2014年9月29日

極地渦旋的驚心「凍」魄

五大湖結冰、雪埋公路、航班癱瘓、工商停擺……,2014年1月一場致命寒潮在整個北美洲撒野、冰雪狼藉,難道是災難電影《明天過後》上演了嗎?

作者/賈新興(任職天氣風險公司氣象總監)、林偉文(文化大學地學研究所博士候選人)

一名計畫縝密的罪犯,從肯塔基州(Kentucky)的監獄中成功越獄,卻沒料到,在外躲藏的第2天,氣溫從13℃急凍至-20℃,不得不「畏寒自首」,放棄非法的自由。

美國中東部與加拿大被寒潮殖民的這四天,創下了近20年來的最低溫, 蒙大拿州(Montana) 的柯莫鎮更觀測到-53℃,比南極內陸還冷,多數地方都伴隨強風,在風寒效應影響下,戶外體感溫度普遍低於-40℃,只要裸露肌膚2分鐘就會凍傷,甚至於連吹個泡泡,都瞬間結凍墜地!這場冰風暴對民眾食衣住行造成嚴重衝擊,迫使地方政府紛紛宣布停班停課,總計超過數十人凍死,整體經濟損失更高達1500億新臺幣。

闖禍元兇
這一場在歷史中永遠會被提及的冰風暴,究竟為什麼會發生?氣象學家指出是極地渦旋(polar vortex)闖的禍,隨後大眾媒體爭相討論,更把它列入新聞辭典,紛紛以「極地渦旋發威」、「來勢凶猛的極地渦旋」等令人引起恐懼情緒的詞彙撰述。或許是新聞記者為追求時效,雖然抓住眾多眼球的關注,卻也迫使美國國家氣象局不得不發佈新聞稿,指出媒體對極地渦旋的錯誤報導。

從「三胞環流」說起
驅動地球大氣流動的能量,幾乎源自於太陽的能量,赤道地區因接收的能量多,空氣受熱垂直上升至對流層頂之後向南北兩極流動,到了緯度30度附近時,受地球自轉的柯氏力而偏轉,空氣流向極區的分量越走越小,同時因為越走越冷卻,於是逐漸下沉,引起對流層中下層氣壓升高形成高壓,也就是所謂的「副熱帶高壓」。


而在極圈附近,因為太陽照射量少而氣溫低,在對流層低空處形成空氣密度比較高的高氣壓,稱為「極地高壓」,這些往南流動的冷空氣和來自副熱帶比較溫暖的氣流,在中緯度地區相遇,孕育出中緯度地區「極鋒」的生成作用,使整個大氣形成了三胞環流結構



「極地渦旋」的形成
那麼,極地渦旋到底在哪裡?這個西元1853年首次在文獻中出現的名詞,到了1952年才在有無線電探空儀(一種運用無線電測量高空大氣數據的儀器,通常由充滿氦氣或氫氣的風向球搭載升空,並將數據傳回地面氣象站)的觀測下被證實存在。

由於極圈附近大多數的空氣都集中在低空,為了保持大氣在垂直層的質量平衡,因此對流層的中部與頂部就需要轉變成為低氣壓,所以在地球南北兩極的上空都存在有這樣的高空渦旋系統,而且冬季的強度大於夏季。

籠罩整個北極圈的高空低氣壓隨著地球的自轉,產生了逆時針方向旋轉的運動,這就是「極地渦旋」的真實面目,氣象上簡稱為「極渦」,而極渦的中心通常是出現在北極圈內最冷的陸地格陵蘭上空。簡單的說,極渦是在極圈高空上的冷低壓,它並不會直接影響地面的天氣。

當極渦越強,低氣壓的內聚力也就越強,就越有能力間接將近地面的冷空氣鎖住並留在北極圈內。極渦就像一個裝著冷空氣的大碗公放在北極上空一樣。
圖片來源:美國國家海洋暨大氣總署

極渦外圍的噴射氣流
極渦的外圍,也就是圍繞在中緯度的高空上,由於是北極與熱帶之間高空水平氣溫變化最大的地方,因此形成了寬數百公里、厚數公里,且風速可超過時速200公里以上的西風噴射氣流(簡稱噴流),也就是說,在中緯度的高空上存在一個圍繞全球且逆時針方向快速流動的噴流帶,這個噴流帶會隨著季節、極地渦旋強度、海陸分佈等因素,向南或向北蛇行擺盪。由於噴流附近蘊含大量動能,所以它擺盪經過的地方,會進一步誘發低空的天氣變化。

就在2014年1月開始,北極上空的極渦強度明顯偏弱,高空的低壓區只能往中緯度潰散,但因整體的冷低壓強度明顯減弱,所以與熱帶高空之間的氣溫差異變小,使得噴流的平均速度減慢了些,並且因為極渦不均勻的向南潰散,導致環繞中緯度高空的西風噴流帶產生了比正常時期更劇烈幅度的蛇行與擺盪。

噴射氣流肇禍
擺盪的噴流帶向南凹陷的北側區,氣象上稱為「槽」,會誘發並且加強地面生成不穩定的低壓系統,在這個伴隨強風的逆時針低壓區的西側會直接引入北極圈內低空大量的冷空氣,並且低壓區本身就具有容易發生對流的特性,如果環境有充足水氣,就會引發大規模的暴風雪天氣。

正因如此,自2014年1月6日起,整個北美洲就是籠罩在這樣的大氣環境中;正常情況下,高空噴流擺盪的位置整體向東移動的週期大約是7~10天,所以直到1月9日北美洲才脫離這場「致命寒潮」。

相對的,位於高空噴流向北凸起的南側,氣象上稱為「脊」,使低對流層發展出高壓,在順時針環流的西側會引入來自低緯度低空的暖空氣,因此在同一時間的阿拉斯加,就出現了相較於往年同期更暖的天氣。相同的噴流擺盪變化,同一時間也發生在歐洲,形成北歐偏暖、中東歐寒冷的天氣格局。

由此可知,這次造成北美洲出現連日低溫的原因,在高空偏弱的極地渦旋只是氣候背景,反倒是高空噴流的擺盪位置引起低空天氣系統才是主因。有時大幅度擺盪的噴流也會出現在亞洲,例如在2008年,就造成冬季東亞異常低溫的事件發生。

都是北極震盪惹的禍?
在氣象學上,極區的地面氣壓和中高緯度的地面氣壓會呈現「翹翹板」現象,一邊高則一邊低的擺盪,這個現象氣象上稱為北極震盪(arctic oscillation,簡稱AO)。

當AO指數為正值時, 代表極區的氣壓比氣候值減弱,而中高緯度的氣壓較氣候值增高,此時大氣高空的西風噴流會比較強,天氣系統傾向於東西向移動,極區冷空氣較不容易南下影響中緯度地區的天氣。也就是說,當正值越大時,冬季的整體中緯度地區就容易比往年偏暖。例如,北美容易出現偏暖、地中海區域的國家容易出現乾旱、北歐則出現偏暖和降雨的情形;相反的,如果北極氣壓高於長年平均,中緯度地區氣壓低於長年平均,AO指數則為負值,西風噴流就會減弱而擺盪,北極附近的寒流就容易南下。2009年末至2010年初的冬天就是六十年來極渦最弱的一次。

至於AO的成因, 目前科學界還沒有明確的答案。它可能是單純的地球大氣內部的自然律動,也可能是受海溫變化所影響。目前,氣象界對AO的預測能力仍相當有限,通常在5~10天前經由電腦模式的預測,可以預測AO變化的趨勢。

那麼AO和極地渦旋有什麼相關呢?先前提過,北極圈附近低層是冷高壓,高空是極地渦旋(低壓系統)。有研究顯示,當高空的極渦比常年更增強時,也就意味著AO呈現正值,在中緯度高空大氣的南北氣溫差異隨之增加,使得西風噴流帶也隨之偏強,因此呈現比較穩定、不易發生擺盪的狀態。反之,當AO為負值時,西風噴流帶偏弱,容易受外力干擾而產生南北擺盪,如此一來就容易出現比常年規模更大的高空槽、脊系統。然而據觀測,2014年1月5~6日AO的數值並沒有明顯偏低,因此AO與極地渦旋的關係仍未下決論。
北極暖化的衝擊

研究顯示,近幾年中高緯度地區,冬季出現極端天氣的現象似乎和北極放大的現象有關。

自1980年代以來,北極氣溫的升溫幅度顯然比其他地區高出許多,第五次氣候變遷評估報告也發現北極將是未來暖化最劇烈的地區。如此一來,經由海冰和氣候系統的正回饋機制,將使得北極成為影響氣候的高敏感區域,這就是所謂的北極放大(arctic amplification)現象。所以有些氣象學家推測,這種極區暖(warm arctic)但高緯度地區冬季出現異常低溫(cold continents)事件很有可能會增加,甚至變成一種新的常態。

而最新的研究顯示,因北極海冰面積的縮減所造成中高緯度地區大氣環流的改變,特別是高空噴流的減弱,似乎提供了冬季中高緯度區域極端天氣事件發生的有利條件!

北極放大 Arctic Amplification
1980年代以來,全球氣溫約上升攝氏0.4度,但北極溫度則上升了約1.1度,將近3倍之多。主要是因為暖化使原本可以反射陽光的海冰減少,被海水吸收的熱量越來越多,使得北極溫度上升更加劇烈,北極成為全球暖化的高敏感區,這就是北極放大。


延伸閱讀
1. Francis, J. A. and Vavrus, S. J., Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes, Geophysical Research Letters, Vol. 39: L0618, 2012.
2. Overland, J.E., Wood, K. R. and Wang, M., Warm Arctic - cold continents: climate impacts of the newly open Arctic Sea, Polar Research, Vol. 30: 15787, 2011.

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