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牛年初北美的暴雪冰冻天气 精选

已有 3317 次阅读 2021-2-22 21:15 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

  20212月中旬正当东亚气温回升,冷空气活动减弱,美国却遭受了一次极端寒潮天气过程。随着极地冷空气的南下,气温断崖式下跌,雨雪冰冻齐上阵,给基础设施及民众生活带来了严重影响。其中位于南方的德克萨斯州电力中断,供水管道破裂,民众生活遭遇了前所未有困境,造成几十人死亡的重大灾害。这似乎象美国大片“后天”中的可怕情景,提前上演了(图1)。近些天,网络媒体上关于美国寒潮的起因出现了各种说法,一些可能是气候专家的解读,也有一些属于某些非专业媒体拼凑的零散新闻,题目唬人,结论是似而非,莫衷一是。其中最流行的说法是极端寒潮可能起因于全球变暖。但这似乎又与常识相悖,难以被接受。据美国一些网站报道,已有业内人士批驳(debunked)这种说法。诚然,全球变暖与极端寒潮冷事件的关联机制是一个困难的科学问题,要揭示其形成机理,尚需要科学家深入细致的大数据分析、严紧的理论推演和大量的计算机模型数值试验研究。然而,一次极端寒潮事件发生的直接原因必然是大气环流异常,有经验的天气预报员也可以依据气象学理论,从连续数天天气图上大气环流的逐日演变分析这次美国寒潮形成的环流异常特征或成因。

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                1 美国德克萨斯州的暴雪和冰冻天气(图片取自互联网).


    寒潮是北半球中高纬度地区冬季经常出现的强冷空气活动过程,但极端强寒潮事件的出现必然是多种有利因素的“机缘巧合”,每个因素的贡献率不同。冬季在北半球对流层中层(500hPa/5500米)多年平均环流场上,存在着东亚大槽和北美大槽(波谷),因大槽后部的持续西北气流造成东亚和北美冬季气温明显低于同纬度的欧洲。在两个大槽之间的广阔太平洋上是一个高压脊。今冬北美寒潮的一个主要原因就是这个高压脊异常偏东偏强,引导极地或高纬度冷空气南下造成北美强烈的降温降雪天气过程。 北美寒潮成因的气候背景是赤道中东太平洋海水变冷,即出现了拉尼娜事件(La Niña),拉尼娜对美洲大陆的影响比东亚更为直接和明显,导致北太平洋东部到美国西海岸的副热带高压脊异常偏强(见图2中右图);其二是这次北美寒潮是在北半球中高纬度冬季环流调整过程中发生的,与东亚大冷低涡的东移出海有关。这次北美极端寒潮与庚子鼠年发生在东亚的4次寒潮过程的形成机理不同,具有独特的形成过程。

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                2 冬季厄尼诺和拉尼娜环流及气候异常示意图(取自美国CPC网站).


  20212月初开始月北半球大气环流环流结构开始调整,东亚虽有冷空气活动,但均未达到之前的寒潮强度,乌拉尔山阻塞高压也不见踪影。自202012月初北极低涡(极涡)分裂,主体掉向亚洲一侧后一直稳定少动,造成东亚频繁的寒潮过程。但自20211月下旬开始北半球大气环流结构开始调整,东亚一侧的极涡残余低涡开始逐渐东移出海,导致北太平洋中东部西风带高压脊异常增强并东移(见图3左图),当这个低涡继续移至阿留申群岛上空并与低层阿留申低压叠加后明显增强,导致其前部的西风带高压脊增强并与因拉尼娜冷事件增强的副热带高压脊同位相叠加,在北美西海岸形成一个很强的高压脊(见图3右图),引导极地冷空气大举南下,造成了北美的极端寒潮天气过程。

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       图3  2021210日(左)与21420700mb 天气图,红线为等温线,蓝线为等位势高度线 (图取自中央气象台网站).


     这次北美寒潮的一大特点是冷空气竟然到达美国南部气候干热的德克萨斯州并伴随着大雪天气。原因之一自然是东海岸高压脊太强,有多个气旋活动。另一个重要原因与所谓“上游效应有关”。在高空天气图上移动的大气长波是Rossby波,它的形成起因于科里奥利参数( f=2Wsinj)随纬度的变化率,即所谓b效应。其中W是地球旋转角速率,j是纬度;b=2Wcosj, 称为Rossby参数。G. Rossby是叶笃正在芝加哥大学读博时的导师。叶先生博士论文的研究内容之一是Rossby波的能量频散问题(Energy dispersion),即Rossby波的合成波以群速度向下游传播,其速度超过了Rossby波本身的传播速度。这个结果揭示了天气图上经常看到的"上游效应"形成机理,即当上游一个低压槽加深时,远在千公里之外下游的低压槽也会很快加深,其原因是大气长波能量向下游的快速传播,称之为能量频散。因此,从东亚东移的大低涡在阿留申群岛上空增强,不仅导致北美西海岸高压脊进一步增强,也很快引起下游美国上空的低压槽加强南伸,并在槽底的德克萨斯附近新生出一个气旋波,给当地带来大雪天气。此外,伴随美国西海岸副热带高压的增强,东海岸大西洋一侧的副高也增强西伸,它不仅形成了有利于德州降水的“东高西低”环流形势场,其前部的东南风还将墨西哥湾的暖湿气流输送上岸,与南下的冷空气交汇于德克萨斯州等地,为暴雪天气的形成提供了有利的热力学条件和丰沛的水汽资源。

  可见,辛丑牛年之初北美的超级寒潮过程也与202012月初自北极涡旋分裂出而掉向东亚的低涡体有关。这个低涡体向东漂移出海,直奔美洲大陆,最终被西风带吸收消失在新大陆上空,结束了它漫长的流浪之旅。同时,北极涛动指数也在经历了两个半月多的负位相后,于20212月中旬末又转为了正位相,北极的大涡旋在万米高空又得以重建。

  总之,这次北美的超级寒潮,一方面是由于拉尼娜背景下中纬度西风带波幅增大,美国东西海岸副热带高压同时增强,另一方面是掉向亚洲一侧分裂的极地涡旋体在制造了四次东亚寒潮天气后,乘着西风带漂移出海,奔向北美大陆,促使北美西海岸高压脊进一步增强并造成北美大槽的异常加深,最终在美国制造了这起罕见的暴雪冰冻的灾害性天气事件。

 

2021222

 

参考读物:

 叶笃正文选. 安徽教育出版社,2008.

 Yet T C. On enengy dispersion in the atmosphere. J. Meteorology, 1949, 6:1-16

 郭晓岚. 大气动力学. 江苏科技出版社,1981.






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