淺析全球變暖與局地極寒現(xiàn)象間的關(guān)系

胡瓊輝 宋榮榮

摘 要：近些年來，全球變暖不僅正在發(fā)生，而且已在全球范圍內(nèi)造成了巨大危害，如海平面上升淹沒沿海地區(qū)，洪澇、干旱等極端天氣事件頻發(fā)等;但與此同時，局部地區(qū)的極寒現(xiàn)象也多次發(fā)生。為研究“極寒天氣”這種極端氣象的出現(xiàn)與氣候變化有無關(guān)系以及說明全球變暖和局地極寒現(xiàn)象的出現(xiàn)之間是否矛盾。首先，引入“極地渦旋”的概念，從氣候推動“極地渦旋”產(chǎn)生移動來說明“極寒天氣”的出現(xiàn)與氣候變化之間的關(guān)系，結(jié)論表明恰恰是氣候變暖造成了極寒天氣的出現(xiàn)。其次，以海洋表面溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了解釋極寒天氣的間接模型，通過剖析北極地區(qū)相對于中緯度地區(qū)的平均海洋表面溫度彈性E，最終得出了極寒天氣在北半球的高中緯度地區(qū)出現(xiàn)得更加頻繁的實證原因。最后，通過對模型結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)全球變暖和局部“極寒天氣”的出現(xiàn)之間并不矛盾。

關(guān)鍵詞：全球變暖;極寒天氣;極地渦旋;氣候變化

根據(jù)歐盟發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，過去5年全球平均氣溫相比工業(yè)化之前已經(jīng)上升了1.1℃。無獨有偶，世界氣象組織去年指出，全球變暖趨勢仍在繼續(xù)，有記錄以來20個最熱年份都出現(xiàn)在過去22年，其中最近4年包攬了排行榜的前4位。[1]此外，2019年1月3日以來，美國中部、中東部、東南部和中西部等地區(qū)，連續(xù)遭遇極寒天氣影響，大雪、暴雪、暴風(fēng)雪連連不斷，氣溫也連創(chuàng)歷史新低，1月30日，中西部地區(qū)的最低氣溫竟然達(dá)到-48℃左右。根據(jù)美國氣象部門檢測，氣溫在中西部明尼蘇達(dá)州和南北達(dá)科塔州等部分地區(qū)達(dá)到了零下45℃。同時，加拿大、德國、法國、英國、奧地利和俄羅斯等多國也相繼出現(xiàn)了大到暴雪，積雪厚度達(dá)1-2米左右，局地厚度甚至達(dá)到了3米，極寒天氣籠罩了歐洲。這次的歐美寒潮引發(fā)了一波關(guān)于全球變暖的熱議，迫使許多機(jī)構(gòu)再次重申局部極寒天氣不等于全球氣候的道理。此外，美國國家海洋和大氣管理局對寒潮進(jìn)行了詳細(xì)的解釋：“極地渦旋”近來穩(wěn)定性失衡，導(dǎo)致本應(yīng)在北極上空的冷空氣南下，侵入美國上空，帶來了寒潮;但此次“極地渦旋”不穩(wěn)定的原因目前難以追溯。從全球范圍看，全球變暖仍是大勢所趨。

本文主要通過引入“極地渦旋”的概念，來說明“極寒天氣”這種極端氣象的出現(xiàn)，與氣候變化之間的關(guān)系。并利用收集整理得到的相關(guān)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的解釋模型，來說明全球變暖和局地極寒現(xiàn)象的出現(xiàn)之間是否存在矛盾。

1 極寒天氣與氣候變化

1.1 極地渦旋

地球南北兩極的地磁將來自宇宙的冷氣阻擋在地球之外，但同時使南北兩個地極上空形成極地漩渦，氣象學(xué)稱之為極地渦旋（polarvortex），簡稱極渦，是極地高空冷性大型渦旋系統(tǒng)和極區(qū)大氣環(huán)流的組成部分，其所處位置、渦旋強(qiáng)度和移動路徑會對極區(qū)和高緯地區(qū)的天氣產(chǎn)生重要影響。[2]原因在于，極地是地球的冷極，相應(yīng)地極地上空的大氣就成為了全球大氣的冷源，因而在極地低空形成冷性高壓，在極地上空則形成冷性低壓。

極渦的位置和活動范圍時有變化，在冬半年尤其活躍;極渦的活動演變比較復(fù)雜，其閉合中心有時會分裂成若干個，當(dāng)偏離極地南下移動時，就會導(dǎo)致極端天氣增多。

據(jù)統(tǒng)計，在總計10個冬半年里影響我國的171次寒潮中，有102次是亞洲上空出現(xiàn)持久極渦，其中6次強(qiáng)寒潮過程都與極渦在亞洲上空的位置明顯偏南相關(guān)。[3]

1.2 極寒天氣與氣候變化的關(guān)系

極地渦旋持續(xù)和大規(guī)模存在于對流層上部和平流層中部，原先保持著相對穩(wěn)定，但全球變暖后，由原有的穩(wěn)定轉(zhuǎn)趨活躍，有可能出現(xiàn)小渦旋，北極極地漩渦產(chǎn)生的小渦旋往南偏移，就會造成某一個區(qū)域被“速凍”。當(dāng)暖濕空氣侵入北極圈時，它會削弱極地旋渦的威力，擠壓冷氣團(tuán)，將其向南推動到歐洲、亞洲和美國。在美國氣象學(xué)會期刊上發(fā)表的一篇研究論文中提出了這方面的證據(jù)，氣候變化促成更加極端的極地旋渦南移現(xiàn)象，向更低維度的地區(qū)“投放”冷空氣。此前一些研究也表明，北極地區(qū)的快速升溫可能導(dǎo)致更加不穩(wěn)定的氣流，造成更多的的極端天氣現(xiàn)象。

渦旋的穩(wěn)定依賴于溫差。以北極渦旋為例，當(dāng)南邊溫度很高，北邊溫度很低時，中間會形成溫度梯度，就會形成一個很強(qiáng)的西風(fēng)帶，環(huán)繞包裹著北極渦旋，就出現(xiàn)了所謂的“北極增暖效應(yīng)”，也就是說北極地區(qū)的增暖是全球平均增暖的數(shù)倍，故又稱之為北極放大效應(yīng)。當(dāng)全球增暖時，北極會增暖更多，這樣一來，南北的溫差就會減少，梯度也就下降，西風(fēng)帶減弱，極渦變得不穩(wěn)定，原本平直的西風(fēng)帶就會成波浪狀，暖空氣向北，冷空氣向南，北極渦旋就會攜帶著寒冷空氣南下侵襲宜居的中緯度地區(qū)。[10]

因此，通過引入“極地渦旋”的概念，從氣候推動“極地渦旋”產(chǎn)生移動來分析“極寒天氣”的出現(xiàn)與氣候變化之間的關(guān)系，結(jié)果表明，恰恰是氣候變暖造成極寒天氣的出現(xiàn)。

2 全球變暖和局地極寒現(xiàn)象

2.1 極寒天氣的解釋模型

極寒天氣的其中一種解釋是，存在于北極的渦旋因為全球變暖的不均衡性而穩(wěn)定性變?nèi)酢⒉▌有栽鰪?qiáng)。[11]而這種全球變暖的不均衡性較之前變得更強(qiáng)烈，是可以借由已獲取的洋表面溫度（SST）（具體數(shù)據(jù)見附件1）數(shù)據(jù)集合來予以證明的。北極地區(qū)使用數(shù)據(jù)組中1-11來獲取北緯68°以上的海洋表面溫度（SST），中緯度地區(qū)則使用數(shù)據(jù)組中15-30來獲取60°N-30°N的范圍（具體數(shù)據(jù)見附件2）。

首先，抽取{1854，1864，1874，…，2014，2019}這一年份集合中的北極地區(qū)海洋表面溫度（SST）數(shù)據(jù);然后，抽取{1854，1864，1874，…，2014，2019}這一年份集合中的中緯度地區(qū)海洋表面溫度（SST）數(shù)據(jù);最后，計算出北極地區(qū)、中緯度地區(qū)的海洋表面溫度（SST）數(shù)據(jù)，因為除了2019年和2014年外，其他年份間都是以10年為間隔的，所以這里2019年的數(shù)據(jù)需要做加倍化的調(diào)整（具體數(shù)據(jù)見附件2）。

本模型初步設(shè)立為平均海洋表面溫度彈性（E）關(guān)于北極地區(qū)和中緯度地區(qū)海洋表面溫度（SST）數(shù)據(jù)的一個二元線性模型，模型結(jié)構(gòu)為：

其中，SSTM表示北極地區(qū)海洋表面溫度數(shù)據(jù)，SSTN表示中緯度地區(qū)海洋表面溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1944年之前，該彈性E基本都小于1;1944年以后則大都大于1;在2014年和2019年的彈性E更是達(dá)到了4.7和9.4。當(dāng)彈性大于1時，在海洋表面溫度（SST）的增長上，北極地區(qū)相對中緯度而言更加敏感，兩個海洋區(qū)域的溫度分配（即能量獲?。└硬黄胶?，北極會獲得更多的能量，進(jìn)而對原有的北極渦旋結(jié)構(gòu)造成更大的沖擊，使得近些年的極寒天氣在北半球的高中緯度地區(qū)出現(xiàn)的更加頻繁。

2.2 全球變暖和局地極寒現(xiàn)象的關(guān)系

“極寒天氣”的出現(xiàn)，與氣候變化之間有關(guān)系。氣候變暖后，暖濕空氣侵入北極圈削弱極地旋渦的威力，將冷氣團(tuán)推動到歐洲、亞洲和美國，造成“極寒天氣”現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，北極地區(qū)的快速升溫可能導(dǎo)致更加不穩(wěn)定的氣流，造成更多的的極端天氣現(xiàn)象，而北極增暖效應(yīng)就恰好導(dǎo)致了該現(xiàn)象的惡化，使寒冷空氣一路侵襲至中緯度地區(qū)。

利用海洋表面溫度數(shù)據(jù)可以建立極寒天氣的解釋模型。該模型通過剖析北極地區(qū)相對于中緯度地區(qū)的平均海洋表面溫度彈性E，來分析兩個海洋區(qū)域溫度分配（即能量獲?。┑钠胶獠町?，進(jìn)而分析原有的北極渦旋結(jié)構(gòu)可能遭受的沖擊，最終得出了極寒天氣在北半球的高中緯度地區(qū)出現(xiàn)得更加頻繁的實證原因。

全球變暖和局部“極寒天氣”的出現(xiàn)之間并不矛盾，“極地渦旋”模型和利用海洋表面溫度數(shù)據(jù)可以建立說明極寒天氣的間接模型都詳細(xì)而有力地證明了這一點。

3 結(jié)論

全球變暖是一個非常開放的問題，氣候變化所帶來的影響也有很多，包括對生態(tài)生物系統(tǒng)的影響、人類社會生活的影響、社會經(jīng)濟(jì)活動的影響。同時，解釋模型的選取也是多種多樣的，所獲得的結(jié)論也可以是各不相同的。

本文主要研究了三個問題：“極寒天氣”的出現(xiàn)與氣候變化之間是否有關(guān)系，如何說明“極寒天氣”發(fā)生的原因與規(guī)律，以及全球變暖與局部“極寒天氣”之間是否存在矛盾。

首先，在引入“極地渦旋”的概念后，從氣候推動“極地渦旋”產(chǎn)生移動來說明“極寒天氣”的出現(xiàn)與氣候變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)恰恰是氣候變暖造成了極寒天氣的出現(xiàn);其次，本文采用了以海洋表面溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的說明極寒天氣的間接模型，通過剖析北極地區(qū)相對于中緯度地區(qū)的平均海洋表面溫度彈性E，最終得出了極寒天氣在北半球的高中緯度地區(qū)出現(xiàn)得更加頻繁的實證原因;最后，借由前兩個問題的答案有力地回答了第三個問題，即全球變暖和局部“極寒天氣”的出現(xiàn)之間并不矛盾。

參考文獻(xiàn)

[1] Yangyang Xu，Ramanathan Veerabhadran，Victor David G. Global warming will happen faster than we think[J].Nature，564：30-30，2018.

[2] Stanley C，Solomon，et al.Whole Atmosphere Climate Change： Dependence on Solar Activity[J]. Journal of Geophysical Research： Space Physics，124（5）：3799-3809，2019.

[3] Allison Edward H，Bassett Hannah R.Climate change in the oceans：Human impacts and responses[J].Science，350（6262）：78-82，2015.

[4] David Spratt，Ian Dunlop.Existential climate-related security risk： A scenario approach[R].Australia：Policy Paper from Breakthrough-National Centre for Climate Restoration，2019.

[5] Corinne Le Quere，et al.Global carbon budget 2017[J].Earth System Science，7（7）：47-85，2015.

[6] Medhaug I，Stolpe M B，F(xiàn)ischer E M，et al.Reconciling controversies about the ‘global warming hiatus[J]. Nature， 545（7652）：41-47，2017.

[7] Meehl G A，Hu A，Santer B D，et al.Contribution of the Interdecadal Pacific Oscillation to twentieth-century global surface temperature trends[J].Nature Climate Change，15：1005-1008，2016.

[8] Xianyao C，Ka-Kit T.Global surface warming enhanced by weak Atlantic overturning circulation[J]. Nature， 559（7714）：387-391，2018.

[9] Smith T M，Reynolds R W.A High-Resolution Global Sea Surface Temperature Climatology for the 1961–90 Base Period[J].Journal of Climate， 11（12）：3320-3323，1998.

[10] 魏敏.基于BCC氣候系統(tǒng)模式的年代際預(yù)測研究[D].北京：清華大學(xué)，2017.

[11] 伍志元，蔣昌波，鄧斌，曹永港.基于海氣耦合模式的南中國海北部風(fēng)暴潮模擬[J].科學(xué)通報，63（33）：3494-3504，2018.

作者簡介：胡瓊輝（1997-），女，漢族，四川，碩士研究生，西南民族大學(xué)，研究方向：人口與可持續(xù)發(fā)展，

通訊作者：宋榮榮（1979-），女，漢族，山東，副教授，博士，，西南民族大學(xué)，研究方向：泛函分析和先進(jìn)PID控制

基金項目：西南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（82001564）.