作者：陳德秀（中國科學院大氣物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
上周，北京遭遇極端性大風上了熱搜，局地區(qū)域甚至出現(xiàn)了陸地上罕見的13級大風。萬萬沒想到，打工人蛇年春節(jié)假期結(jié)束后收到的第一個快遞是北風特快。甚至有人（本人）調(diào)侃道：“這風一吹，輕松get大吒同款造型”。
今天，我們就用科學拆解這場“極寒快遞”背后的秘密，看這13級大風是如何被送到家門口。
一、氣壓差驅(qū)動——風的發(fā)動機
風是空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動，當?shù)厍虮砻娉霈F(xiàn)冷熱差異時，熱空氣上升形成低壓，冷空氣下沉形成高壓，氣壓差驅(qū)動著地球表面大氣的水平流動。常見的例如，赤道、極地之間太陽輻射受熱不均，驅(qū)動全球大氣環(huán)流；海洋、陸地晝夜溫差，形成海陸風，白天陸地升溫快，風從海洋吹向陸地（海風），夜晚海洋憑借更大的比熱容，溫度減少小，風吹向較暖的海洋（陸風）；熱帶太平洋海溫東西差異（溫差約4-6℃，西28℃ vs 東22℃），引起大氣的沃克環(huán)流。
圖1 中國地面14:00基本天氣分析圖（左：2月6日；右2月11日）
（圖片來源：中國氣象臺）
近日，蛇年首場寒潮來襲，西伯利亞冷高壓與中緯度低壓系統(tǒng)的劇烈氣壓差成為此次大風的核心驅(qū)動力。冷高壓中心氣壓高達1060 hPa，而華北平原至長江中下游地區(qū)氣壓降至1020 hPa左右，形成陡峭的氣壓梯度。對比6日、11日的天氣圖（圖1），6日下午的氣壓等高線（藍線）更為密集，這就像是一層層臺階，臺階數(shù)越多，意味相同距離內(nèi)，氣壓梯度（坡度）越大。這一強大梯度力如同一臺橫跨千里的“超級風泵”，推動冷空氣快速度南下，寒潮過程伴隨著大風天氣，地面風速迅速增強至8-10級（20-25 m/s）。
二、地形差加速——風速放大器
粗糙的地表（森林等）會像剎車片一樣，增加近地面的摩擦力，給風減減速。但是，當兩邊矗立起山脈時，這種地形差會形成狹窄的通道，氣流遇到山脈阻擋時，就選擇從這個通道快速地“擠”過去，這種現(xiàn)象稱為狹管效應(yīng)。生活中常見的狹管效應(yīng)如：捏住水管出水口會噴得更遠，穿堂風等等。
圖2 狹管效應(yīng)
（圖片來源：作者自制）
讓我們結(jié)合流體力學中的兩個基本原理進一步解釋什么是狹管效應(yīng)，它是如何放大風速的：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在理想流體的情況下（單位時間內(nèi)通過管道任意截面的空氣流量是相同的），因此，當管道的橫截面變小時，氣流的速度就必須加快，以保證相同量的空氣在單位時間內(nèi)通過。此外，流體力學中的伯努利原理告訴我們，在理想條件下，假設(shè)無摩擦耗散，同一流管的任何一個截面處，單位體積流體的動能、勢能之和不變，也就是速度、壓力和高度之間存在能量守恒的關(guān)系。因此，當空氣在流經(jīng)狹窄通道時，流體的高度減小，速度則會顯著增強。
圖3 中國區(qū)域地形圖
（圖片來源：天地圖）
再看我國的地形圖（圖3），當西北方向的冷空氣南下時，受到太行山脈和燕山山脈約束，被集中到張家口至北京的狹窄走廊，尤其是延慶等區(qū)域風力強勁，此次寒潮大風期間，延慶二海坨等觀測站出現(xiàn)了13級的大風天氣過程。城市中，高樓密集，也容易通過狹管效應(yīng)形成局地強陣風。
三、高空助力器——大風的第二引擎
除了地面陡峭的氣壓差和狹窄收縮的地形，本次寒潮大風還包括高空與地面的對峙。在5km以上的高空還有一臺“隱形引擎”在推波助瀾——這場寒潮大風的幕后推手，是北極南下的冷渦軍團與西風急流的聯(lián)動。
來自北極的渦：前進前進前進！
圖4 亞歐區(qū)域500hPa等壓面2月3日至6日基本天氣形勢
（圖片來源：中國氣象臺，作者自制動圖）
幾乎所有的天氣都發(fā)生在對流層，地面呼呼刮著大風，那在對流層中上層發(fā)生了什么？從500hPa（約5.5 km高度）的天氣圖（圖4）中可以看見，2月初，在歐亞大陸有一個高壓阻塞（紅圈）向北極延伸，這個形狀類似
的怪物擠壓北極冷空氣，將北極的冷空氣帶了下來。
一個來自北極的冷渦（亮圈）就這么快速地向南移動，到2月5日，冷渦一分為二，西邊的冷渦如同一枚高空“冷氣彈”，攜裹著極寒空氣向我國挺進（圖4）。冷渦在整體南移的同時不斷旋轉(zhuǎn)，就像轉(zhuǎn)陀螺，高速旋轉(zhuǎn)時，在它的南側(cè)甩出了一條強勁的西風氣流。高空中大規(guī)模冷空氣隨著強大的氣流水平輸送，涌入春節(jié)期間已經(jīng)升溫的華北區(qū)域。冷空氣更重往下沉、暖空氣上升，形成強烈的垂直混合運動，從而鋪上了一條冷空氣從高空向地面的傳輸通道。再對比高空與地面的風速，高空急流帶風速的加強使得風速隨高度的急劇增大，垂直上的梯度變化也有利于動量向下傳遞，進一步增強地面大風。蒙頭急進的渦旋加上威力增強的西風氣流，給本次寒潮大風加滿了油。
|
知識小卡片：冷渦是指在距離地面數(shù)千米的對流層中、上層的冷性渦旋。我們可以將其想象為飄浮在高空的逆時針旋轉(zhuǎn)的“冷氣陀螺”，當?shù)蛯佑屑訜幔ɡ缥绾筇栞椛?，地面升溫）時，容易形成垂直方向上頭重腳輕的不穩(wěn)定層結(jié)，進而激發(fā)短時強降水、雷雨大風、冰雹等強對流活動。 |
四、寒潮，打破成見大山
1. 北極極地渦旋：可能與我有關(guān)，但別認錯渦啦
關(guān)于此次寒潮大風天氣的新聞中，“北極渦旋”頻繁進入大家的視野。作為高空中的巨型冷庫，是否是它門沒關(guān)緊影響本次寒潮大風？我們能否簡單地將極渦與寒潮劃等號？
|
知識小卡片：為什么說極渦是高空中的巨型冷庫？ 北極極渦是指盤踞在北極上空、由強烈西風急流環(huán)繞形成的持續(xù)性大型低壓渦旋系統(tǒng)。我們可以把西風急流看作是一道高速旋轉(zhuǎn)的墻，這道墻將北極的冷空氣束縛在內(nèi)。因此，北極渦旋就像高空中的自然冷庫。 墻的具體位置一般取決于最大風速，但是這面墻并非橫平豎直的，從對流層到平流層，墻的邊緣輪廓發(fā)生了明顯的時間和空間上的不連續(xù)，因此科學家認為這是2個獨立的渦旋[1]，即對流層極渦和平流層極渦（圖5），它們是兩個結(jié)構(gòu)、特征不相同的氣候系統(tǒng)（表1）。由于學術(shù)界對“對流層極地渦旋”還存在爭議[2]，我們接下來只討論北極的平流層極渦。 |
圖6 北極渦旋異常擾動示意圖
（圖片來源：NOAA）
但這并非必然，例如在2019年初，平流層極渦變?nèi)醯奶卣麟y以傳入200hPa以下，無法影響對流層環(huán)流；在今年1月初發(fā)生的美國寒潮，由于平流層極渦底部沒有向北美變形（圖7），保持相對穩(wěn)定正常的狀態(tài)，也為自己減少了傳染嫌疑。
圖7 美國2025寒潮1月5日平流層北極渦旋的三維結(jié)構(gòu)
（圖片來源：NOAA）
圖8 本次寒潮過程前一周的北極渦旋變化（10hPa）
（圖片來源：earth.nullschool）
傳染“病氣”需要時間，一般在7-10天左右[6]。回顧本次寒潮大風前一周的平流層極渦（圖8），在早期渦旋結(jié)構(gòu)還是正常的，但逐漸向歐亞大陸和北美兩端延伸拉長，從橢圓?細長條?花生狀（“8”字型），說明它在臨近寒潮時生病了，或許本次寒潮事件與這個變化有關(guān)。目前，平流層極渦與寒潮等天氣過程的因果關(guān)系尚未明確，仍需更多研究來揭示其具體機制，因此也不必看到北極渦旋變化，就拿出厚厚的衣服，還是以天氣預報為準。由于極渦的分裂過程與前面提到的冷渦變化很像，在這里為平流層極渦發(fā)聲：別認錯渦啦，我們都不是一個level的！
2. 全球變暖：暖暖的我發(fā)脾氣也可以是冰冰的。
“2024年不是最熱的一年嗎？”、“暖冬里怎么還有這么冷的天氣？”……
與全球整體平均的變暖趨勢不同，天氣是大氣在短時間尺度上的“情緒波動”，受多方面影響。全球變暖背景下，全球氣候系統(tǒng)變得易暴易燥極不穩(wěn)定，極端天氣氣候事件的頻率和強度增大。
例如，隨著全球變暖，北極區(qū)域的增暖趨勢遠超全球平均水平，縮小了極地與中緯度地區(qū)的溫度差。此時，西風帶上的擾動容易急劇發(fā)展，形成南北跨越中高緯度地區(qū)、東西跨越半個地球的大型波動。在波動的槽線附近，來自極地和高緯度地區(qū)的冷空氣長驅(qū)南下，暴風雪和寒潮天氣最為嚴重；而在波動的脊線附近，來自中低緯度的暖空氣可以長驅(qū)直入高緯度地區(qū)，甚至可以進入極區(qū)，使極區(qū)的溫度超過中緯度地區(qū)[7]。
?
參考文獻：
[1] Waugh, D. W., Sobel, A. H., & Polvani, L. M. (2017). What Is the Polar Vortex and How Does It Influence Weather?. Bulletin of the American Meteorological Society, 98(1), 37-44. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00212.1
[2] Manney, G. L., Butler, A. H., Lawrence, Z. D., Wargan, K., & Santee, M. L. (2022). What's in a name? On the use and significance of the term “polar vortex”. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL097617. https://doi.org/10.1029/2021GL097617
[3] Understanding the Arctic polar vortex (https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/understanding-arctic-polar-vortex)
[4] The polar vortex is going to make you put on a sweater. Be afraid. Be very afraid. (https://www.climate.gov/news-features/blogs/enso/polar-vortex-going-make-you-put-sweater-be-afraid-be-very-afraid)
[5] Is the polar vortex causing the U.S. cold air outbreak? (https://www.climate.gov/news-features/blogs/polar-vortex/polar-vortex-causing-us-cold-air-outbreak)
[6] Baldwin, M. P., & Dunkerton, T. J. (2001). Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes. Science, 294, 581?584. https://doi.org/10.1126/science.1063315
[7] 都暖冬了，為啥最近寒潮還如此“暴走”（https://mp.weixin.qq.com/s/koZ3D4SPEA4ymQlI57eJhg）