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每天一篇全球人文与地理
地球知识局——寒潮的原因，找到了！
NO.1785-北极南下
作者：斯文的樊学长
制图：孙绿 / 校稿：猫斯图 / 编辑：养乐多
2020年12月29日到2021年1月1日，中国出现影响全国大部分地方的寒潮天气，中国从北方开始经历了一波强劲的降温，到1月6日时，北京出现-19.6℃的低温，这是1966年以后的最低数字。
这温度，这风，感觉在催命
（参考：中国气象局）▼
冷冰冰的数字体现在日常生活上，就会变成冒冷气的鞋底，回家路上冻裂的生鸡蛋和粘手的铁栏杆。结合能把猪刮上天的风口，让人不觉产生这样的怀疑——说好的全球变暖呢？
欢迎来北极（阿拉斯加北极镇，非真正的北极）体验一下全球变暖▼
极端天气现象的成因很多，很难一概而论，众多条件还会互相影响，这就导致真实原因往往无法直观感受到，甚至与直觉完全相悖。就说今年的寒冬，其实恰恰部分源于全球变暖，是不是很反常识？
极地涡旋的作用
不知道还有多少人记得，前年冬天美国人也被冻坏了。2019年1月，整片五大湖区的平均气温降至-34℃至-40℃，芝加哥附近的气温甚至一度降至-46℃，从五大湖区到新英格兰无不受到这次超强寒潮的影响。
那一次是由于极地涡旋南移
让美国人民体验到了一把北极生活（下图向左滑动）▼
急冻模式下的五大湖（2019-1-27）
（图片：NASA）▼
那次寒潮造成了2000多个航班停飞，多处公路停运，为保证铁路运行安全铁轨旁边甚至生起了火。相较而言中国这一次的寒潮还不算特别过分的。
相当凶猛▼
天气现象的成因非常复杂，表面上我们很难将横跨整个地球、时间相距两年的两次大范围降温的成因联系在一起。但是理论上说，两次寒潮背后，都有冰盖融化导致极地冷涡南移的关键影响，甚至可以说二者不是孤立事件，都是上述气候变化的一个具体表现。
一般人很难想象地球是作为一个整体在运转
但事实就是如此
（图片：NASA / Kathryn Hansen）▼
在正常年份，北极的海冰面积在3月份时到达最大值16000000平方千米，9月份时经过一整个夏季的融化，到达最小值7000000平方千米。因为海冰的反照率远远大于海水，所以冬季时可以反射而不是吸收更多的太阳能，夏季则相反。数百万平方千米的冰盖与海水之间的切换，对全球气候都能起到影响，对北半球中高纬度的影响尤其明显。
夏季和冬季差异很大，这是一个巨大的调节系统
（参考：NOAA）▼
冰盖减少会造成大气环流的异常，重要表现包括向极温度梯度减弱（因为北极自己的气温上升了），大陆上空纬向西风减弱，西伯利亚高压增强等等，而后者对中国冬季气候来说至关重要。
1982-2007，北冰洋较厚冰层逐渐减少
（图片：wikipedia@National Snow and Ice Data Center）▼
此外，极地涡旋是影响气候的重要因素，它是大气高层的紧密旋转气流。漩涡可以将极地温度极低且密度较大的空气，一直通向上空的平流层，就像无形的弹力绳“束缚”着冷空气，把冷空气限制在北极地区。
它的形成源于地球高低纬度之间的气压差（也就受到温度差的影响）。北极与赤道的温差越大，极地涡旋也就越稳定，越能将冷空气锁定在极地。
这相当于是一个单中心的极地涡旋
如果分裂为多中心的涡旋，北美和东北亚就要小心了▼
其实极地涡旋南北极都有，但是南极大陆更冷，周边陆地更少，涡旋更强更稳定，目前还没有发生什么变化。而在陆地占比比较大的北半球，气流交换的干扰作用更加明显，所以北极极地涡旋的受干扰因素更多。
北极地区的周边状况显然比南极地区要复杂得多▼
一旦极地涡旋偏弱，留出的空间就会被较为温暖的气团北上占据，挤压极地涡旋原本的空间。受到挤压的极地涡旋影响范围就变得不再稳定、规则，北极气团就可能被“挤”到更靠南的地方。
严重时，极地涡旋本身也会发生分裂。正常情况下，北极涡旋会分裂为两个，分别分布在加拿大的巴芬岛和西伯利亚东北部，它们分别控制着西北半球和东北半球的高纬度气流，这种情况也还算稳定。
只是这两个还好
问题是，他们会不会继续南下▼
极地涡旋南下 拉尼娜现象助攻
不巧的是近三十年，全球变暖越来越显著，这导致海冰减少，反射减弱，吸收更多太阳热力，海冰进一步减少的恶性循环，所以出现了非常反常识的现象——北极升温幅度接近其他地区平均升温幅度的三倍。
北冰洋2018年3月的海冰范围
与1981-2010年同期比较
（参考：NOAA）▼
北冰洋2018年9月的海冰范围
与1981-2010年同期比较
显然，数十年来，冬季的海冰范围变化不大
但夏季北冰洋的海冰范围急剧缩小
（参考：NOAA）▼
北极比赤道暖化更快也就意味着两者之间的温差正在减弱，大气环流也因此受到影响。继而，它减弱了极地涡旋和西风急流，使西风急流较为波动，有利于北极冷空气南侵。
所以在过去四十年，极地涡旋的偏弱的趋势在逐渐明显，在近年来终于愈发明显地出现分裂。在最严重时分裂为杂乱无章的数个，并南下到北半球中高纬地区，这也就解释了为什么在2010年代，美国东北部的冬季变得更加严酷。
极涡南下，五大湖也能体验到北极的温度了
这和这几天北京的体验比较类似
（图片：NASA）▼
极涡盘旋着卷过美国东北部▼
2020年秋天，北极海冰出现了有观测以来第二少的情况，极地涡旋大大减弱，约束力更差，冷空气走向混乱的现象也就更明显了。
极地冷空气南下通常两个走向，欧亚或北美。今年，冷空气轮到了偏向欧亚地区，而欧亚大陆冬季温暖气候主要由北大西洋吹向大陆的暖湿气流维持，西风的减弱又导致南北向的气流运动缺少阻塞，有利于冷空气的南侵，这就是今年中国出现强寒潮的背景。
分裂为多极的极地涡旋（下图为2014年1月5日）
不同难分南侵的方向不同，今年是东北亚
（图片：NOAA）▼
除了极地涡旋减弱的大环境，发生于赤道中东太平洋的拉尼娜事件，对这个尤其寒冷的冬季也起到了推波助澜的作用。
拉尼娜现象源自东南信风吹走了太平洋东部被晒热了的表层海水，导致底部寒冷的海水上翻，赤道太平洋中部和东部海洋表面温度的大尺度降温，并影响热带大气环流，进而影响风和降雨量。它对天气和气候的影响通常与厄尔尼诺现象相反，对中国来说，增加冷冬出现的概率。
厄尔尼诺对应中国的暖冬，拉尼娜则对应冷冬
但相比平均气温，突发的气温变化更引人关注
（图片：NASA）▼
2020年10月末，世界气象组织便宣告了一次中等到强级别的拉尼娜现象形成，这次的拉尼娜现象延续到了2021年，并在今年冬季迎来了峰值。这次拉尼娜现象对我国南方的影响较大，降低了持续性雨雪冰冻的可能性，但是也影响了副热带高压的位置和强度，导致南方难以阻挡冷空气的南下。
所以这次全国都很冷，零度以上的省份已经不多了
当然，北方则进入了北极模式
（图片：中国气象局 https://weather.cma.cn/）▼
可以说，北方极地涡旋减弱和南方拉尼娜现象盛期的两个因素互相影响，导致2021年开局全国范围的降温，也让大家都听到了家乡的风说的话：“我要你死。”
变暖导致的冷冬
冷和暖是一个相对主观的标准，今年各种因素综合影响下的寒潮让人萌生冬季变冷的怀疑。然而事实上，近年来其实一直是暖冬偏多，大众对冬季气温的预期已经变得很高了。
像这样的大雪，我小时候远比现在要多，也更冷
如今北京下雪仿佛就是意思意思糊弄人的
（图片：Fang Deng / shutterstock）▼
以这次降温中备受关注的北京为例，其实60、70年代时冬季普遍要更冷，一月零下十余度的天气并不少见，1966年还曾经达到过-27℃。《中国气候变化蓝皮书（2020）》也说明了这一趋势，上世纪八十年代以来，每一个十年都比上一个十年更暖，1961年到2019年之间我国的极低温事件其实是在不断减少的，这一次的寒潮显然也并不会改变这一历史进程。
其实这个冬季在12月初冷得也不明显，甚至有暖冬迹象。寒潮的次数其实也并不比往年显著多，但是有两次强度更大，而且接连发生，导致北京气温降至-10℃之后，又迅速降至-19℃。降温幅度大，时间短，加剧了人体的不适。
不过今年冬天的寒冷大概也不会持久，目前气象工作者的预测是，1月下旬就会转暖，到2月时，全国大部分地区会接近往年气温，甚至可能会偏高。
另外，室外温度和体感温度并不能等同，影响后者的因素还有很多，伴随降温而来的大风就是关键因素。
只要我吹得够猛，北极就追不上我▼
体温加热身体周围的空气，形成一个隔绝冷空气的温暖“防护罩”，衣物也起到类似的作用，然而大风会迅速带走身体周边温暖的空气，让身体直面严寒的环境，导致体感温度极低。
不过偶然的降温也给作妖带来了无限灵感，从舔铁栏杆（切勿操作）到“人工降雪”的种种神奇操作，也算是一种冷中作乐。
还有比这更好的冷中作乐么
（图片：shutterstock@lazy dragon）▼
总之，极地涡旋南下与拉尼娜现象综合影响下的寒潮终究只是一个偶然事件，并不会改写目前冬天整体上越来越暖的趋势，而宏观上的暖冬加剧，和微观上极端天气变化的频繁，恰恰是全球气候变化的一个具体体现。
气候变化是一个非常复杂的命题，因和果之间往往被种种复杂的表象掩盖，这主要是因为它涉及到极大尺度上的大气运动，已经远远超出了人类个体角度的经验认知范围。就像前年特朗普幸灾乐祸地表示美国的寒潮证伪了全球变暖的奇葩思路一样，依靠常识判断，可能会得出与实际情况相反的结论。
对大部分人来说
遥远极地发生的事情如同火星一般遥远和无所谓
虽然这其实与你息息相关，虽然其尺度远比你想象要大
（可以放大图片康康细节，图片：shutterstock）▼
北极冰盖融化的情况在短期内看不到逆转的希望，那么冬季北极极地涡旋的持续减弱、分裂、南移大概也会变得较为频繁。气候变化带来的挑战终究是一个躲不过去的问题，而这个问题显然不能仅仅依靠个人自觉或个别国家的努力来解决。只可惜在世界缺乏团结的今日，想要让各国联手解决一些真正要紧的问题远比互相仇恨更难。
2021年始于一场异常寒冷的降温，熬过充满挑战的2020的欣喜，也许是受到气温影响，被加速冷却。
时代不会仅仅因为年份数字改变就变得河清海晏。从疫情，到国际关系，再到早已不是焦点的气候变化，人类面临的挑战依旧是严峻的，新年也依旧需要负重前行。
参考资料
1.https://news.bjd.com.cn/2021/01/07/41050t100.html
2.武丰民,何金海,祁莉.北极海冰消融及其对欧亚冬季低温影响的研究进展[J].地球科学进展,2014:43-51.3.肖莺;任永建;杜良敏;.气候变化背景下北极海冰对我国冬季气温的影响研究[J].极地研究,2018:18-25.
4.https://news.bjd.com.cn/video/2021/01/07/41062t106.html
*本文内容为作者提供，不代表地球知识局立场
封面：shutterstock@lazy dragon
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