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——冰、空气和阳光的魔术。
当全国人民正全力以赴抗击疫情时，似乎不会有很多人注意到，这个冬天也同往年显得不太一样。情人节那天，北京降下了这个冬天的第七场雪，成为今冬最猛烈寒潮中的一支不寻常的小插曲。
说这场雪不寻常，是因为北方的冬季常常干冷少雨雪。以北京为例，多年平均冬季降水量仅为8.3mm。但今冬情形有些不同：如果从12月1日算起，截至2月14日第七次降雪结束后，北京市的降水量已有37.5mm，是常年同期5.3mm的六倍多，达到1951年以来同期最高[1-3]。
刚刚过去的大寒潮带来充沛的雨雪，长城内外大雪纷飞，大江南北冷风冰雨。可是，假如你在11月初关注过天气资讯，一定会注意到气象部门早就预测今冬是一个暖冬[5]——更有气象爱好者认为，叫它超级暖冬也并不为过。
但就在这样一个暖冬的背景下，一场猛烈寒潮却在冬天的下半场不期而至，给全国带来相当凶猛的降温，气温下降14℃以上的地区比比皆是。
暖冬、多雪和猛烈寒潮，就这样看似不协调、而又漫不经心地出现在这个冬季。
可是，它们真的彼此矛盾吗？
01 雪花从何而来？
雪花，是本轮寒潮带给人们的“见面礼”。
雪的本质仍是高空水汽遇冷后的产物。当寒潮来袭，冷空气贴地前进，逼迫暖湿气团爬升至高空遇冷凝结，开始以冰晶的方式落下。假如低空温暖，便会融化为雨水；假如低空温度逐渐由暖转冷，则会依次出现雨、雨夹雪和雪——情人节的寒潮里，包括北京在内的许多城市便经历了如此的天气过程。
寒潮与暖湿气团的相互作用，是引发雨雪天气的直接原因。
在本轮寒潮到来之前，从南方吹来的暖湿气流控制了中国北方大部分区域，多地甚至因此出现了罕见的“高温”天气。在本应天寒地冻的东三省，气温竟然连续突破零度，大幅超过历史同期值。网友甚至吐槽，本来用作天然冰箱的自家阳台，竟然化冻了。
不轻易示人的水汽也没有放过露脸的机会，全国多地在寒潮前经历了一次大雾天气，从大西南一路绵延到东三省，范围之大令人惊讶。
大雾出现在寒潮降雪之前，似乎是预言着“冬雾雪”的民谚，但是，早就习惯了灰霾（指不含水汽、干燥的霾）天气的人们，并没有把这场来势汹汹的大雾放在眼里。
在今年的大暖冬里，东亚地区冬季风偏弱[5]，有利于暖湿气流向北方输送[6]，为北国带去了这个季节不常有的充沛水汽与温暖和煦。
南风浩荡，裹挟着来自印度洋、南海和西太平洋的水汽一路北上。原本干爽凛冽的北国之冬，竟也变得如长江流域的冬天一般，粘腻阴冷，雾气朦胧。如果不是一场寒潮的到来，这股令人窒息的水汽就会一直停留在原地，无法变成雨雪润泽人间，而是以雾的形式遮天蔽日。
好在，它并没有让人们等待太久，万马千军，正从塞外飞驰南下。
02 寒潮从何而来？
西伯利亚是冬季影响我国的冷空气策源地（如前图）。正常情况下，西伯利亚冷气团的边界时南时北，控制区域时大时小，交替带来冷暖变化。但总有些时候，一大波冷空气会如同商量好一般，忽然而至，横扫千军，然后悄然离去。人们将这种突然爆发的、能够造成急剧降温的强烈冷空气称作寒潮。
强寒潮天气的出现往往与极地涡旋有关[7-8]，曾经有学者统计过影响中国的176个强寒潮事件，其中有108个与极地涡旋的活动有关[9]。这是一种在南北两极均有分布的大气中上层深厚气流系统，分别在高空的平流层（距地表10千米以上）和低空的对流层（距地表10千米以内）存在，有学者认为二者之间没有直接相连[10]，但却彼此影响。对流层极地涡旋具有更大的范围，能够显著的影响低空天气系统，因此与人们的生活也有更密切的关系[10]。
在平流层，北极涡旋的结构相对简单，平面上是一个较圆滑的椭圆。随着高度逐渐下降，极涡的形态开始发生改变。到了对流层内，极涡的形态则相当不规则，像是天空中的花朵。
两条高速流动的横向风带，分别将极地的寒冷空气禁锢在极涡内。其中对流层内的横向风带也叫西风急流，它是隔绝冷、热空气的藩篱，但冷热气流之间的冲撞也会造成边界动荡不宁，让极涡的稳定性出现变化，使冷空气时不时“扫”到不同的地区，给当地带来非常强烈的寒潮[10,12]。
2013-2014年的冬天，美国遭遇了异常令人印象深刻的强大寒流。这场寒流源自一股北美洲西海岸的温暖气团向北方冲击，使北极涡旋减弱分解，迫使北极涡旋的结构从“一超”转变为“多强”，若干个小型极涡中心向欧亚大陆和北美大陆袭去。
除了白令海附近，与北冰洋沟通的北大西洋也是暖湿气流冲击北极的极佳场所。近年来最典型的一次极涡移动事件（Polar vortex shift）发生在2015-2016年的冬季。2015年底，位于冰岛附近的一个强大风暴将大西洋上的暖湿气流送进了北极圈，使12月30日的北极点温度急剧升高20多摄氏度，短暂超过了冰点。
深冬的北极点气温破零，这在人类气象观测史上十分罕见。暖湿气流强烈冲击了北极涡旋的西风急流屏障，积蓄在北极上空的寒冷气团被迫移动。2016年的新年在北极涡旋的扭曲变形中来到，若干个次级中心开始向欧亚大陆和北美大陆腹地移动，为半个月后的全北半球霸王级寒潮埋下伏笔。
（图注：图中紫色（低温空气）范围大体对应对流层中部的极涡范围，白线表示气流轨迹，紫色区域周围的密集线条密集处即为极涡边界（西风急流），包裹着低温空气一起做逆时针运动（自西向东）。风速和温度数据为北极点处500hPa对应高度处的数据。注意1月20日起侵袭我国的极涡。制图@郑伯容/星球科学评论）
到了2016年1月下旬，经过半个多月的动荡不安与蓄势待发，凶猛寒潮终于如约降临北美洲和东亚。在中国，最低温度降至零下的国土面积，达到惊人的945万平方公里；一个北极涡旋次中心最南移动到了渤海上空，史所罕见；广州市区甚至也迎来了新中国成立后的首次降雪[13-14]。
极涡外围的突然南移意味着极为剧烈的寒潮，能够带来严重的低温雨雪天气，对人们的生产生活造成重大灾害。类似的场景在近年来并不罕见，2019年1月，北极涡旋的一大块外围气团又一次横扫北美。
这次寒潮给美国人民带来深刻的印象，1月底的最冷阶段时，最低体感温度可达-59华氏度，合-50.5摄氏度[6-7]。如果没有必要防护，裸露在外的皮肤将会很快被冻伤。
2019年1月北美洲寒潮的地面温度https://www.zhihu.com/video/1214851614940569600
（19. 2019年1月北美洲极涡事件的地面气温变化视频 | 视频中的温度由计算机根据实测数据插值算出，为地面以上2米处的空气温度。出自@NASA [16]）
2020年2月，北大西洋风暴格外活跃。2月10日，温带气旋Ciara登陆挪威，冷风凄雨横扫整个欧洲西北部的同时，也将暖湿气流向北极圈内输送，这又是似曾相识的一幕。在西风的吹拂下，暖气团开始挤压极涡，将一个小分支向东推去。在跨越千山万水后，这个极涡分支渐渐从极涡主体脱离，最终在2月13日扣关长城一线，为中国北方带来一个飘雪的情人节，和随后的全国剧烈降温。
（图注：图中紫色（低温空气）范围大体对应对流层中部的极涡范围，白线表示气流轨迹，紫色区域周围的密集线条密集处即为极涡边界（西风急流），包裹着低温空气一起做逆时针运动（自西向东）。风速和温度数据为北极点处500hPa对应高度处的数据。注意1月20日起侵袭我国的极涡。制图@郑伯容/星球科学评论）
由于寒潮到来之前，许多地区正被温润的南风控制，于是便有了这次急转直下的气温“过山车”。
但即便强悍如斯，这场寒潮毕竟还是结束了。冬天最寒冷的日子已经过去，气温重新回暖，雨水节气（今年的2月19日）也已到来，春天的脚步声正越来越近，我们还有什么好担心的呢？
03 在变暖的世界中深度冻结
对流层极涡边缘与暖气团的挤压碰撞，每年冬天都在北半球激烈上演着。在西风带的吹拂下，它们往往在陆地西北部写下开头，在陆地的北端积蓄高潮，最后在陆地的中-东部以凶猛的寒潮作结。但是，年复一年的习以为常中，也正在酝酿着变化。
在全球升温的大背景中，北半球冬季的平均温度也在一路走高，暖冬出现的频率和暖化程度都在变高。暖冬正成为几乎每年都会出现的自然事件，人们也已经逐渐习惯。
暖冬到底给我们带来了什么？除了静稳的雾霾天气[17]及温和的冬日暖阳，还有长期来看处于减少状态的寒潮数量。
但这并不意味着，寒潮的强度也在相应减小。有研究表明，在过去的十多年里，东亚地区冬季的冷空气暴发更加频繁，并且比1990年代更强，持续时间更长[19]。
为什么？
一种解释认为，由于北极正在以更快的速度变暖，使北极圈内外的温差减小，降低了北极和中纬度之间的气压差，会减弱对流层顶部的高空西风急流。就像河流一样，流动较慢的风带也往往会蜿蜒曲折[20-21]，有可能在一定程度上降低了对极涡内冷气团的约束能力，但极涡边界的稳定性也受到其他因素影响[22]。
同时，北极地面的升温与海冰融化，改变了近地表处的热量分布，也以复杂的机制影响着上方空气，破坏并削弱平流层极涡，并反过来作用于中纬度地区的冬季天气[19，23-28]。
变弱的平流层极涡与寒潮爆发存在统计意义上的联系，但现有的认识尚不足以证实二者存在一对一的直接关系[10，28，30]，也尚未揭示其中的大气运动机制。变强的亚洲和美洲对流层极涡则会使当地冬季较为寒冷，但它与平流层极涡的关系仍不太明确[31]。
在当代，北极变暖与极涡变化的关系，及其与北半球冬季寒潮的关系是时下研究的热门领域。由于资料积累不够丰富和观测手段的限制，目前尚没有一个清晰明了的科学答案。但即便如此，现有的研究似乎正在展现出一个不太美妙的前景：北极越暖，在中纬度地区发生强烈极端天气的可能性越大[36]，而冬季强寒潮就是此类极端天气之一。
曾几何时，一些公众人物曾以2019年极涡南下引发极端寒潮事件为例，质疑全球变暖的诸多事实，结果引发舆论哗然。殊不知，结果岂能证伪原因？
在本世纪内，全球变暖的趋势难以看到逆转，这使得我们不仅要承受更加炎热的盛夏，也要防范越发极端的暖冬寒潮[36]。当“气候变化”正逐步取代“全球变暖”在流行科学中的位置时，这并不是在表示“全球变暖”不再值得关心，而是提醒大家注意几件可能很切身的事——
- 全球变暖，不代表世界各地均匀变暖，或者均匀变湿；
- 全球变暖，虽然意味着冬季的平均温度会有所升高，但并不意味着突发寒潮的强度会显著减弱，反而有可能愈发极端化；
- 全球变暖，正在用温暖的方式，给世界带来意料之外的深度冻结。
最后，暖冬以后的春季，同样需要警惕“倒春寒”的奇袭。
请诸位继续注意保暖，继续保持健康。
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创作团队：
【本文参考文献】
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：星球研究所
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