李存東
中國科學院大學物理學院
培養(yǎng)單位：中科院物理所
前兩天是小寒，俗話說得好：小寒時處二三九，天寒地凍冷到抖。小寒節(jié)氣通常即將意味著進入三九，因此小寒大寒期間一般是全年中最冷的時候，可今年的小寒似乎有一種溫暖如春的感覺，仿佛春天的腳步已經(jīng)近了。不過俗話還說得好：小寒不寒大寒寒，說不定冷日子還在后頭呢。
去年 12 月份的嚴寒想必大家還歷歷在目，今年早冬，全國經(jīng)歷了兩次大范圍寒潮天氣，不少廣東的同學連羽絨服都翻出來了，那么我們不禁產(chǎn)生疑問，這幾天的溫暖能持續(xù)下去嗎？今年冬天到底是冷冬還是暖冬呢？三重拉尼娜是個啥，對今冬的天氣到底有什么影響？
首先回答第一個問題，這幾天的溫暖即將結束，接下來，西伯利亞高壓將重新組織冷空氣南下，幾乎全國都將迎來降溫天氣。更壞的消息是，由于這兩天實在是太暖和了，這次降溫將格外突出，全國大范圍地區(qū)都將迎來超過 10℃的降溫，15℃的降溫也將非常普遍，部分地區(qū)甚至將迎來超過 20℃的降溫?？纯聪旅孢@張預警圖，分分鐘讓你見識見識什么叫三九天。大家可以把大棉襖二棉褲都翻出來了
。
第二個問題，今年的是冷冬還是暖冬？這我哪知道。天氣變化是典型的復雜動力學，拿過諾貝爾物理學獎的，我要是能研究透了，早就飛黃騰達了。至于第三個問題，我們放在文末回答吧，不然我擔心你們看不完。
啥是寒潮
我國冬天面臨的極端天氣主要就是寒潮了，寒潮本質上就是極端強大的冷空氣。
顧名思義，冷空氣與普通空氣的差異就是氣溫了，位于低溫區(qū)的空氣就是冷空氣，它會使所經(jīng)地區(qū)的氣溫下降，影響我國的冷空氣一般來自西伯利亞或更遙遠的北極。根據(jù)強弱程度，我國將冷空氣劃分為五個等級：弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣以及寒潮。這里的劃分原則是根據(jù)受冷空氣影響的地區(qū)，日最低氣溫下降幅度和日最低氣溫值兩個指標來劃分的。
不難看出，寒潮就是冷空氣，只是它是最強的冷空氣。寒潮是指冬半年極地或高緯度地區(qū)的強冷空氣大規(guī)模地向中、低緯度地區(qū)侵襲，造成大范圍劇烈降溫和偏北大風的天氣過程，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍。
寒潮的標準是：某地的日最低氣溫 24 小時內(nèi)降溫幅度大于或等于 8℃，或 48 小時內(nèi)降溫幅度大于或等于 10℃，或 72 小時內(nèi)降溫幅度大于或等于 12℃，而且該地日最低氣溫下降到 4℃或以下。
我國針對寒潮災害也是有相應的氣象預警體系的。寒潮預警信號同樣分四級，分別以藍色、黃色、橙色、紅色表示：
寒潮藍色預警信號。標準：48 小時內(nèi)最低氣溫將要下降 8℃以上，最低氣溫小于等于 4℃，陸地平均風力可達 5 級以上；或者已經(jīng)下降 8℃以上，最低氣溫小于等于 4℃，平均風力達 5 級以上，并可能持續(xù)。
寒潮黃色預警信號。標準：24 小時內(nèi)最低氣溫將要下降 10℃以上，最低氣溫小于等于 4℃，陸地平均風力可達 6 級以上；或者已經(jīng)下降 10℃以上，最低氣溫小于等于 4℃，平均風力達 6 級以上，并可能持續(xù)。
寒潮橙色預警信號。標準：24 小時內(nèi)最低氣溫將要下降 12℃以上，最低氣溫小于等于 0℃，陸地平均風力可達 6 級以上；或者已經(jīng)下降 12℃以上，最低氣溫小于等于 0℃，平均風力達 6 級以上，并可能持續(xù)。
寒潮紅色預警信號。標準：24 小時內(nèi)最低氣溫將要下降 16℃以上，最低氣溫小于等于 0℃，陸地平均風力可達 6 級以上；或者已經(jīng)下降 16℃以上，最低氣溫小于等于 0℃，平均風力達 6 級以上，并可能持續(xù)。
寒潮的災害是顯而易見的，它具有降溫幅度大、影響范圍廣、致災嚴重等特點，對我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活都有巨大危害。
對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，寒潮有可能會凍死一些越冬的農(nóng)作物，直接暴露在野外植物有可能會因為劇烈的降溫導致體內(nèi)的生理水結冰對植物造成不可逆的傷害，種植在溫室大棚中的植物也可能會因為大風或降雪吹垮或壓塌大棚而被凍死。連日的降水還有可能造成一些處于開花、結果等關鍵時期的植物減產(chǎn)。
對交通運輸，寒潮帶來的降溫降水可能引發(fā)道路積雪、道路結冰，能見度低等現(xiàn)象，妨礙行車，影響交通。
對電力運輸，寒潮引發(fā)的凍雨天氣會使電線上積滿雨凇，增加電線及電塔的負荷，配合大風天氣有可能壓斷電線及電塔，造成電力輸送、網(wǎng)絡通信輸送中斷。
對人而言，寒潮極易引發(fā)感冒，同時降溫也會造成血管收縮，容易誘發(fā)肺部疾病及心血管疾病。
我國近年寒潮的趨勢
提到氣候變化，想必大家首先想到的就是全球變暖，的確，全球氣溫正在加速上升是確鑿無疑的，這是我們必須要要面對的不爭的事實。在政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱 IPCC）最新發(fā)布的第六次評估報告中明確指出，全球地表溫度較工業(yè)革命前升高約 1℃，全球變暖趨勢顯著，在 IPCC《特別報告》(IPCC, 2018) 中指出，受到全球變暖的影響，全球氣溫在 20 世紀中葉將升高 1.5°C，甚至加速到來，其帶來的氣候變化也十分劇烈。
由于全球變暖，我國過去幾十年，冬天確實也變得越來越溫暖。但對于歐亞大陸或者更局限一些，對于我國，冬天的氣候變化不是一句變暖就可以概括的。
我國的冬季平均氣溫呈現(xiàn)明顯的年代際變化特征。大約在上世紀六十年代至八十年代中期，我國冬季大致處于冷期，東亞冬季風較為活躍。上世紀八十年代中期至本世紀初，東亞冬季風明顯減弱，我國處于暖期，冬季平均氣溫升高，極端天氣發(fā)生減少。但在本世紀，尤其是 2008 年之后，我國冬季氣溫變暖趨勢減緩，甚至可以說進入冷期，極端天氣變得更加頻繁。
2008 年，我國就經(jīng)歷了 50 年一遇的大范圍雨雪降溫天氣，部分地區(qū)降溫幅度百年難遇，給我國帶來巨大災害。2016 年 1 月 21-25 日，中國發(fā)生“霸王級”寒潮, 此次強寒潮天氣過程，降溫劇烈，全國多地最低氣溫跌破歷史極值。更近一些大家可能印象更深，2020 年底，2021 年初，包括剛過去的 2022 年 12 月，我國都有全國范圍的寒潮天氣造訪，這些寒潮天氣的影響范圍都深入了廣大的江南地區(qū)，直至廣東。
就在現(xiàn)在，地球另一面的美國正在經(jīng)歷嚴重的冬季風暴，這場冬季風暴從去年年底開始肆虐，幾乎橫掃美國全境。如果你去搜索相關詞條，你就會發(fā)現(xiàn)，美國去年也經(jīng)歷過全國范圍的冬季風暴，去年的冬季風暴甚至使得德州進入緊急狀態(tài)。事實上，由于地形等因素，美國冬天的極端天氣比東亞地區(qū)更頻繁。
但實際上，全球變暖并不是一句謊言，北極地區(qū)的升溫速度遠遠高于其他地區(qū)，這導致北極海冰面積大幅減少，影響了極地海洋與大氣的熱交換，間接影響了歐亞大陸的氣候。有學者提出，近些年，歐亞大陸呈現(xiàn)“北極暖，歐亞冷”的模態(tài)。北極氣候變化可能是歐亞大陸極端天氣頻發(fā)的內(nèi)在原因，當然有關北極增暖與北半球中緯度地區(qū)極端天氣的影響機制，目前還存在爭論。
西伯利亞冷高壓
我國屬于典型的季風氣候，冬季，副熱帶高壓減弱，冬季風主要受西伯利亞高壓影響。
我們還是先來了解一下西伯利亞高壓，這是我國冬季冷空氣的直接影響因素。
說起西伯利亞高壓，其實這里的冷空氣并不是發(fā)源于西伯利亞，而是發(fā)源于北極，北極的冷空氣南下往往都會在西伯利亞地區(qū)聚集，因此稱為西伯利亞冷高壓。
在高中地理中，我們應該都學過三圈環(huán)流，三圈環(huán)流在極地會造成冷空氣下沉，低空形成冷性高壓，高空則是冷性低壓，極地的冷空氣會與副極地低壓帶形成環(huán)流。但當冬季到來，極地氣溫降低，冷空氣下沉更加強烈，在近地面受山脈阻攔，環(huán)流將中止，極地的冷空氣會就地旋轉形成北極渦旋。但由于海陸熱力性質差異，冬季北極渦旋的中心往往不在北極地區(qū)，而是會發(fā)生偏心。
北極渦旋通常有兩個中心，分別在加拿大的巴芬島和西伯利亞東北部，它們分別控制著西北半球和東北半球的高緯度氣流。當北極渦旋中心向南發(fā)展時，往往就意味著冷空氣要來了。
影響我國的冷空氣論其根源，大致有三個，分別在新地島以西、以東、以南洋面上，其中新地島以西、以東洋面上的冷空氣來自西伯利亞東北部的北極渦旋中心，而新地島以南洋面上的冷空氣則來自于加拿大巴芬島的北極渦旋中心。我這么說大家可能覺得很近，但你看地圖就知道為啥說是三個發(fā)源地了。
冷空氣從這三個發(fā)源地出發(fā)，經(jīng)過三個路徑進入寒潮關鍵區(qū)：
西北路徑：新地島以西的冷空氣經(jīng)過巴倫支海、俄羅斯歐洲地區(qū)進入我國。是影響次數(shù)最多（約占 50%）、達到寒潮強度最多的一路冷空氣，也是經(jīng)常影響冬季新疆的冷空氣路徑；
超極地路徑：新地島以東洋面的冷空氣多經(jīng)喀拉海、泰米爾半島、中西伯利亞進入我國。它出現(xiàn)的次數(shù)少（約占 20%），但氣溫低，容易達寒潮強度。常見于冬春季；
西路路徑：冰島以南洋面的冷空氣經(jīng)俄羅斯歐洲南部或地中海、黑海、里海的北部進入我國。冷空氣出現(xiàn)的次數(shù)約占 30%，由于此源地氣溫比其它源地高，一般達到寒潮強度的少，但在東移過程中與其它源地冷空氣匯合后可達到寒潮強度。常見于春秋季。
寒潮關鍵區(qū)就位于西伯利亞中部，位置大約是 70-90°E，43-65°N，95% 的冷空氣都將進入這個地區(qū)，并在這里積累加強，當冷空氣積累到一定程度時，就將繼續(xù)南下，進入我國的冷空氣主要有四條路徑：東路、西路、中路和東路加西路。
極端天氣怪誰
極端低溫事件往往與多個大氣環(huán)流系統(tǒng)存在聯(lián)系，單獨一個大氣環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生異常是非常常見的，在這樣的異常下往往只能造成有限的影響，而極端低溫事件的形成條件需要多個大氣環(huán)流系統(tǒng)同時出現(xiàn)異常并形成配合。除了大家熟知西伯利亞高壓以外，與極端低溫天氣有關的大氣環(huán)流異常還有極渦與阻塞高壓。
先說極渦，其實前文已經(jīng)介紹過它了，就是北極渦旋。這里的極渦其實應該是極地渦旋，簡稱極渦。極地渦旋是環(huán)繞地球南北極區(qū)的氣旋式渦旋，南北極都有，只是南極渦旋明顯對我國無法造成明顯影響，因此我國冬天的天氣，還是要看北極渦旋的臉色。
極渦是位于對流層中上層至平流層的大范圍空氣團，其形態(tài)、強度、面積等特征可以顯示出影響我國的冷空氣強度。研究發(fā)現(xiàn) 2007/2008 年冬季平流層發(fā)生強極渦事件后，行星波異常南伸，有利于冷空氣向歐亞大陸南部輸送，從而造成 2008 年 1 月南方低溫雨雪冰凍災害。據(jù)統(tǒng)計，在 10 個冬半年影響我國的 171 次寒潮中，有 102 次是亞洲上空出現(xiàn)持久極渦，其中 6 次強寒潮過程都與極渦在亞洲上空的位置明顯偏南相關。
有一個我覺得很有趣現(xiàn)象是，研究發(fā)現(xiàn)，當極渦偏弱時，北半球中高緯度冷空氣爆發(fā)的概率提高 50%。當極渦偏弱時，亞熱帶氣團會北上，將北極渦旋擠到南方去，這時冷空氣就將南下，沖擊歐亞大陸和北美大陸了。至于這股亞熱帶氣團，其實也是大家的老朋友了，一般就是北大西洋暖流。
再說阻塞高壓，阻塞高壓來自于盛行西風帶。
西風帶是位于中緯度對流層的主要平均水平環(huán)流，將極地渦旋包圍在其中，通常會阻攔極地冷空氣南下。但西風帶并不是平直的，由于大氣渦度，西風帶實際上是波狀流型的。平均而言西風帶冬季有三個槽脊，夏季則有四個，這種波狀流型就被稱為西風帶波動。其波動的主要特征就是緯向環(huán)流和經(jīng)向環(huán)流的維持及其間的轉換。
西風帶的波動按波長可以分為三類：超長波、長波及短波。超長波波長在 10000 公里以上，呈準靜止，屬于中長期天氣過程；長波波長在 3000-10000 公里，長波具有一定移速，有時也呈準靜止，甚至會向西倒退，其變化通常會導致一般天氣系統(tǒng)及天氣過程發(fā)生明顯變化；短波波長和振幅都比較小，移速更快。
在中高緯度地區(qū)，長波的波長可以達到與地球半徑相似，故稱行星波或 Rossby 波，長波從對流層中下層至平流層的底層都可以看到。
西風帶并不穩(wěn)定，當西風帶長波槽脊顯著加強，長波脊中往往可以形成閉合性暖高壓，成為阻塞高壓，在其一側或兩側可以形成閉合的冷低壓，成為切斷低壓。阻塞高壓將西風急流分為南北兩支，維持時間一般在 5 天以上，其西側盛行偏南氣流，氣候溫暖多陰雨，東側盛行偏北氣流，氣候晴好。阻塞高壓主要出現(xiàn)在北半球，例如亞洲常出現(xiàn)的烏拉爾山阻塞高壓，其可以阻礙西風東移。
但當阻塞高壓崩潰時，往往導致冷空氣快速向西南爆發(fā)。當阻塞高壓西部有西風槽入侵時，阻塞高壓將崩潰，由于阻塞高壓很大概率會形成橫槽，而其崩潰時會造成橫槽轉豎，因此可以使得堆積的冷空氣沿著轉豎的橫槽一路南下，造成寒潮天氣。
寒潮
簡單總結一下，正常的冷空氣是來自北極的空氣在西伯利亞堆積后南下，由于后繼乏力，再加上沿途的阻礙，對我國影響比較有限，尤其是越過秦嶺山脈之后，通常不會對南方造成劇烈傷害。
但當大氣環(huán)流發(fā)生異常時，位于北極的極渦發(fā)生偏心，冷鋒南壓，再經(jīng)過西風帶大型長波槽 —— 烏拉爾山阻塞高壓 —— 的引導，冷空氣將源源不斷地向西伯利亞堆積，提供充足的冷空氣，最終造成對我國的大范圍持續(xù)影響，就是寒潮。這時，海拔較低的秦嶺無力阻擋冷空氣南下，寒潮將席卷江南，甚至可以到達嶺南，直至南海。當然，冷空氣的形成到達廣東一般也就結束了，海上還是副熱帶高壓的天下。
其他因素
當然，天氣的變化還是非常復雜的，寒潮的發(fā)生也遠遠不是三言兩語就能解釋清楚的。例如，有研究指出，北極濤動與歐亞大陸的寒潮存在關聯(lián)，我們也可以通過北極濤動指數(shù)監(jiān)測極端事件。北極放大效應使得極渦減弱，加劇了極渦冷空氣分裂南下。ENSO 事件與極端低溫事件可能也存在內(nèi)部關聯(lián)，這里的 EN 指的是厄爾尼諾現(xiàn)象，SO 指的是南方濤動。
拉尼娜事件是影響全球氣候的重要因素之一。最新監(jiān)測表明，赤道中東太平洋拉尼娜事件還在持續(xù)，預計此次拉尼娜事件將持續(xù)至 2022/2023 年冬季，這將是 21 世紀首次出現(xiàn)“三重”拉尼娜事件。這里的三重拉尼娜并不是拉尼娜連續(xù)出現(xiàn)三年，而是一次拉尼娜持續(xù)了三年。
不過，國家氣候中心氣候服務首席專家周兵表示，“三重”拉尼娜事件并非一年一年不斷疊加，在第三年集中“放大招”。因此，雖然在一定程度上具有累積效應，但不代表氣候影響會加倍呈現(xiàn)，今年出現(xiàn)冷冬的可能性很小。
只能說，天氣作為典型的復雜動力學，想要研究透徹是非常難的，礙于篇幅所限，我們這次也只能講到這，或許以后有機會可以再就一些問題跟大家接著聊聊。
參考資料：
【原創(chuàng)科普文章】寒潮的影響與防范
“高冷”寒潮來了，這些你應該知道！
影響我國的冷空氣到底從何而來？真的是西伯利亞嗎？
極地渦旋_極地渦旋是什么意思
全球變暖 寒潮極端性更強
淺談西風槽
南大天氣學原理第四章 3.ppt
阻塞高壓_阻塞高壓是什么意思
劉子奇.我國大范圍極端低溫事件年代際變化及其天氣成因 [D].蘭州大學，2022.
劉明歆.中國兩類極端低溫事件特征及其大氣環(huán)流成因 [D].蘭州大學，2021.
徐鑫萍.北極增暖與歐亞冬季氣候間的聯(lián)系及物理機制研究 [D].南京信息工程大學，2020.
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：李存東
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