2021年6月9日，加利福尼亚死亡谷（Death Valley）的气温达到了54.4°C（130°F），刷新了地球上有可靠记录以来的历史最高气温记录。而在这次极端高温发生前的几个月，2020/21年冬季，亚洲和北美刚刚经历了打破历史观测记录的极端低温事件，也就是俗称的“寒潮”。在全球变暖背景下，热浪的发生容易理解，但是寒潮是如何发生的呢？一项来自美国阿拉斯加大学、中国科技大学、中国科学院大气物理研究所、美国大气海洋局、德国阿尔弗雷德韦格纳研究所、芬兰气象研究所、美国华盛顿大学的合作研究阐释了过去冬季发生的三次低温事件的机制。这一成果收录在Advances in Atmospheric Sciences2020/21年冬极冷事件专辑里。
“有待解决的首要问题是，为什么在全球变暖背景之下，近几十年来极端冷事件发生更为频繁？北极变暖的放大效应是否是主要的驱动因素？”本文的第一作者阿拉斯加大学的Xiangdong Zhang教授说，“2020/21的极端低温事件为我们提供了难得的机会，来深入地调查和检验这些极端事件发生的物理过程和机制。”
2020年底至2021年1月中旬，中国发生了两次破纪录低温寒潮事件，北京和天津的最低气温，达到了过去54年来的最低值，分别达到了-19.7°C (-3.46°F)和 -19.9°F)(-3.82°F)。接下来的2月份，历史极端低温袭击了北美的中西部和南部诸州，在德克萨斯州的奥斯汀市和休斯敦市分别出现了-13.3°C 和 -8.3°C的低温天气，近乎是一个世纪以来的最低气温。
2021年2月，寒潮侵袭位于美国最南部的德克萨斯州。照片上的这棵开花的树在大雪中被冻死。（摄影：Zong-Liang Yang）
国际科研团队对这三次事件进行了研究。通过对比2020/21年与过去42年的冬季，研究人员解释了海洋和大气异常是如何导致这次极端低温事件发生的。“即使全球变暖和北极海冰减少每年都在发生，类似于去年冬季的极端天气事件也不是每年都会出现的”，作者之一，美国大气海洋局（NOAA）的海洋学家James Overland说，“这是因为极端事件是一系列因素综合作用的结果，包括全球变暖和发生在急流和极涡中的有利前兆天气条件。”
极涡是指盘踞在极地的冷性低压系统，通常情况下其比较稳定。但是当其受到扰动时，在西风急流协助下，极地冷空气会俯冲南下，造成北半球大范围的寒潮入侵。Xiangdong Zhang教授指出，平流层爆发性增温—平流层内高纬的气温短时间内突然增加的现象，能剧烈地改变极涡和急流的运动以及它们之间的相互关系。当遇到复杂的海温异常和北极海冰异常时，由其导致的天气异常会更加的极端。他说“三大洋大幅度热力异常的同时发生和它们与大气动力过程的相互作用导致了大气环流在半球尺度上的系统性变化，造成大气环流达到极端异常状态”。
尽管三次极端低温事件都与平流层爆发性增温有关，但是每一次的下传过程是不同的。在东亚第一次低温过程中，极涡通过影响北大西洋至西欧的低压异常，然后通过向下游传播的罗斯贝波列影响亚洲的环流系统。在东亚第二次低温过程中，极涡分裂，使得东亚大槽加深。在北美的低温事件中，虽然极涡同样分裂，但主要引起了北美大陆上空的槽加深并南移。
“对极端事件进行归因时，我们应该全面的考量才能刻画该事件发生的物理图像。” 芬兰气象研究所的Timo Vihma研究员说，“导致极端事件的因素往往是多个的，而且不同因素之间的相互作用非常复杂”。
德国阿尔弗雷德韦格纳研究所赫尔姆霍兹极地和海洋研究中心的Annette Rinke研究员进一步解释说“极端事件的发生往往是由非局地的因素所驱动的。正如本项研究所指出的，除了大尺度的大气环流异常外，海洋的热力异常对极端低温的发生起到了非常关键的作用”。
研究人员在未来将继续跟踪研究这些极端事件是如何产生的。中国科技大学的傅云飞教授说“在冷空气活动中，云和降水，以及与之相联系的潜热也会变化，但缺乏观测数据了解这些变化。卫星遥感观测可以在这方面提供帮助，同时还可以帮助矫正模式模拟误差，确定这些极端事件发生的前期大气海洋信号等”
NOAA和华盛顿大学Muyin Wang教授认为“极端事件的发生是由多种因素驱动的。 虽然单一的强烈天气系统往往是造成局地或短期严重事件的原因，但全球变暖背景下大气环流的半球尺度变化对于导致更大空间尺度上大规模、持久极端事件的发生至关重要。”
中科院大气物理研究所的韩哲副研究员进一步阐释“虽然极端寒潮和高温热浪的表现形式不同，但是它们似乎都与全球变暖有关。在全球变暖背景下，北极出现温度放大效应，中低纬度海洋热力异常易于加强，通过与大气环流，例如极涡、平流层爆发性增温等的相互作用，产生有利于极端低温寒潮和高温热浪发生的天气条件。”
Citation: X. D. Zhang, Y. F. Fu, Z. Han, J. E. Overland, A. Rinke, H. Tang, T. Vihma, and M. Y. Wang, 2021: Extreme cold events from East Asia to North America in winter 2020/21: Comparisons, causes, and future implications. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1229-1.
