极地涡旋以意想不到的方式受 10 月积雪范围的影响，目前预测将出现大范围降雪？
文摘
科学
2024-10-15 15:59
美国
全文约 4,407 字，大约需要 18 分钟时间阅读。
北半球冬季天气模式是由不同的驱动因素造成的。新数据和研究表明，10 月份北半球积雪面积扩大起着非常重要的作用。它会间接影响极地涡旋，对美国、加拿大和欧洲等冬季天气产生长期影响。大气环流非常微妙和复杂，因此较大的异常现象会导致气流严重失衡。秋季较大的积雪范围可能使极地涡旋不稳定，从而形成更加紊乱（更冷）的冬季气压模式。首先，本文将快速回顾极地涡旋及其工作原理。然后，将看到 10 月份的积雪量增加如何在冬季给美国、加拿大和欧洲等冬季带来更多降雪和寒冷。此外，将分析积雪范围的现状以及其在 2024/2025 年寒冷季节的增长程度。 极地环流
随着秋季的到来，极地地区开始降温。随着太阳位置变低，到达北极的能量也随之减少。但随着极地温度下降，更南部的大气仍然较为温暖，因为它仍然接收来自太阳的光和能量。这导致极地和亚热带地区之间存在巨大的全球气压差，北半球开始形成大型低压（气旋）环流。这个环流从地表层一直延伸至平流层高处，这就是所谓的极地涡旋。下图是极地涡旋的三维图像，显示了涡旋从较低层一直延伸到平流层。为了更好地展示结构呈现视觉效果，垂直轴被大大增强了，可以看到冬季极地涡旋的实际结构。上层（平流层）的部分较为圆形且对称，因为它在地面以上较高处旋转，且受到的干扰较少。但极地涡旋的下层结构则更不规则和紊乱，这是由于地形/山脉以及强大的压力系统作为流动中的障碍物所致。下图中，可以看到一个冬季中层平流层约 30 公里（18.5 英里）高度处的高空极地涡旋的示例，为冬季的典型形态。它通常呈圆形，最强时其核心温度可低至 -90℃ (-130°F)。更强的风通常出现在外缘，称为“冲浪区”。描述极地涡旋时，风非常重要，因为它们通常最先显示某些事物正在发生变化。总之，极地涡旋就像一个巨大的气旋，覆盖整个北极至中纬度地区。它贯穿整个大气层，从地面一直到平流层顶部，但在不同的高度上形态各异。正常状态的极地涡旋，在冬季极地涡旋呈一个强而稳定的气旋，围绕极地地区旋转。涡旋中心通常位于极地地区上空，位置相对稳定。涡旋的形状比较圆整，冷空气被牢牢“束缚”在极地地区。监测极地涡旋任何活动，因为它可能会影响整个北半球的天气，尤其是在冬季，无论它是弱是强。强极地涡旋通常意味着强大的极地环流。这通常会将较冷的空气锁定在极地地区，为美国、欧洲大部分地区带来较温和的气候。相比之下，弱极地涡旋可能导致弱急流模式。它更难控制冷空气，冷空气可能会从极地地区逃逸到美国和/或欧洲中纬度地区。图片来自 NOAA。为了更清楚地了解极地涡旋，根据数据制作了一段高分辨率视频，显示了涡旋在北半球平流层 30 mb 水平（22 公里/14 英里高度）旋转的情况。从视频中能了解到的最重要的一点是，极地涡旋不仅仅是一场冬季风暴或从美国中西部移动到美国东北部的寒流。极地涡旋是一个巨大的气旋区，横跨整个北半球，从地面一直延伸到平流层顶部及更远的地方，达到超过 50 公里 / 31 英里。它对北半球的天气模式和环流起着重要作用。 从 10 月降雪到冬季寒冷
极地涡旋非常重要，即使在冬季到来之前也是如此。许多因素都可以对其产生长期影响。秋季较低空的大气模式有一种特殊的方式可以长期影响极地涡旋。天气模式可以通过在西伯利亚上空形成广泛的积雪范围（指积雪覆盖面积）来影响极地涡旋。多项研究证明，10 月份西伯利亚的积雪范围会在后期削弱平流层极地涡旋。下图是一个简单的逐月示意图，显示了西伯利亚高积雪范围如何在冬季影响平流层极地涡旋的时间线。由于积雪覆盖，该地区可能会形成更强的冬季高压系统。然后，这个更强的高压区会影响极地涡旋，因为它有助于将更多的垂直能量传送到平流层。较弱的极地涡旋自然意味着较弱的极地环流，冬季出现冷空气的可能性更大。下面，可以以看到极地涡旋环流变化的简化示意图。下图显示了 10 月份欧亚大陆和北美的积雪范围，与 12 月份平流层极地涡旋的强度（以平流层极地急流的强度来衡量）之间的关系。年份按照欧亚大陆 10 月份积雪量从左到右排列，从最高到最低。观察上图，可以找出积雪量最多的 5 年，并将其后的冬季与积雪量最少的 5 年冬季进行比较。10 月积雪量最多的 5 年分别是 1976 年、2014 年、2016 年、2002 年和 1968 年。以下是这 5 个冬季的气压异常图，展示了10 月份最高积雪量后随之而来的冬季。可以看到一个非常“有趣”的模式：极地地区高压和被扰乱的环流；低压区域从美国东部一直延伸到北大西洋。这种气压模式造成的冬季气温异常也很“有趣”，较冷的空气被释放到中纬度地区。可以看到美国北部和东部以及欧洲大部分地区都出现了冷空气。由此可见，10 月积雪范围越大，可能意味着冬天越寒冷，并且美国和欧洲的降雪量也越多。因此，如果是冬季寒冷和降雪的爱好者，那么 10 月份大面积积雪可能是喜闻乐见的。 冬季极地涡旋转变
使用同样 5 个 10 月降雪量最高的年份，还需观察平流层极地涡旋及其环流。通常使用 10mb 水平（30 公里/18.5 英里高度）来代表平流层。从下方积雪范围较大的年份中，可以看到平流层内较高的气压趋势。这意味着极地涡旋较弱，并且伴随着耦合效应，与之相关的低层环流也减弱。这种模式有助于冷空气从极地区域逸出。下图显示了相同年份的平流层温度。可以看到极地及其周围区域上空存在强烈的升温趋势。这进一步显示，随着 10 月份积雪范围的扩大，之后冬季平流层中的极地涡旋减弱过程。然而，全球环流的强度不仅通过气压和温度来衡量，还包括风速。如前所述，使用风速来监测极地涡旋的状态（正常情况下强而稳定的气旋状况）。因此，下面将比较两张具有高积雪范围年份的垂直风速和温度模式图。下图显示了欧亚大陆高积雪覆盖之后每个月的大气异常情况。每个月左侧方框中为温度异常，右侧方框中为风速异常。图片来自 Martin Wegmann 等人的研究。这表明，在西伯利亚积雪范围较大的年份，极地涡旋会变得更暖和、更弱。这对北半球整体环流和天气模式产生了影响。请记住，冬季极地涡旋及其环流越弱，天气模式就越容易被扰乱。这使得冷空气更容易逃离北极圈，并向南进入美国、加拿大和欧洲等中低纬度地区。那么，既然我们知道了 10 月份的积雪覆盖范围对环流和天气的影响，那么目前的数据如何？本月剩余时间的降雪预报又如何呢？ 北半球积雪
以下为 GFS 模型（由 NCEP 运行）的高分辨率积雪深度分析，显示了北半球被雪覆盖的区域。可以看到西伯利亚的积雪范围相当显著，而北美的积雪范围略小。可以从罗格斯大学（Rutgers）的积雪异常分析。它显示了北半球积雪量与正常值之间的差异。西伯利亚存在大面积的积雪覆盖异常，如上文分析所示。目前，已经看到西伯利亚的降雪量高于往年。下图显示，欧亚大陆的积雪覆盖范围略 1,000 万平方公里，远高于往年同期的平均水平，是过去 20 年中的第 3 高的。下一张图片来自加拿大冰冻圈机构，展示了欧亚大陆积雪范围异常。最新数据点显示，积雪面积持续快速上升，且已超出同期正常水平。 降雪预报
本月还剩 2 周，查看以下 7-11 天的气压异常预报，可以看到西伯利亚地区有利于更多积雪的模式正在发展。该地区预计会出现大范围的低压区，这将带来更多降水和降雪。观察以下 16 天积雪深度变化预报，可以看到积雪深度和范围有显著增加。蓝色区域表示降雪量和积雪深度的增加。从北美到西伯利亚的所有区域，积雪覆盖面积都将扩大。这得益于有利的气压模式。甚至可以看到美国西北部落基山脉、美国中西部偏北地区以及远东北部也出现了一些积雪迹象。然而，从这个预报中无法看到的是，相较于同期正常积雪范围的偏离情况。一旦分析结果可用，将能够从分析中看到积雪覆盖的异常情况，从而更明确地了解今年 10 月降雪量的潜在作用/影响。 2024/2025 年初平流层异常
直接进行平流层气压异常分析，可以看到一个不寻常的模式。极地涡旋西侧的平流层存在高压异常。这对极地涡旋造成了压力，限制了其强度，而此时它本应迅速加强。平流层温度异常预报也显示，北极圈西半部存在升温异常。这进一步表明，在 2024/2025 年初期就已经出现了弱于正常情况的极地涡旋。以下是 10mb 平流层纬向风速的预报。它显示 12 月至 1 月期间平流层风速的减弱。由于风与极地涡旋的强度直接相关，可以将此视为极地涡旋减弱的信号，这也证实了 10 月降雪量增加的迹象。每当看到极地涡旋周围风速的减弱时，这直接表明整体环流正在发生一些变化。在大多数情况下，这种长期风速异常可能预示着冬季发生突然平流层变暖事件的潜在可能性。 极地涡旋与平流层变暖
总结一下，从这一发展中可以得出一个主要结论：数据显示，10 月份西伯利亚积雪覆盖的增加会导致该地区的高压系统增强。这个高压系统在冬季有助于向平流层输送更多垂直能量，这股能量会削弱并破扰乱地涡旋和极地环流。如果极地涡旋在冬季处于较弱状态，则更容易发生极地涡旋全面崩解事件。随着气压系统变得更强，且更多能量向上进入平流层，极地涡旋可能会达到完全崩溃的程度。这种现象被称为突然平流层变暖事件（SSW），意味着平流层发生强烈变暖事件和极地涡旋随之崩溃。下图显示了 SSW 事件发生后 0-30 天的平均气温。可以看出，美国大部分地区和欧洲的气温都低于正常水平。注意：这是多次事件的平均值，个别情况可能有所不同。观察降雪情况后发现，极地涡旋崩溃事件发生后，美国东部和欧洲等大部分地区的降雪量往往高于平均水平。同样，这也是预期的结果，因为通常情况下，在平流层大幅变暖后，较冷的空气更容易向南扩散进入这些地区。如您所见，极地涡旋的强弱会显著改变冬季天气。因此，密切关注与极地涡旋相关的天气模式及所有动态。虽然努力使信息保持严谨和正确，但本订阅号不就以下方面的完整性、准确性、可靠性、适用性或可用性做出任何明示或暗示的陈述或保证出于任何目的使用本订阅号或订阅号上包含的信息、产品、服务或相关图形。因此，您对此类信息的任何依赖均由您自行承担风险。在任何情况下，本订阅号均不对任何损失或损害承担责任，包括但不限于间接或后果性损失或损害，或因使用本号引起或与之相关的数据或利润损失而引起的任何损失或损害。版权声明
本订阅号及其内容，除非获得明确的书面许可，否则您不得分发或商业利用内容。您也不得将其传输或存储在任何其他网站或其他形式的电子检索系统中。措辞和相关常识如有不对，欢迎指正；
