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本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:小哲,校稿:朝乾,编辑:果,原文标题:《预警!今年最强寒潮马上就来!》,头图来自:视觉中国


入冬以来最强寒潮即将来袭。今天下午,中央气象台升级发布寒潮橙色预警:11月27日至30日,寒潮天气将自西向东给我国大部地区带来剧烈降温、大风、沙尘和大范围雨雪天气。


强冷空气快速南下,大风伴随着断崖式的降温。预计27日至30日,西北地区和中东部大部地区气温将先后下降10℃至16℃,部分地区降温幅度可达18℃以上。


很多地区降温幅度在18℃以上,这一波确实太冷了(图:中央气象台)▼


寒潮过后,大部地区气温将由前期偏高转为明显偏低状态。


此次寒潮雨雪和大风影响范围广。吉林、辽宁有较强降雪和冻雨。寒潮还将为南方地区带来大范围雨雪天气,局部地区将出现雨夹雪、冻雨等天气。


冷空气南下


这次的寒潮如此厉害,那么寒潮究竟是个什么东西?我们所在的东亚季风区,有夏季风和冬季风,寒潮作为冬季风里最活跃的子系统,仿佛冬天的化身,每次都带着寒冷空气如潮水般南下。


根据《冷空气等级》的国家标准:某一个地区在冷空气过境后,日最低气温在24小时内下降8 ℃以上,或48小时内下降10℃以上,或72小时内下降12 ℃以上,同时最低气温在4℃以下,就属于寒潮。


可见寒潮属于加强版的冷空气,不来则已,一来就是高强度大规模降温,甚至可以自北向南横扫中国。


不是所有冷空气都能被称作寒潮▼


寒潮出现的时间基本都发生在9月下旬到次年5月之间,而春季的3月与秋季的10~11月是寒潮与强冷空气活动最为频繁的季节。


恰好是每年换季之时,一定要注意保暖▼


据长期统计,南下我国的冷空气95%左右都要经过西伯利亚的西西伯利亚平原,从亚马尔-涅涅茨到哈萨克斯坦的这块区域(70°-90°E、43°-65°N)就是“寒潮关键区”,多个方向的冷空气在这里累积、加强,是寒潮南下的大本营。


早在上世纪50年代,我国气象学家李宪之和陶诗言先生就开始对寒潮关键区进行研究,并搞清楚了冷空气入侵我国的源头和路线——


寒潮关键区范围研究示意▼


每年秋分之后,随着太阳直射点南移,北极高纬度地区接收的太阳辐射越来越少,冷空气也越来越强大,这里就成了影响我国的寒潮策源地。


冷空气主力军会从新地岛以西的洋面出发,经巴伦支海、新地岛、亚马尔半岛、乌拉尔山脉北部,进入大本营“寒潮关键区”。


冷空气的主力军路线示意(寒潮关键区范围为示意,下同)▼



冷空气二方面军从新地岛以东洋面出发,经喀拉海、泰梅尔半岛向南到达关键区。


第二种冷空气形成寒潮的路线▼


三方面军比较远,来自冰岛以南洋面,横跨欧洲、黑海、里海,三方面军属于劳师远征,一般只有与其他源地的冷空气兵合一处才能达到寒潮强度。


这一路冷空气长途跋涉来到关键区,强度已不如前两路▼



总之,三路大军汇聚“寒潮关键区”,秣马厉兵后再兵分三路入侵我国——


最靠北的一路冷空气从“大本营”经西萨彦岭和蒙古高原北部,到达大兴安岭,再由此南下经渤海入侵华北,继而席卷华东和两湖盆地。


第一路冷空气路线▼


在其南侧,第二路冷空气沿着阿尔泰山与杭爱山翻越蒙古高原腹地,从我国黄河河套附近南下,席卷陕西、山西、河南、湖北甚至江南地区,给长江以北带来猛烈的北风和剧烈降温,到达江南后,引起这里锋区的波动造成雨雪天气。


第二路冷空气路线▼


最靠南的一路,冷空气从准噶尔盆地西侧进入新疆,沿着天山、祁连山、河西走廊一路东进南下,主要影响西北和西南地区。


第三路冷空气路线▼


后面这两路冷空气由于路线比较近,经常在秦岭东侧、黄河长江之间的位置交汇,造成大范围雨雪天气,再合并南下到长江中游,造成更猛烈的大风降温。


如此凶猛的冷空气,其实都来自遥远的极地和副极地,但问题是,汇聚于北冰洋洋面以及西西伯利亚的冷空气,为什么要往中国吹?换个方向吹不行么?


这就要说到引发寒潮的两大天气系统,“极涡”和“大槽”


动力机制:高空大槽拉动冷高压


北极由于极夜的到来,太阳辐射少,空气寒冷并下沉,在地面是“冷高压”,在高空则是“冷低压”,上上下下都很冷,高空的空气不断向中间汇聚,被强大的地转偏向力偏转为逆时针的“极地涡旋”,简称“极涡”。


此外,由于陆地的比热容比海洋要小得多,所以在冬天,陆地降温更快,西伯利亚和加拿大北部甚至和北极一样冷,而高空的极涡就分裂为西伯利亚和巴芬岛两个涡旋。


AIRS捕获的极地涡旋(2019)(图:wiki)▼


极涡再往外一圈,就是中高纬度的西风带,我们知道,高空西风带的风速极快,甚至能达到30~40m/s(念作每秒30到40米)以上,这放在低空已经是台风的中心风速了,所以高空的西风往往能拖拽低空的空气跟着跑。


正是西风带围绕着极涡高速旋转,极地的冷空气就被牢牢限制在一定范围内,不会轻易南下乱跑,相当于一条冷空气防线。


地球上大规模大气环流的理想化描述(春分)(参考:wiki)▼


但这条防线并不是一个规则的圆形,如果我们看500hPa的一月份平均气压图,会发现由于极涡分裂成两部分,并各自向南偏移,使得西风带扭曲出了三个突出部,两大一小,并形成了三个低压槽,分别是东亚大槽、北美大槽和欧洲浅槽。


前两者是影响中国和美国超级寒潮的关键因素,由于我国基本位于东亚大槽的后部,弯曲的西风带在中国以北就会呈现西北-东南的走向,拖拽着地面的西伯利亚冷高压南下,我国冬天的西北风由此形成。


冬季三槽大致位置▼


这是我国冬季风在气候层面的原因,气候是长期天气过程的总和。东北亚的低压槽是不断变化的,每一次寒潮的发生与结束,都对应着一轮低压槽的形成与转移。


在具体过程中,高空的西风波动会形成向高纬度弯曲的“高压脊”和向低纬度弯曲的“低压槽”,而这些槽和脊会自西向东顺着西风带移动,在这一过程中,往往会加强、发展、变形。


从低压区延伸出来的狭长区域称为低压槽,简称为槽,由于低压周边大气呈逆时针旋转,在北半球,槽的位置就决定了哪里会有冷空气涌入▼


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当低压槽经过寒潮关键区,这里的寒冷空气就会被高空的西北风引导向东南方向,并从新疆开始自西向东横扫我国,随着西风带波动逐渐加大,移动到东西伯利亚的低压槽也越来越强,寒潮全面南下。


比如今年国庆期间的那次大规模降温▼


今年10月2号冷高压南下“大举入侵”,给接下来的大幅降温来了个“预热”(图:中央气象台)▼


由此可见,寒潮爆发的关键就是西风带波动,在中国北方的波动越大,寒潮就越猛烈。


比如10月3号的高空槽后有大规模向南的气流(图:中央气象台)▼


由于西风带的风速非常快,一旦方向偏转,冷高压就会在高空气流的引导下迅速南下,其前端往往会形成一条颇具强度的冷锋,相当于寒潮大军的“先锋”。


比如本次寒潮天气,就是随着副极涡带着西风带的横槽下摆转竖,引起高空风向剧烈变化,在高空气流的引导下,冷高压迅速南下并将席卷全国大部分地区,将带来剧烈的大风降温天气。北京29日最高温度暴跌16度,30日~下月1日广州2天内暴跌20℃。


上图为地面气压,下图为高空气压,高空气流的作用非常明显(图:中央气象台)▼



前面所说的,以及最近这次的寒潮都属于常规类型,顶多算是精英怪,都只是西风带的波动把北方的冷空气吹到了中国,而真正的BOSS——超级寒潮,还得是极涡亲自下场:


正常情况下,中纬度西风带会环绕极涡,将极地冷空气牢牢锁住。但如果北极异常增温导致南北温差减小,进而导致西风带减弱,这条防线就会出现局部崩溃,极地涡旋将亲自挂帅、突破封锁南下,把北极直接搬到温带。


极地涡旋原理(图:NOAA)▼


感受一下2019年1月席卷北美的极地涡旋(图:NASA)▼


之前在美国气象灾害的底层地理逻辑那一期里提到过,2021年极端降雪造成得州的电力崩溃的那次寒潮就是这种情况。


而在我国,由于地形阻挡,这种情况相对少见但并非没有,2016年1月下旬,一个北极涡旋的次中心罕见地南下至渤海上空,导致全国大降温,最低温度降到零下的国土面积达到惊人的945万平方公里,几乎就是全国零下,广州市区甚至迎来了中华人民共和国成立后的首次降雪。


当时的极地涡旋状况▼


对此喜闻乐见的广州人,至今仍会怀念六年前的那场雪▼


由此可见,并不是北极越冷寒潮就越强。


限制寒潮的西风带原本是南北温差再平衡的产物。由于全球变暖并不均匀,北极温度的上升速度是中纬度地区的两到三倍。


所以北极变暖事实上削弱了西风带这种再平衡机制,导致西风带大幅减弱引发寒潮,这也正是全球整体变暖之下极端天气频发的某种表现。


冷冬与暖冬


所以,暖冬与寒潮并不矛盾,而且今年可能又是一个暖冬,根据国家气候中心最新发布的冬季气候趋势预测:“预计2022年冬季特别是前冬,全国大部地区气温依旧将接近常年同期或偏高”。


提到暖冬的问题,我们就又会想起那对引起中国气候异常的兄妹——厄尔尼诺和拉尼娜。


可千万不要被两兄妹人畜无害的名字欺骗了▼


此刻在遥远的太平洋另一端,秘鲁沿岸的海表依旧呈现出偏冷的状态,今年8月31日,世界气象组织(WMO)官方发布了一篇名为《WMO预测本世纪首次“三重”拉尼娜现象》的文章,文章预测:旷日持久的拉尼娜事件很可能至少持续到年底,成为本世纪首个“三重”拉尼娜现象,即连续三个冬天都发生拉尼娜。


这三年冬季,拉尼娜赖着不走了(图:WMO)▼


当然相比于厄尔尼诺,拉尼娜持续的时间确实会久一些,比如1957~1959年为持续时间最长的厄尔尼诺仅仅24个月,但1998~2001年的强拉尼娜事件持续了32个月,因此今年冬季出现拉尼娜也不算出人意料。


南半球夏季,热带太平洋增暖,造成全球气候变化的就是厄尔尼诺现象(图:NOAA)▼


而“三重拉尼娜”,拉尼娜在一定程度上有利于冬半年的冷空气活动,根据统计数据显示,1950年以来15次拉尼娜事件,10次都对应着我国的冷冬,约是偏暖概率的两倍。


或许这次拉尼娜,带来的又是一次冷冬?▼



但从更长远的时间尺度来看,在全球升温的大背景下,整个北半球的暖冬出现的频率和幅度在增加,极端冷事件应当减少,强度减弱。


1986年以后拉尼娜事件当年出现暖冬的频率增加,其中1998年和2020年是强暖冬。根据国家气候中心最新发布的冬季气候趋势预测,预计2022年冬季特别是前冬,全国大部地区气温依旧将接近常年同期或偏高。


可以说,气候变暖导致了中国的寒潮减少▼


但另一方面,全球变暖牵一发动全身,将会触发整个地球系统各个链条的转变。比如由于全球变暖的不均匀性,北极温度的上升速度是中纬度地区的两到三倍,这将使得北半球南北温差减小,西风变弱从而使得极涡更加不稳定。


而喀拉海、巴伦支海的海冰消失与气温升高也将使得西伯利亚高压增强,可能会给中国带来更多极端寒潮天气。


白令海北部的海冰,冰层撤退速度也在逐渐加快(图:NASA)▼


参考资料:

[1] 中央气象台:寒潮天气将终结南方高温 四川陕西河南山东等地有较强降水 http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xzytq/202210/t20221003_5118634.html

[2] 中央气象台:新一轮较强冷空气将影响中东部地区 四川盆地江汉江淮等地多阴雨 http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xzytq/202210/t20221007_5119787.html

[3] 中国天气网:寒露节气我国冬季版图反超秋季 这些地方昼夜温差可超15℃ https://mp.weixin.qq.com/s/9Y1k_Ep_ymJPczvBwDo0nQ

[4] 中国天气网:降温18℃以上!南方降到预报图发紫 热到破纪录后10月上旬少见的凉来袭 https://news.china.com/domestic/945/20221005/43569386_all.html

[5] 朱干根,林锦瑞等著《天气学原理和方法》第四章:大气环流;第六章:寒潮天气过程

[6] GB/T 20484-2017 中华人民共和国国家标准:冷空气等级

[7] WMO predicts first “triple-dip” La Niña of the century

[8] 赵振国,蒋伯仁,陈国珍,王永光,刘海波,许力.ENSO事件对中国气候的可能影响[J].山东气象,2000,(01):4-12.

[9] 乔雪梅,刘普幸.中国北方地区寒潮时空特征及其成因分析[J]. 冰川冻土, 2020,42(02):357-367.

[10] 李宪之. 东亚寒潮侵袭的研究[M]//中国近代科学论著选刊——气象学(1919 - 1949). 北京:科学出版社, 1955:35 - 117.]

[11] 陶诗言. 东亚冬季冷空气活动的研究.短期预报手册. 中央气象局编(1957)

[12] 江琪, 马学款, 王飞. 2016年1月大气环流和天气分析[J]. 气象, 2016, v.42;No.496(04):128-134.

[13] 康彩燕, 胡钰玲, 王式功. 极涡对北半球冬季气温的影响[J]. 兰州大学学报(自科版), 2017, 53(2):227-234.

[14] 周波涛,钱进.IPCC AR6报告解读:极端天气气候事件变化[J].气候变化研究进展,2021,17(06):713-718.

[15] 中国天气网. 冻成狗?数据告诉你我国寒潮变少了. 2018-01-10. http://www.weather.com.cn/zt/tqzt/2816449.shtml#p=1%EF%BC%89

[16] Overland, J.E., J. Francis, R. Hall, E. Hanna, S.-J. Kim, and T. Vihma (2015):  The melting Arctic and mid-latitude weather patterns: Are they connected? J. Climate, doi: 10.1175/JCLI-D-14-00822.1

[17] Kretschmer M, Coumou D, Agel L, et al. More-persistent weak stratospheric polar vortex states linked to cold extremes[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2018, 99(1): 49-60.

[18] 2022/2023年冬季及2023年春季气候趋势预测 http://ncc-cma.net/climate-pred/?h_id=11858 


本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:小哲,校稿:朝乾,编辑:果

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