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这次超级高温背后的地理原理 比你想的更深刻

加新网CACnews.ca| 2022-7-20 13:59 |来自: 地球知识局

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6月上旬,正当华南迎来强烈的“龙舟水”的同时,北方的河南、山东遭遇了高温少雨天气,虽然在几天后的降水缓解了部分旱情,但是在6月中旬,高温天气又依次席卷了新疆、内蒙、河南和山东等地。


进入7月以来,高温天气逐渐向华东和四川盆地转移,而新疆、内蒙古西部和甘肃河西等地延续了高温。在超过500万平方公里的土地上,大约9亿人经受了超过30天的高温天气。国家气候中心称,在此次高温过程中,全国有76个国家气象站的最高气温突破历史极值。


每增加一度,人类的生存模式都再加一个难度


(图:中央气象台)▼



造成我国最近高温天气的幕后推手,乃是位于北方的西风带和位于南方的副热带高压,两者相互作用下的大气环流变化,决定了当地的降水和高温。


比如6月中旬,产生于西风带波动的东北冷涡为华北带来降水,同时压制住了原本要北跳的副高,使其滞留在南海之上,华南地区承受了本应在江淮地区的雨水,而受到高压脊控制的河南山东则形成高温。


上:6月17日500hPa高度场的6小时预报图


下:为下午2时气温▼




到了7月,副高北移,江淮地区在其控制下迎来酷热,而副高北侧的降水,迅速缓解了河南山东的炎热天气。


上:7月5日500hPa高度场的6小时预报图


下:日最高气温▼




我们再将视野放大,会发现过去一个多月内,北半球是如此的炎热。


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北半球同此凉热


在欧洲,6月中旬热浪来袭,13日西班牙中部和南部最高气温突破40℃;18日,法国多地高温记录被打破,70多个省发布高温警报。7月中旬以来欧洲再次被热浪侵袭,14日葡萄牙最高气温冲到47℃,逼近全欧洲的历史极值。没装空调的英国民众也不得不面对40℃高温。


2022年6月18日西欧部分地区的地表温度


这时多地的气温都逼近甚至超过40度了(没空调的情况下)


(图:ESA)▼



2022年7月13日东半球大部分地区的地表气温


(图:NASA)▼



在北美,6月13日,美国多个城市刷新了高温记录,全美超过三分之一的人口受到影响。热浪在7月初再次来袭,美国中部和西南部多个城市打破高温记录,有的甚至比最高温度高出6℃之多。


怕的不是某一天特别热


而是一天更比一天热,且持续▼



中国、欧洲和北美的天气都与西风带密切相关,比如6月中旬,剧烈弯曲的西风带上分裂出名为“切断低压”的天气系统。


一般来说“切断低压”直接控制的区域会出现云雨天气,降水的同时也会影响周围的天气系统,比如东北冷涡在7月中旬的几天内,一边为我国东北和华北带来降雨,一边通过压制副热带高压而缓解了南方热浪。


7月15日500hP风场下的东北冷涡


给东北大幅降温,辽宁多地更是发生了


短时强降水、大风、冰雹等强对流天气▼



但是“切断低压”的位置非常要紧,比如在欧洲,“切断低压”长时间待在伊比利亚半岛以西的洋面上。旁边的陆地则被不断加强的高压脊控制,所以晴朗少雨。


高压脊盘伏在半岛上空,天气晴好,越晴越热


(6月18日500hPa下的气压图和最高温度图)▼



更严重的是,“切断低压”会像发动机一样源源不断地将北非炎热的空气拉向北方。西欧地区自然会温度飙升。7月中旬“切断低压”和高压脊的模式和6月如出一辙,西欧也再次迎来热浪。


机制是一样的,爆热也是一样的


(7月12日500hPa下的气压图和最高温度图)▼



而在美国那边,6月中旬和7月以来,西风带波动形成的高压脊控制着美国大部。持续的晴朗天气让高温迅速发展开来。


6月17日500hPa下可以清楚地看到高压脊▼



7月16日美国500mb高度等高线▼



在北美、欧洲和东亚的热浪中,我们都发现了这样的事实,不同地方的副热带高压都急着为局地带来高温酷暑,但是迅速变化的西风带在波动中有时压制了副热带高压的活动,让人们在酷暑间享受短暂的清凉,有时却助纣为虐,加剧了高温天气。


今年7月9日英国刷新了有史以来的最高温度


不久之后又发布了有史以来的第一个极端高温红色警报


很多人享受不到吹空调的快乐,只能玩水了


(左滑看海滩全图? 图:Flickr)▼



另一方面,在相近的时间内北半球多地遭遇高温并非偶然,其原因就暗藏在广阔的副热带高压带和蜿蜒的西风带上。


?


副热带高压带环绕北半球


在南北半球的副热带,存在着气压的相对高值区域,被称为“副热带高压带”,其直接控制区往往是晴朗少雨的天气,由于地中海、青藏高原和落基山脉这三个地区很难被副高控制,所以北半球的副高被分割为北大西洋副高压带、伊朗高压和北太平洋副高压带。


6月15日中午12时的全球气压图


在大范围的环球暖高压带的作用下


下沉气流有利于地面增温,且云层稀少,太阳辐射再度加温▼



在我局之前的做的视频里介绍过“西太平洋副热带高压带”,对我国季风气候的影响,比如西太副高的位置决定了中国主雨带的位置。


伊朗高压离我国较远,但是在夏季会加强并向东延伸影响青藏高原和云贵高原的降水。


北大西洋高压中心在冬季常在亚速尔群岛附近,称作亚速尔高压,靠近欧洲,更多影响欧洲的冬季降水。夏季则常在百慕大群岛附近,称作百慕大高压,靠近北美,更多影响北美的天气过程。


冬季和春季在北大西洋东部副热带地区上空形成


到了夏季和秋季就向西移动▼



在最近一段时间,“伊朗高压”和“西太副高”克服了青藏高原的阻挡而连通,同时“太平洋副高”和“大西洋副高”也克服了落基山脉的阻挡而连通,环绕北半球的副热带高压带真正形成。除了范围扩大以外,强度也较往年偏强。


副高直接控制下的大气盛行下沉气流,而中上层大气下沉会造成下层大气的增温,再加上持续晴朗天气下太阳的炙烤,北半球大陆区域就形成了广泛的高温天气。


几大高压通力合作,团团包围出一个高温圈▼


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另一只大手:西风带波动


这次副热带高压带的打通和加强,为北半球热浪提供了背景条件,但此外还有一只大手,对这一背景不断调整修饰,这就是盛行西风带。


赤道的炎热和极地的寒冷之间的温度差,导致高空的空气从赤道流向极地,并在地转偏向力的作用下造就了强劲的西风走廊,气体以110km/h(相当于30.6m/s)的速度绕行整个地球。这条西风带并不总是平直的,常常受到高大山脉的阻挡和南北冷暖空气的入侵而南北波动,实际上呈现为一条蜿蜒曲折的风带。


虽然形态总是在变化,也很容易生成气旋


但本质还是中纬度上自西向东的风带▼



西风带的波动看上去杂乱无章,时而剧烈,时而平缓,时而宽广,时而零碎。如美国贯穿南北的大槽大脊,如西欧沿岸由于剧烈抖动分裂出的切断低压,又如深入我国东北的冷涡系统,不论什么样的波动都会对当地天气造成显著影响。因此我们有必要了解,这些波动的形成及其规律。


这里我们可以将西风带上的波动进行分解,在不同的尺度上讨论问题。短波生命周期较短,移动较快,长波则生命周期较长,移动相对缓慢,一般对气压图做5天-10天的平均,就就可以看到,西风带波动中时间和空间尺度较小和较大的两部分,这其中长波尤其重要。


1963年12月23日08时500hPa等压面图


西风带状况,同时包含了长波和短波,相对凌乱


有些短波可以直接看到(已标注),有些则叠在长波上


《天气学原理和方法》▼



1963年12月21~25日500hPa西风带平均图


《天气学原理和方法》▼



西风带长波产生的大槽大脊的强弱和移动,很大程度上决定了北半球的天气。一般来说,槽前对应着大范围的辐合上升运动和云雨天气区,槽后脊前则对应着大范围的辐散下沉运动和晴朗天气区。短波的变化比较迅速,其生成也难以捉摸,它可以叠加在长波上造成槽和脊的加深或减弱。


?


盘桓在北半球上空的西风带除了有局地影响外,对北半球整体也有同步影响。当西风带南北温差较弱时,西风带整体趋于较平直状态,此时南北热量交换少,南北差异就会增大;当温差过大时,热量就需要在南北方向上交换才能达到平衡,西风带因此发展为大型扰动,形成大槽大脊,直到热量交换再次减小南北温差,西风带将再次趋于平直。


这就造成了北半球不同经度上相隔几千甚至几万公里会同步产生热浪和洪水。今年6月份东亚、欧洲和北美地区同时发生的热浪就和这个机制相关。类似的,2018年夏天北美、西欧和里海地区发生热浪,东南欧和日本同时发生了暴雨,也跟西风带波动结构相关。


6月16日500hPa下的风场


可以看到西风带在北美和西欧附近形成的高压脊▼



研究表明,一些常常出现的西风带波动结构对于重要产粮区具有重要影响,其导致的高温干旱会对全球粮食安全构成威胁,例如,以5个或7个波环绕北半球的西风带波动结构持续两周或更长时间时,全球作物产量将下降4%,区域产量下降高达11%。


西风带特定形态的波动,会造成北半球多地同时出现高温干旱天气


(滑动看长图)▼


?


全球变暖


进入21世纪以来的2003年、2013年和2017年我国都出现了大范围持续高温事件,同期,北半球夏季高温热浪事件日渐频繁,中国气象局表示,全球变暖是高温热浪事件频发的根本原因。国家气候中心表示,今年6月,全球平均气温较常年偏高约0.4℃,为1979年以来最高,全球变暖是北半球高温热浪事件频发的气候大背景。


你正在度过的很可能是接下来的人生中最凉快的一年▼



一方面,通过朴素的理解,在全球平均升温的条件下,热浪应当更容易发生,具有更高的温度,持续更长的时间。


事实也的确如此,联合国政府间气候变化委员会第六次评估报告指出,2011-2020年十年间平均的全球平均气温比1850-1900年平均值上升了1.09℃,陆地温度上升更明显,为1.59℃。


与此同时,1950年以来,基本可以肯定在全球几乎所有陆地区域热浪发生的频率、强度和持续时间都在增加。2014年发布的第五次评估报告已经指出了热浪事件的变化,这8年里科学家们获得了更加丰富的资料,采用了更加可靠的方法,而这一结论的可信度也得到提高。


热到无法忍受的时候,只能见水就跳了


(小狗也一样? 图:shutterstock)▼



另一方面,全球变暖使气候越发不稳定,气候系统正在经历复杂的变化。这意味着全球变暖将通过改变大气、海洋环流和地表状态等间接方式影响北半球的高温天气。副热带高压带和西风带波动作为造成高温热浪的推手,也会在气候变化中发生改变。


有研究表明,近年来西风带的波动更加剧烈,增加了北美西部和中亚的热浪、北美东部的寒潮、北美中部、欧洲和中亚的干旱以及西亚多雨期发生的概率。


全球化以来的世界被连为一个整体,“当地”的变化通过国际贸易会影响每一个全球市场中的“远方”,就如乌克兰战争会影响欧美的能源使用和发展中国家的粮食安全。


而头顶的大气层在诞生之初就将全球每一个角落相连,大洋彼岸和大陆对岸的“远方”的晴雨冷暖和“当地”的风云变化紧密相连,环绕地球的5000多颗卫星和互联互通的高速信息网络为我们提供了理解这些关联的客观条件。


毫无疑问,作为现代人我们应该从更高和更全面的视角认识气候和天气的变化,毕竟,这个世界的真相远比我们个人的眼界更巨大。

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