氣科學家珍妮弗·弗朗西斯（Jennifer Francis）將這次事件與北極快速增曖聯繫起來，並給出了最新的解釋。她指出，北極海冰的減少必然會影響大氣環流。近些年，北極增暖的速度比北半球的其他地區快了兩倍多（這種現象稱作「北極放大」）。她認為，北極的快速增暖會對北半球急流的活動造成明顯的擾動。

弗朗西斯的理論聽上去很有道理。北極加速增暖的一個主要原因是秋季和冬季北極海冰減少。近年，由於海冰的融化以及表面風場的作用，北冰洋上的海冰顯著減少。相對於從1979年到2000年的氣候態來說，2012年9月時，海冰覆蓋的範圍減少了49%，相當於美國國土面積的43%。當海冰融化，冰下的海水暴露後，會吸收更多太陽輻射，海洋以及海洋上空的大氣開始變暖，從而帶來更多熱量使得海冰繼續融化，形成正反饋機制加速海冰融化。

隨著海冰逐漸融化，暴露出來的海水會在秋冬時釋放出儲存的熱量，對北極上空大氣的基本態產生長達數月、影響明顯的擾動。在北半球的夏季，當北極的冰雪覆蓋消失後，也會發生異常的「北極放大」現象。研究還顯示，全球變暖已經使春季提前到來，而且每10年就會提前3天。提早融化的積雪會造成雪下的土壤加速暴露，使土壤吸收更多熱量，使濕度降低，這些因素都驅使大陸地區提早進入更加溫暖的季節。

由於「北極放大」（海冰減少、春季冰雪覆蓋的面積減少等現象引起）和其他因素的作用，北半球中緯度地區和北極地區的氣溫差異顯著減小。溫差減小的同時也會造成急流劇烈變化。而且，如果溫差減小，處於中緯度的費雷爾環流和處於副極地地區的極圈環流之間的能量交換會減少，急流的風速也會被削弱。弗朗西斯和威斯康星大學麥迪遜分校的斯蒂芬·瓦盧斯（Stephen Vavrus）指出，伴隨溫差減小，北美和北大西洋高層大氣中的急流風速已比1979年降低了14%左右。

當急流風速減弱時，其型態會呈現出幅度更大、也更蜿蜒的曲線。弗蘭西斯指出，從2000年開始，冬夏兩季的極鋒急流中，伴隨出現的槽和脊的振幅已明顯增大。如果急流的彎曲程度變大：在急流的北側，暖空氣可以伸展到更北也更冷的地方；在急流的南側，冷空氣則可以延伸到更偏南的地方。正是因為這種特性，造成了美國東岸在2013年1月時強冷空氣的爆發。當時，北邊極渦的冷空氣大肆侵入美國東部，而在加利福尼亞地區卻經歷了非常嚴重的乾旱事件，其他地區也發生了異常偏暖的事件。波動理論顯示，急流風速減弱會使羅斯貝波向東傳播的速度變慢，並且導致波形振幅較大的異常天氣在一個地方長時間停留。這些大槽和大脊如果在一個地方停留時間過長，還會形成「阻塞形勢」（blocks），使波動停止繼續傳播。

都是北極的錯？

近期，對北極快速增暖和急流極端異常關係的研究在科學界掀起了一股熱潮。2013年9月，美國國家研究委員會（National Research Council）主辦的研討會在美國馬里蘭大學舉行，會議吸引了超過50位氣候學家參與這次討論。大部分氣象專家都認為，在北極快速增暖的這段時間內，急流確實發生了改變。但是，也有很多科學家對最近15年北極快速增暖的強度是否足以使急流發生變化，一直持質疑態度。

一些專家還從能量的角度，對北極快速增暖和急流變化之間的聯繫提出了質疑。因為體積巨大的急流中蘊含很多能量，想要改變急流的型態，需要很大的能量才能實現。美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的凱文·E·特倫伯斯（Kevin E. Trenberth）的一項研究表明，厄爾尼諾/南方濤動（El Nio/Southern Oscillation，ENSO）可以驅動急流發生變化，而北極快速增暖所吸收的熱量要比ENSO中的能量小一個量級。2014年8月，特倫伯斯與合作者在《自然·氣候變化》（Nature Climate Change）雜誌上發表了一篇文章，闡述近年太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）遙相關所造成的熱帶太平洋的能量變化，並發現這種現象也能導致急流發生較大程度的彎曲。特倫伯斯還指出，過去10年間，PDO的自然變率（natural variability）也會受到氣候變化的影響。

2014年2月，包括特倫伯斯在內的5位著名氣候學家在《科學》（Science）上發表一篇文章，對弗蘭西斯的研究提出了批評。他們指出，對於北極快速增溫與急流異常型態關係的研究，仍需要更多人參與，以求進一步研究。他們在文章結尾時總結說，「目前相關的理論和解釋並不能令人信服」。

一些科學家甚至質疑急流的波動振幅是否在增大。在2013年發表的一篇文章中，斯克林和西蒙茲用了一種不同於弗朗西斯的定義，來衡量急流的變化。他們的研究表明，在統計學上，急流波動振幅並沒有表現出顯著改變。不過，他們也指出，急流波動振幅還是有增大的趨勢，儘管這種趨勢比較微弱。但是，這些研究人員並沒有給出其他理論，以解釋急流極端異常的原因。在2014年8月，波茨坦研究所的季姆·庫穆爾（Dim Coumou）教授和他的研究團隊在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表文章指出，北極快速增溫導致北極地區和中緯度地區的溫差縮小，至少在夏季時，這一個因素就可以使急流發生較大的變化。

不能再等了！

儘管對於急流異常的原因，科學家目前仍然存在很大爭議，但氣象數據卻用最顯而易見的方式記錄了這一切。在美國歷史上，曾發生過多次毀滅性的災害事件，比如1974年的超級颶風、1936年的極端乾旱和熱浪、1927年密西西比河的嚴重洪澇災害等。這些災害都與在2011年到2012年間發生的災害具有某些相似性，因此，急流的異常行為可能預示著我們正將進入全新的、更具威脅的、災害事件更加頻繁的氣候態。

如果地球持續變暖，在急流中伴隨高壓脊的地方，高溫將會製造更多熱浪和乾旱；在急流向南彎曲伴隨低壓槽的地方，海洋上的暖濕空氣會隨之傳播，形成更多暴雨。如果急流持續緩慢移動，並伴隨較大振幅的羅斯貝波，還會持續性引發更多的極端天氣，造成巨大的傷亡和破壞。如果弗朗西斯和同事提出的理論是正確的，除非找到補救北極海冰的有效辦法，否則我們將無法恢復曾經的氣候態。事實上，由於大氣中的主要溫室氣體（二氧化碳）目前仍以每年0.5%的速度增加，已經沒有科學家認為北極的海冰會恢復到過去的狀態了。

乾旱是急流異常造成的最嚴重的威脅之一，因為它會影響我們賴以生存的水和食物。如果由於急流異常，導致高壓脊長期停留，並盤踞在美國和俄羅斯等糧食生產基地的上空，那麼當地氣候條件將無法給莊稼的生長提供必需的水分。乾旱將會導致食品價格飛速上漲、饑荒肆虐以及由暴力引發的社會動蕩。在2010年，俄羅斯發生的嚴重乾旱和熱浪事件中，就有一團巨大的高壓脊盤踞在整個國家的上空。而原本應該給俄羅斯農業基地帶來充沛雨水的低壓系統轉向巴基斯坦，造成巴基斯坦洪水泛濫。這次乾旱和熱浪事件是俄羅斯歷史上造成死亡和損失最慘重的一次。它迫使俄羅斯中斷小麥出口，進而推高全球穀物價格，使得多個國家和政府搖搖欲墜。

顯然，我們不能等到科學家完全弄清楚氣候變化的原因和機制以後才開始行動。全世界範圍都必須迅速有力地採取行動，把氣溫升高的幅度控制在2℃以內。到2050年，太陽能、風能、核能等幾乎不排放二氧化碳的清潔能源應該發展到現有規模的3倍以上；與2010年相比，溫室氣體的排放量也必須減少40%~70%。從經濟角度來看，這些措施僅會使世界經濟出現每年0.06%的負增長，因此完全可以承受。但是，如果要等到2030年才開始行動，我們所需要付出的代價將會大大增加，並且很可能難以將升溫幅度控制在2℃以內。

根據幾位著名氣候學家的研究，夏季的北極海冰最終會全部消失。如果北極海冰的改變真的是造成急流異常彎曲的罪魁禍首，從2014年開始到2030年的10多年間，隨著剩下50%的北極海冰持續減少，還會帶來更加嚴重的極端天氣。即使北極的變化不是急流發生變異的原因，結果也會讓人不安。因為到目前為止，急流發生改變的物理機制仍然未知，我們也很難釐清氣候變化會對急流造成何種影響。因此，我只能預測：在接下來的15年，擺在我們面前的是前所未有的氣候挑戰。

作者：傑夫·馬斯特斯是Weather Underground（全球知名氣象機構）氣象方面的負責人、災害性天氣預報方面的專家，《環球科學》特約專家。

譯者：聶羽博士畢業於南京大學大氣科學學院，現就職於國家氣候中心氣候監測室，主要研究中緯度氣候動力學，《環球科學》特約專家。

審校：張洋畢業於美國麻省理工學院，現任南京大學大氣科學學院副教授、博士生導師，主要研究氣候動力學與氣候變化，《環球科學》特約專家。

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