上周，北京遭遇極端性大風(fēng)上了熱搜，局地區(qū)域甚至出現(xiàn)了陸地上罕見(jiàn)的13級(jí)大風(fēng)。萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，打工人蛇年春節(jié)假期結(jié)束后收到的第一個(gè)快遞是北風(fēng)特快。甚至有人（本人）調(diào)侃道：“這風(fēng)一吹，輕松get大吒同款造型”。

今天，我們就用科學(xué)拆解這場(chǎng)“極寒快遞”背后的秘密，看這13級(jí)大風(fēng)是如何被送到家門(mén)口。

一、氣壓差驅(qū)動(dòng)——風(fēng)的發(fā)動(dòng)機(jī)

風(fēng)是空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的流動(dòng)，當(dāng)?shù)厍虮砻娉霈F(xiàn)冷熱差異時(shí)，熱空氣上升形成低壓，冷空氣下沉形成高壓，氣壓差驅(qū)動(dòng)著地球表面大氣的水平流動(dòng)。常見(jiàn)的例如，赤道、極地之間太陽(yáng)輻射受熱不均，驅(qū)動(dòng)全球大氣環(huán)流；海洋、陸地晝夜溫差，形成海陸風(fēng)，白天陸地升溫快，風(fēng)從海洋吹向陸地（海風(fēng)），夜晚海洋憑借更大的比熱容，溫度減少小，風(fēng)吹向較暖的海洋（陸風(fēng)）；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(guó)地面14:00基本天氣分析圖（左：2月6日；右2月11日）

（圖片來(lái)源：中國(guó)氣象臺(tái)）

近日，蛇年首場(chǎng)寒潮來(lái)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(fēng)的核心驅(qū)動(dòng)力。冷高壓中心氣壓高達(dá)1060 hPa，而華北平原至長(zhǎng)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(duì)比6日、11日的天氣圖（圖1），6日下午的氣壓等高線（藍(lán)線）更為密集，這就像是一層層臺(tái)階，臺(tái)階數(shù)越多，意味相同距離內(nèi)，氣壓梯度（坡度）越大。這一強(qiáng)大梯度力如同一臺(tái)橫跨千里的“超級(jí)風(fēng)泵”，推動(dòng)冷空氣快速度南下，寒潮過(guò)程伴隨著大風(fēng)天氣，地面風(fēng)速迅速增強(qiáng)至8-10級(jí)（20-25 m/s）。

二、地形差加速——風(fēng)速放大器

粗糙的地表（森林等）會(huì)像剎車片一樣，增加近地面的摩擦力，給風(fēng)減減速。但是，當(dāng)兩邊矗立起山脈時(shí)，這種地形差會(huì)形成狹窄的通道，氣流遇到山脈阻擋時(shí)，就選擇從這個(gè)通道快速地“擠”過(guò)去，這種現(xiàn)象稱為狹管效應(yīng)。生活中常見(jiàn)的狹管效應(yīng)如：捏住水管出水口會(huì)噴得更遠(yuǎn)，穿堂風(fēng)等等。

圖2 狹管效應(yīng)

（圖片來(lái)源：作者自制）

讓我們結(jié)合流體力學(xué)中的兩個(gè)基本原理進(jìn)一步解釋什么是狹管效應(yīng)，它是如何放大風(fēng)速的：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在理想流體的情況下（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道任意截面的空氣流量是相同的），因此，當(dāng)管道的橫截面變小時(shí)，氣流的速度就必須加快，以保證相同量的空氣在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)。此外，流體力學(xué)中的伯努利原理告訴我們，在理想條件下，假設(shè)無(wú)摩擦耗散，同一流管的任何一個(gè)截面處，單位體積流體的動(dòng)能、勢(shì)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(dāng)空氣在流經(jīng)狹窄通道時(shí)，流體的高度減小，速度則會(huì)顯著增強(qiáng)。

圖3 中國(guó)區(qū)域地形圖

（圖片來(lái)源：天地圖）

再看我國(guó)的地形圖（圖3），當(dāng)西北方向的冷空氣南下時(shí)，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(fēng)力強(qiáng)勁，此次寒潮大風(fēng)期間，延慶二海坨等觀測(cè)站出現(xiàn)了13級(jí)的大風(fēng)天氣過(guò)程。城市中，高樓密集，也容易通過(guò)狹管效應(yīng)形成局地強(qiáng)陣風(fēng)。

三、高空助力器——大風(fēng)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(fēng)還包括高空與地面的對(duì)峙。在5km以上的高空還有一臺(tái)“隱形引擎”在推波助瀾——這場(chǎng)寒潮大風(fēng)的幕后推手，是北極南下的冷渦軍團(tuán)與西風(fēng)急流的聯(lián)動(dòng)。

來(lái)自北極的渦：前進(jìn)前進(jìn)前進(jìn)！

圖4 亞歐區(qū)域500hPa等壓面2月3日至6日基本天氣形勢(shì)

（圖片來(lái)源：中國(guó)氣象臺(tái)，作者自制動(dòng)圖）

幾乎所有的天氣都發(fā)生在對(duì)流層，地面呼呼刮著大風(fēng)，那在對(duì)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(jiàn)，2月初，在歐亞大陸有一個(gè)高壓阻塞（紅圈）向北極延伸，這個(gè)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(lái)。

一個(gè)來(lái)自北極的冷渦（亮圈）就這么快速地向南移動(dòng)，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(guó)挺進(jìn)（圖4）。冷渦在整體南移的同時(shí)不斷旋轉(zhuǎn)，就像轉(zhuǎn)陀螺，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在它的南側(cè)甩出了一條強(qiáng)勁的西風(fēng)氣流。高空中大規(guī)模冷空氣隨著強(qiáng)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(qiáng)烈的垂直混合運(yùn)動(dòng)，從而鋪上了一條冷空氣從高空向地面的傳輸通道。再對(duì)比高空與地面的風(fēng)速，高空急流帶風(fēng)速的加強(qiáng)使得風(fēng)速隨高度的急劇增大，垂直上的梯度變化也有利于動(dòng)量向下傳遞，進(jìn)一步增強(qiáng)地面大風(fēng)。蒙頭急進(jìn)的渦旋加上威力增強(qiáng)的西風(fēng)氣流，給本次寒潮大風(fēng)加滿了油。

四、寒潮，打破成見(jiàn)大山

1. 北極極地渦旋：可能與我有關(guān)，但別認(rèn)錯(cuò)渦啦

關(guān)于此次寒潮大風(fēng)天氣的新聞中，“北極渦旋”頻繁進(jìn)入大家的視野。作為高空中的巨型冷庫(kù)，是否是它門(mén)沒(méi)關(guān)緊影響本次寒潮大風(fēng)？我們能否簡(jiǎn)單地將極渦與寒潮劃等號(hào)？

知識(shí)小卡片：為什么說(shuō)極渦是高空中的巨型冷庫(kù)？ 北極極渦是指盤(pán)踞在北極上空、由強(qiáng)烈西風(fēng)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(fēng)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(kù)。 墻的具體位置一般取決于最大風(fēng)速，但是這面墻并非橫平豎直的，從對(duì)流層到平流層，墻的邊緣輪廓發(fā)生了明顯的時(shí)間和空間上的不連續(xù)，因此科學(xué)家認(rèn)為這是2個(gè)獨(dú)立的渦旋[1]，即對(duì)流層極渦和平流層極渦（圖5），它們是兩個(gè)結(jié)構(gòu)、特征不相同的氣候系統(tǒng)（表1）。由于學(xué)術(shù)界對(duì)“對(duì)流層極地渦旋”還存在爭(zhēng)議[2]，我們接下來(lái)只討論北極的平流層極渦。

圖6 北極渦旋異常擾動(dòng)示意圖

（圖片來(lái)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(wú)法影響對(duì)流層環(huán)流；在今年1月初發(fā)生的美國(guó)寒潮，由于平流層極渦底部沒(méi)有向北美變形（圖7），保持相對(duì)穩(wěn)定正常的狀態(tài)，也為自己減少了傳染嫌疑。

圖7 美國(guó)2025寒潮1月5日平流層北極渦旋的三維結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：NOAA）

圖8 本次寒潮過(guò)程前一周的北極渦旋變化（10hPa）

（圖片來(lái)源：earth.nullschool）

傳染“病氣”需要時(shí)間，一般在7-10天左右[6]?；仡櫛敬魏贝箫L(fēng)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(zhǎng)，從橢圓?細(xì)長(zhǎng)條?花生狀（“8”字型），說(shuō)明它在臨近寒潮時(shí)生病了，或許本次寒潮事件與這個(gè)變化有關(guān)。目前，平流層極渦與寒潮等天氣過(guò)程的因果關(guān)系尚未明確，仍需更多研究來(lái)揭示其具體機(jī)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(yù)報(bào)為準(zhǔn)。由于極渦的分裂過(guò)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(rèn)錯(cuò)渦啦，我們都不是一個(gè)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(shì)不同，天氣是大氣在短時(shí)間尺度上的“情緒波動(dòng)”，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(qiáng)度增大。

例如，隨著全球變暖，北極區(qū)域的增暖趨勢(shì)遠(yuǎn)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(shí)，西風(fēng)帶上的擾動(dòng)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(gè)地球的大型波動(dòng)。在波動(dòng)的槽線附近，來(lái)自極地和高緯度地區(qū)的冷空氣長(zhǎng)驅(qū)南下，暴風(fēng)雪和寒潮天氣最為嚴(yán)重；而在波動(dòng)的脊線附近，來(lái)自中低緯度的暖空氣可以長(zhǎng)驅(qū)直入高緯度地區(qū)，甚至可以進(jìn)入極區(qū)，使極區(qū)的溫度超過(guò)中緯度地區(qū)[7]。

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參考文獻(xiàn)：

[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）