浅析全球变暖与局地极寒现象间的关系

胡琼辉 宋荣荣

摘 要：近些年来，全球变暖不仅正在发生，而且已在全球范围内造成了巨大危害，如海平面上升淹没沿海地区，洪涝、干旱等极端天气事件频发等;但与此同时，局部地区的极寒现象也多次发生。为研究“极寒天气”这种极端气象的出现与气候变化有无关系以及说明全球变暖和局地极寒现象的出现之间是否矛盾。首先，引入“极地涡旋”的概念，从气候推动“极地涡旋”产生移动来说明“极寒天气”的出现与气候变化之间的关系，结论表明恰恰是气候变暖造成了极寒天气的出现。其次，以海洋表面温度数据为基础建立了解释极寒天气的间接模型，通过剖析北极地区相对于中纬度地区的平均海洋表面温度弹性E，最终得出了极寒天气在北半球的高中纬度地区出现得更加频繁的实证原因。最后，通过对模型结果的分析，发现全球变暖和局部“极寒天气”的出现之间并不矛盾。

关键词：全球变暖;极寒天气;极地涡旋;气候变化

根据欧盟发布的数据显示，过去5年全球平均气温相比工业化之前已经上升了1.1℃。无独有偶，世界气象组织去年指出，全球变暖趋势仍在继续，有记录以来20个最热年份都出现在过去22年，其中最近4年包揽了排行榜的前4位。[1]此外，2019年1月3日以来，美国中部、中东部、东南部和中西部等地区，连续遭遇极寒天气影响，大雪、暴雪、暴风雪连连不断，气温也连创历史新低，1月30日，中西部地区的最低气温竟然达到-48℃左右。根据美国气象部门检测，气温在中西部明尼苏达州和南北达科塔州等部分地区达到了零下45℃。同时，加拿大、德国、法国、英国、奥地利和俄罗斯等多国也相继出现了大到暴雪，积雪厚度达1-2米左右，局地厚度甚至达到了3米，极寒天气笼罩了欧洲。这次的欧美寒潮引发了一波关于全球变暖的热议，迫使许多机构再次重申局部极寒天气不等于全球气候的道理。此外，美国国家海洋和大气管理局对寒潮进行了详细的解释：“极地涡旋”近来稳定性失衡，导致本应在北极上空的冷空气南下，侵入美国上空，带来了寒潮;但此次“极地涡旋”不稳定的原因目前难以追溯。从全球范围看，全球变暖仍是大势所趋。

本文主要通过引入“极地涡旋”的概念，来说明“极寒天气”这种极端气象的出现，与气候变化之间的关系。并利用收集整理得到的相关数据建立相应的解释模型，来说明全球变暖和局地极寒现象的出现之间是否存在矛盾。

1 极寒天气与气候变化

1.1 极地涡旋

地球南北两极的地磁将来自宇宙的冷气阻挡在地球之外，但同时使南北两个地极上空形成极地漩涡，气象学称之为极地涡旋（polarvortex），简称极涡，是极地高空冷性大型涡旋系统和极区大气环流的组成部分，其所处位置、涡旋强度和移动路径会对极区和高纬地区的天气产生重要影响。[2]原因在于，极地是地球的冷极，相应地极地上空的大气就成为了全球大气的冷源，因而在极地低空形成冷性高压，在极地上空则形成冷性低压。

极涡的位置和活动范围时有变化，在冬半年尤其活跃;极涡的活动演变比较复杂，其闭合中心有时会分裂成若干个，当偏离极地南下移动时，就会导致极端天气增多。

据统计，在总计10个冬半年里影响我国的171次寒潮中，有102次是亚洲上空出现持久极涡，其中6次強寒潮过程都与极涡在亚洲上空的位置明显偏南相关。[3]

1.2 极寒天气与气候变化的关系

极地涡旋持续和大规模存在于对流层上部和平流层中部，原先保持着相对稳定，但全球变暖后，由原有的稳定转趋活跃，有可能出现小涡旋，北极极地漩涡产生的小涡旋往南偏移，就会造成某一个区域被“速冻”。当暖湿空气侵入北极圈时，它会削弱极地旋涡的威力，挤压冷气团，将其向南推动到欧洲、亚洲和美国。在美国气象学会期刊上发表的一篇研究论文中提出了这方面的证据，气候变化促成更加极端的极地旋涡南移现象，向更低维度的地区“投放”冷空气。此前一些研究也表明，北极地区的快速升温可能导致更加不稳定的气流，造成更多的的极端天气现象。

涡旋的稳定依赖于温差。以北极涡旋为例，当南边温度很高，北边温度很低时，中间会形成温度梯度，就会形成一个很强的西风带，环绕包裹着北极涡旋，就出现了所谓的“北极增暖效应”，也就是说北极地区的增暖是全球平均增暖的数倍，故又称之为北极放大效应。当全球增暖时，北极会增暖更多，这样一来，南北的温差就会减少，梯度也就下降，西风带减弱，极涡变得不稳定，原本平直的西风带就会成波浪状，暖空气向北，冷空气向南，北极涡旋就会携带着寒冷空气南下侵袭宜居的中纬度地区。[10]

因此，通过引入“极地涡旋”的概念，从气候推动“极地涡旋”产生移动来分析“极寒天气”的出现与气候变化之间的关系，结果表明，恰恰是气候变暖造成极寒天气的出现。

2 全球变暖和局地极寒现象

2.1 极寒天气的解释模型

极寒天气的其中一种解释是，存在于北极的涡旋因为全球变暖的不均衡性而稳定性变弱、波动性增强。[11]而这种全球变暖的不均衡性较之前变得更强烈，是可以借由已获取的洋表面温度（SST）（具体数据见附件1）数据集合来予以证明的。北极地区使用数据组中1-11来获取北纬68°以上的海洋表面温度（SST），中纬度地区则使用数据组中15-30来获取60°N-30°N的范围（具体数据见附件2）。

首先，抽取{1854，1864，1874，…，2014，2019}这一年份集合中的北极地区海洋表面温度（SST）数据;然后，抽取{1854，1864，1874，…，2014，2019}这一年份集合中的中纬度地区海洋表面温度（SST）数据;最后，计算出北极地区、中纬度地区的海洋表面温度（SST）数据，因为除了2019年和2014年外，其他年份间都是以10年为间隔的，所以这里2019年的数据需要做加倍化的调整（具体数据见附件2）。

本模型初步设立为平均海洋表面温度弹性（E）关于北极地区和中纬度地区海洋表面温度（SST）数据的一个二元线性模型，模型结构为：

其中，SSTM表示北极地区海洋表面温度数据，SSTN表示中纬度地区海洋表面温度数据。

结果发现：1944年之前，该弹性E基本都小于1;1944年以后则大都大于1;在2014年和2019年的弹性E更是达到了4.7和9.4。当弹性大于1时，在海洋表面温度（SST）的增长上，北极地区相对中纬度而言更加敏感，两个海洋区域的温度分配（即能量获取）更加不平衡，北极会获得更多的能量，进而对原有的北极涡旋结构造成更大的冲击，使得近些年的极寒天气在北半球的高中纬度地区出现的更加频繁。

2.2 全球变暖和局地极寒现象的关系

“极寒天气”的出现，与气候变化之间有关系。气候变暖后，暖湿空气侵入北极圈削弱极地旋涡的威力，将冷气团推动到欧洲、亚洲和美国，造成“极寒天气”现象的出现。此外，北极地区的快速升温可能导致更加不稳定的气流，造成更多的的极端天气现象，而北极增暖效应就恰好导致了该现象的恶化，使寒冷空气一路侵袭至中纬度地区。

利用海洋表面温度数据可以建立极寒天气的解释模型。该模型通过剖析北极地区相对于中纬度地区的平均海洋表面温度弹性E，来分析两个海洋区域温度分配（即能量获取）的平衡差异，进而分析原有的北极涡旋结构可能遭受的冲击，最终得出了极寒天气在北半球的高中纬度地区出现得更加频繁的实证原因。

全球变暖和局部“极寒天气”的出现之间并不矛盾，“极地涡旋”模型和利用海洋表面温度数据可以建立说明极寒天气的间接模型都详细而有力地证明了这一点。

3 结论

全球变暖是一个非常开放的问题，气候变化所带来的影响也有很多，包括对生态生物系统的影响、人类社会生活的影响、社会经济活动的影响。同时，解释模型的选取也是多种多样的，所获得的结论也可以是各不相同的。

本文主要研究了三个问题：“极寒天气”的出现与气候变化之间是否有关系，如何说明“极寒天气”发生的原因与规律，以及全球变暖与局部“极寒天气”之间是否存在矛盾。

首先，在引入“极地涡旋”的概念后，从气候推动“极地涡旋”产生移动来说明“极寒天气”的出现与气候变化之间的关系，发现恰恰是气候变暖造成了极寒天气的出现;其次，本文采用了以海洋表面温度数据为基础的说明极寒天气的间接模型，通过剖析北极地区相对于中纬度地区的平均海洋表面温度弹性E，最终得出了极寒天气在北半球的高中纬度地区出现得更加频繁的实证原因;最后，借由前两个问题的答案有力地回答了第三个问题，即全球变暖和局部“极寒天气”的出现之间并不矛盾。

参考文献

[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.

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[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氣候系统模式的年代际预测研究[D].北京：清华大学，2017.

[11] 伍志元，蒋昌波，邓斌，曹永港.基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟[J].科学通报，63（33）：3494-3504，2018.

作者简介：胡琼辉（1997-），女，汉族，四川，硕士研究生，西南民族大学，研究方向：人口与可持续发展，

通讯作者：宋荣荣（1979-），女，汉族，山东，副教授，博士，，西南民族大学，研究方向：泛函分析和先进PID控制

基金项目：西南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（82001564）.