李存东
中国科学院大学物理学院
培养单位：中科院物理所
前两天是小寒，俗话说得好：小寒时处二三九，天寒地冻冷到抖。小寒节气通常即将意味着进入三九，因此小寒大寒期间一般是全年中最冷的时候，可今年的小寒似乎有一种温暖如春的感觉，仿佛春天的脚步已经近了。不过俗话还说得好：小寒不寒大寒寒，说不定冷日子还在后头呢。
去年 12 月份的严寒想必大家还历历在目，今年早冬，全国经历了两次大范围寒潮天气，不少广东的同学连羽绒服都翻出来了，那么我们不禁产生疑问，这几天的温暖能持续下去吗？今年冬天到底是冷冬还是暖冬呢？三重拉尼娜是个啥，对今冬的天气到底有什么影响？
首先回答第一个问题，这几天的温暖即将结束，接下来，西伯利亚高压将重新组织冷空气南下，几乎全国都将迎来降温天气。更坏的消息是，由于这两天实在是太暖和了，这次降温将格外突出，全国大范围地区都将迎来超过 10℃的降温，15℃的降温也将非常普遍，部分地区甚至将迎来超过 20℃的降温。看看下面这张预警图，分分钟让你见识见识什么叫三九天。大家可以把大棉袄二棉裤都翻出来了
。
第二个问题，今年的是冷冬还是暖冬？这我哪知道。天气变化是典型的复杂动力学，拿过诺贝尔物理学奖的，我要是能研究透了，早就飞黄腾达了。至于第三个问题，我们放在文末回答吧，不然我担心你们看不完。
啥是寒潮
我国冬天面临的极端天气主要就是寒潮了，寒潮本质上就是极端强大的冷空气。
顾名思义，冷空气与普通空气的差异就是气温了，位于低温区的空气就是冷空气，它会使所经地区的气温下降，影响我国的冷空气一般来自西伯利亚或更遥远的北极。根据强弱程度，我国将冷空气划分为五个等级：弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气以及寒潮。这里的划分原则是根据受冷空气影响的地区，日最低气温下降幅度和日最低气温值两个指标来划分的。
不难看出，寒潮就是冷空气，只是它是最强的冷空气。寒潮是指冬半年极地或高纬度地区的强冷空气大规模地向中、低纬度地区侵袭，造成大范围剧烈降温和偏北大风的天气过程，有时还伴有雨、雪、雨凇或霜冻。
寒潮的标准是：某地的日最低气温 24 小时内降温幅度大于或等于 8℃，或 48 小时内降温幅度大于或等于 10℃，或 72 小时内降温幅度大于或等于 12℃，而且该地日最低气温下降到 4℃或以下。
我国针对寒潮灾害也是有相应的气象预警体系的。寒潮预警信号同样分四级，分别以蓝色、黄色、橙色、红色表示：
寒潮蓝色预警信号。标准：48 小时内最低气温将要下降 8℃以上，最低气温小于等于 4℃，陆地平均风力可达 5 级以上；或者已经下降 8℃以上，最低气温小于等于 4℃，平均风力达 5 级以上，并可能持续。
寒潮黄色预警信号。标准：24 小时内最低气温将要下降 10℃以上，最低气温小于等于 4℃，陆地平均风力可达 6 级以上；或者已经下降 10℃以上，最低气温小于等于 4℃，平均风力达 6 级以上，并可能持续。
寒潮橙色预警信号。标准：24 小时内最低气温将要下降 12℃以上，最低气温小于等于 0℃，陆地平均风力可达 6 级以上；或者已经下降 12℃以上，最低气温小于等于 0℃，平均风力达 6 级以上，并可能持续。
寒潮红色预警信号。标准：24 小时内最低气温将要下降 16℃以上，最低气温小于等于 0℃，陆地平均风力可达 6 级以上；或者已经下降 16℃以上，最低气温小于等于 0℃，平均风力达 6 级以上，并可能持续。
寒潮的灾害是显而易见的，它具有降温幅度大、影响范围广、致灾严重等特点，对我国工农业生产和日常生活都有巨大危害。
对农业生产，寒潮有可能会冻死一些越冬的农作物，直接暴露在野外植物有可能会因为剧烈的降温导致体内的生理水结冰对植物造成不可逆的伤害，种植在温室大棚中的植物也可能会因为大风或降雪吹垮或压塌大棚而被冻死。连日的降水还有可能造成一些处于开花、结果等关键时期的植物减产。
对交通运输，寒潮带来的降温降水可能引发道路积雪、道路结冰，能见度低等现象，妨碍行车，影响交通。
对电力运输，寒潮引发的冻雨天气会使电线上积满雨凇，增加电线及电塔的负荷，配合大风天气有可能压断电线及电塔，造成电力输送、网络通信输送中断。
对人而言，寒潮极易引发感冒，同时降温也会造成血管收缩，容易诱发肺部疾病及心血管疾病。
我国近年寒潮的趋势
提到气候变化，想必大家首先想到的就是全球变暖，的确，全球气温正在加速上升是确凿无疑的，这是我们必须要要面对的不争的事实。在政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称 IPCC）最新发布的第六次评估报告中明确指出，全球地表温度较工业革命前升高约 1℃，全球变暖趋势显著，在 IPCC《特别报告》(IPCC, 2018) 中指出，受到全球变暖的影响，全球气温在 20 世纪中叶将升高 1.5°C，甚至加速到来，其带来的气候变化也十分剧烈。
由于全球变暖，我国过去几十年，冬天确实也变得越来越温暖。但对于欧亚大陆或者更局限一些，对于我国，冬天的气候变化不是一句变暖就可以概括的。
我国的冬季平均气温呈现明显的年代际变化特征。大约在上世纪六十年代至八十年代中期，我国冬季大致处于冷期，东亚冬季风较为活跃。上世纪八十年代中期至本世纪初，东亚冬季风明显减弱，我国处于暖期，冬季平均气温升高，极端天气发生减少。但在本世纪，尤其是 2008 年之后，我国冬季气温变暖趋势减缓，甚至可以说进入冷期，极端天气变得更加频繁。
2008 年，我国就经历了 50 年一遇的大范围雨雪降温天气，部分地区降温幅度百年难遇，给我国带来巨大灾害。2016 年 1 月 21-25 日，中国发生“霸王级”寒潮, 此次强寒潮天气过程，降温剧烈，全国多地最低气温跌破历史极值。更近一些大家可能印象更深，2020 年底，2021 年初，包括刚过去的 2022 年 12 月，我国都有全国范围的寒潮天气造访，这些寒潮天气的影响范围都深入了广大的江南地区，直至广东。
就在现在，地球另一面的美国正在经历严重的冬季风暴，这场冬季风暴从去年年底开始肆虐，几乎横扫美国全境。如果你去搜索相关词条，你就会发现，美国去年也经历过全国范围的冬季风暴，去年的冬季风暴甚至使得德州进入紧急状态。事实上，由于地形等因素，美国冬天的极端天气比东亚地区更频繁。
但实际上，全球变暖并不是一句谎言，北极地区的升温速度远远高于其他地区，这导致北极海冰面积大幅减少，影响了极地海洋与大气的热交换，间接影响了欧亚大陆的气候。有学者提出，近些年，欧亚大陆呈现“北极暖，欧亚冷”的模态。北极气候变化可能是欧亚大陆极端天气频发的内在原因，当然有关北极增暖与北半球中纬度地区极端天气的影响机制，目前还存在争论。
西伯利亚冷高压
我国属于典型的季风气候，冬季，副热带高压减弱，冬季风主要受西伯利亚高压影响。
我们还是先来了解一下西伯利亚高压，这是我国冬季冷空气的直接影响因素。
说起西伯利亚高压，其实这里的冷空气并不是发源于西伯利亚，而是发源于北极，北极的冷空气南下往往都会在西伯利亚地区聚集，因此称为西伯利亚冷高压。
在高中地理中，我们应该都学过三圈环流，三圈环流在极地会造成冷空气下沉，低空形成冷性高压，高空则是冷性低压，极地的冷空气会与副极地低压带形成环流。但当冬季到来，极地气温降低，冷空气下沉更加强烈，在近地面受山脉阻拦，环流将中止，极地的冷空气会就地旋转形成北极涡旋。但由于海陆热力性质差异，冬季北极涡旋的中心往往不在北极地区，而是会发生偏心。
北极涡旋通常有两个中心，分别在加拿大的巴芬岛和西伯利亚东北部，它们分别控制着西北半球和东北半球的高纬度气流。当北极涡旋中心向南发展时，往往就意味着冷空气要来了。
影响我国的冷空气论其根源，大致有三个，分别在新地岛以西、以东、以南洋面上，其中新地岛以西、以东洋面上的冷空气来自西伯利亚东北部的北极涡旋中心，而新地岛以南洋面上的冷空气则来自于加拿大巴芬岛的北极涡旋中心。我这么说大家可能觉得很近，但你看地图就知道为啥说是三个发源地了。
冷空气从这三个发源地出发，经过三个路径进入寒潮关键区：
西北路径：新地岛以西的冷空气经过巴伦支海、俄罗斯欧洲地区进入我国。是影响次数最多（约占 50%）、达到寒潮强度最多的一路冷空气，也是经常影响冬季新疆的冷空气路径；
超极地路径：新地岛以东洋面的冷空气多经喀拉海、泰米尔半岛、中西伯利亚进入我国。它出现的次数少（约占 20%），但气温低，容易达寒潮强度。常见于冬春季；
西路路径：冰岛以南洋面的冷空气经俄罗斯欧洲南部或地中海、黑海、里海的北部进入我国。冷空气出现的次数约占 30%，由于此源地气温比其它源地高，一般达到寒潮强度的少，但在东移过程中与其它源地冷空气汇合后可达到寒潮强度。常见于春秋季。
寒潮关键区就位于西伯利亚中部，位置大约是 70-90°E，43-65°N，95% 的冷空气都将进入这个地区，并在这里积累加强，当冷空气积累到一定程度时，就将继续南下，进入我国的冷空气主要有四条路径：东路、西路、中路和东路加西路。
极端天气怪谁
极端低温事件往往与多个大气环流系统存在联系，单独一个大气环流系统发生异常是非常常见的，在这样的异常下往往只能造成有限的影响，而极端低温事件的形成条件需要多个大气环流系统同时出现异常并形成配合。除了大家熟知西伯利亚高压以外，与极端低温天气有关的大气环流异常还有极涡与阻塞高压。
先说极涡，其实前文已经介绍过它了，就是北极涡旋。这里的极涡其实应该是极地涡旋，简称极涡。极地涡旋是环绕地球南北极区的气旋式涡旋，南北极都有，只是南极涡旋明显对我国无法造成明显影响，因此我国冬天的天气，还是要看北极涡旋的脸色。
极涡是位于对流层中上层至平流层的大范围空气团，其形态、强度、面积等特征可以显示出影响我国的冷空气强度。研究发现 2007/2008 年冬季平流层发生强极涡事件后，行星波异常南伸，有利于冷空气向欧亚大陆南部输送，从而造成 2008 年 1 月南方低温雨雪冰冻灾害。据统计，在 10 个冬半年影响我国的 171 次寒潮中，有 102 次是亚洲上空出现持久极涡，其中 6 次强寒潮过程都与极涡在亚洲上空的位置明显偏南相关。
有一个我觉得很有趣现象是，研究发现，当极涡偏弱时，北半球中高纬度冷空气爆发的概率提高 50%。当极涡偏弱时，亚热带气团会北上，将北极涡旋挤到南方去，这时冷空气就将南下，冲击欧亚大陆和北美大陆了。至于这股亚热带气团，其实也是大家的老朋友了，一般就是北大西洋暖流。
再说阻塞高压，阻塞高压来自于盛行西风带。
西风带是位于中纬度对流层的主要平均水平环流，将极地涡旋包围在其中，通常会阻拦极地冷空气南下。但西风带并不是平直的，由于大气涡度，西风带实际上是波状流型的。平均而言西风带冬季有三个槽脊，夏季则有四个，这种波状流型就被称为西风带波动。其波动的主要特征就是纬向环流和经向环流的维持及其间的转换。
西风带的波动按波长可以分为三类：超长波、长波及短波。超长波波长在 10000 公里以上，呈准静止，属于中长期天气过程；长波波长在 3000-10000 公里，长波具有一定移速，有时也呈准静止，甚至会向西倒退，其变化通常会导致一般天气系统及天气过程发生明显变化；短波波长和振幅都比较小，移速更快。
在中高纬度地区，长波的波长可以达到与地球半径相似，故称行星波或 Rossby 波，长波从对流层中下层至平流层的底层都可以看到。
西风带并不稳定，当西风带长波槽脊显著加强，长波脊中往往可以形成闭合性暖高压，成为阻塞高压，在其一侧或两侧可以形成闭合的冷低压，成为切断低压。阻塞高压将西风急流分为南北两支，维持时间一般在 5 天以上，其西侧盛行偏南气流，气候温暖多阴雨，东侧盛行偏北气流，气候晴好。阻塞高压主要出现在北半球，例如亚洲常出现的乌拉尔山阻塞高压，其可以阻碍西风东移。
但当阻塞高压崩溃时，往往导致冷空气快速向西南爆发。当阻塞高压西部有西风槽入侵时，阻塞高压将崩溃，由于阻塞高压很大概率会形成横槽，而其崩溃时会造成横槽转竖，因此可以使得堆积的冷空气沿着转竖的横槽一路南下，造成寒潮天气。
寒潮
简单总结一下，正常的冷空气是来自北极的空气在西伯利亚堆积后南下，由于后继乏力，再加上沿途的阻碍，对我国影响比较有限，尤其是越过秦岭山脉之后，通常不会对南方造成剧烈伤害。
但当大气环流发生异常时，位于北极的极涡发生偏心，冷锋南压，再经过西风带大型长波槽 —— 乌拉尔山阻塞高压 —— 的引导，冷空气将源源不断地向西伯利亚堆积，提供充足的冷空气，最终造成对我国的大范围持续影响，就是寒潮。这时，海拔较低的秦岭无力阻挡冷空气南下，寒潮将席卷江南，甚至可以到达岭南，直至南海。当然，冷空气的形成到达广东一般也就结束了，海上还是副热带高压的天下。
其他因素
当然，天气的变化还是非常复杂的，寒潮的发生也远远不是三言两语就能解释清楚的。例如，有研究指出，北极涛动与欧亚大陆的寒潮存在关联，我们也可以通过北极涛动指数监测极端事件。北极放大效应使得极涡减弱，加剧了极涡冷空气分裂南下。ENSO 事件与极端低温事件可能也存在内部关联，这里的 EN 指的是厄尔尼诺现象，SO 指的是南方涛动。
拉尼娜事件是影响全球气候的重要因素之一。最新监测表明，赤道中东太平洋拉尼娜事件还在持续，预计此次拉尼娜事件将持续至 2022/2023 年冬季，这将是 21 世纪首次出现“三重”拉尼娜事件。这里的三重拉尼娜并不是拉尼娜连续出现三年，而是一次拉尼娜持续了三年。
不过，国家气候中心气候服务首席专家周兵表示，“三重”拉尼娜事件并非一年一年不断叠加，在第三年集中“放大招”。因此，虽然在一定程度上具有累积效应，但不代表气候影响会加倍呈现，今年出现冷冬的可能性很小。
只能说，天气作为典型的复杂动力学，想要研究透彻是非常难的，碍于篇幅所限，我们这次也只能讲到这，或许以后有机会可以再就一些问题跟大家接着聊聊。
参考资料：
【原创科普文章】寒潮的影响与防范
“高冷”寒潮来了，这些你应该知道！
影响我国的冷空气到底从何而来？真的是西伯利亚吗？
极地涡旋_极地涡旋是什么意思
全球变暖 寒潮极端性更强
浅谈西风槽
南大天气学原理第四章 3.ppt
阻塞高压_阻塞高压是什么意思
刘子奇.我国大范围极端低温事件年代际变化及其天气成因 [D].兰州大学，2022.
刘明歆.中国两类极端低温事件特征及其大气环流成因 [D].兰州大学，2021.
徐鑫萍.北极增暖与欧亚冬季气候间的联系及物理机制研究 [D].南京信息工程大学，2020.
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：李存东
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