什么是极涡以及极涡如何影响天气外文翻译资料

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什么是极涡以及极涡如何影响天气

在媒体广泛报道了2014年初冬各国家的极端寒冷事件后，极涡一词已成为日常词汇的一部分。然而，媒体、公众甚至是科学界对于极地旋涡是什么以及它们与各种天气事件关系存在一些疑问。美国气象学会（AMS）词汇表中的极涡一词在2000年、2014年和2015年10月被再次修订（AMS 2015），这一事实说明了这种疑问。许多混淆源于文献中使用极涡来解释两种不同的现象大气环流特征：一个在对流层，另一个在平流层。在讨论极寒事件时，他们之间的区别并不总是明确的。

另一个疑问源于这样一个事实：这些极涡既不罕见也不极端；它们只是地球气候学的基本特征。虽然某些极端天气事件与对流层极涡边缘的瞬时位移有关，但这些事件绝不是全球大气环流主要变化的表现。在这里，我们阐明了平流层和对流层极涡的不同结构、季节性和动力学，并讨论了两者与地球表面极端天气事件的联系。

图1：平流层和对流层极涡示意图

两个极涡。在大气科学文献中，“极涡”一词最常用作“绕极涡”的缩写，指的是在中纬度或高纬度地区环绕极地的行星尺度西风（从西到东）流。虽然极涡有时被描述为从对流层中部延伸到平流层上部（如2000年和2014年版的AMS词汇表中所述），但实际上地球大气中有两种截然不同的极涡：对流层涡和平流层涡。对流层和平流层球形绕极涡如图1所示，在图2所示的气候纬向平均纬向风中可以很容易地看到。纬向风达到半球最大值的纬度可被视为是极涡的近似边缘，图2显示，该纬度在100 hpa左右存在明显的垂直不连续性。同样应该清楚的是，对流层中的涡流比平流层中的涡流大得多，而且两者之间没有直接联系。此外，我们希望强调这两个旋涡之间的另一个基本区别：它们的季节演变。当对流层旋涡常年存在时，平流层极涡只存在于秋季到春季。在下面的章节中，我们将更详细地描述这两个漩涡。

注：1在一些情况下，使用极涡来指出现在极地区域和更宽对流层极涡内的更小和更短寿命的涡，例如，卡瓦洛和哈基姆（2009年）。

图2：1月和7月的气候纬向风平均值。菱形标志着每一压力级的纬向风的半球最大值和该半球极涡的近似边缘。数据来源：国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心（CPC）分析。

平流层极涡。平流层中这些绕极西风带的已知边缘可追溯到20世纪40年代晚期（例如，谢尔哈格1948年；古登堡1949年）。“绕极涡”一词在早期的论文中被使用（例如，Brasefield 1950），但在20世纪50年代末和60年代（例如，Palmer 1959），缩写“极涡”变得很常见。

定义平流层极涡的强绕极西风带在纬度约60°处最大化，从对流层顶上方（约100 hpa）进入中层（高于100 hpa；见图2）。平流层旋涡也可由西风带包围的低位势高度的相干区域来定义，如2014年1月的图3a所示（厚等值线是代表旋涡边缘的位势高度）。然而，近几十年来的大多数研究都通过高势涡度区域（pv；见图3b）来定义涡。pv与VOR-TICTY（一种测量空气包旋转速率的方法）和分层（垂直移动的空气包将倾向于回到其起始高度的程度，就像湖面的水一样）的乘积成正比。pv对于理解旋涡动力学有几个有用的性质：1）对于没有非绝热加热或摩擦的流动，pv在物质上是守恒的；2）其他动力学场可以通过pv使用“pv反演”（例如，hoskins等人1985年）和3）太阳光伏梯度在极涡边缘比其他纬度更为锐利，为罗斯比波的传播提供了恢复机制。罗斯比波是温带大气圈和平流层中的基本低频扰动，粗略地说，所有对天气和气候状态的讨论有兴趣的极涡大尺度扰动都可以用罗斯比波来描述。

平流层极涡是中纬度和极地之间的大规模温度梯度的结果。它形成于秋季，此时极地地区没有太阳加热，冬季加强，然后随着春天阳光返回极地地区而分解，高纬度风变成弱东风（Waugh和Polvani，2010年；及其参考文献）。如果太阳加热完全平衡红外线冷却（所谓的辐射平衡），那么平流层极涡将更强烈，极点将比它们更冷。对流层中激发的罗斯比波向上传播到平流层中，使涡流远离辐射平衡，使其弱化，使其形状偏离极点的圆对称。

北半球（NH）的较大地形和陆海对比产生了比南半球（SH）更强劲的向上传播波，导致北平流层涡比南半球（即，SH平流层涡比NH涡更大、更轴对称）更弱、更扭曲。例如，Waugh和Randel 1999）。这也会导致NH涡的时间变异性更大，包括所谓的突然平流层变暖（SSW），它包括极地温度的突然上升和隆冬期间平流层涡的破裂。这些SSW大约每两年在北半球发生一次（查尔顿和波尔瓦尼，2007年）。相比之下，南半球的SSW仅在2002年9月接受过一次改变（例如，Charlton等人2005）。

注：2·其他行星体的大气中也存在极涡，包括火星、金星、土星和土星的卫星泰坦（例如，2011年）。

由于平流层臭氧损耗的重要性，使人们对平流层极涡的科学兴趣在1980年代中期急剧增加。旋涡内的低温和穿过旋涡边缘的极地和中纬度空气的减少混合是形成南极臭氧洞的关键因素，也是北极上空较不引人注目（但仍然重要）的冬春耗竭（例如Schoeberl和Hartmann，1991年）。

近年来，平流层极涡的研究已远远超出臭氧问题。人们越来越认识到，平流层极涡与对流层极涡不同，但平流层涡确实影响对流层乃至地面天气。我们在下面进一步讨论这个问题。

图3：2014年1月使用（左）地理高度（阴影）和纬向风（30,40,50和60m/s的白色轮廓）显示（a），（b）平流层和（c），（d）对流层涡旋的地图在（a）50和（c）300 hPa与（右）位势涡度在（b）450和（d）330 K.厚黑色轮廓表示使用位势高度或位势涡度定义的涡旋边缘。 数据来源：国家环境预测中心（NCEP）重新分析。

对流层极涡。虽然对流层气象学的科学文献比平流层气象学的要大得多，但在对流层文献中，极涡一词却不常见。尽管如此，最早的将对流层绕极流描述为漩涡的科学论文与描述平流层极涡的科学论文一样古老，最初的论文可以追溯到20世纪40年代末和50年代初（如Rossby和Willett 1948；Laseur 1954），随后是Angell等人的一系列论文。20世纪70年代至2000年代[见Angell（2006）；及其参考文献]。这些研究中的大多数是指对流层绕极涡，但它只是指极涡的并不罕见（例如，Angell和Korswhiper 1975；Angell 1992；Kashki和Khoshhal 2013）。

这个漩涡的边缘通常由特定的地理位势轮廓来定义，在300或500 hPa的压力水平上，通常位于西风带的核心（例如，安吉尔2006；弗劳恩菲尔德和戴维斯2003；以及其中的参考文献）。所选轮廓的值各不相同，但对流层旋涡边缘一般位于40°和50°N之间（见图3c中的厚轮廓）。在月尺度或更长时间尺度上，对流层旋涡通常有一个或两个中心（图3c），但在日尺度上，旋涡可能有几个中心（图4）。气候学上的北半球冬季旋涡有两个中心：一个在巴芬岛附近，另一个在西伯利亚东北部（与冰岛和阿留申群岛的地面低谷有关）。类似的绕极不对称通常不会在气候学上的南半球漩涡中观察到（例如，Burnett和McNicoll 2000）。

图4:2014年1月3日 - 8日300 hPa位势高度的地图。黑色轮廓标记300 hPa处的对流层涡旋边缘，白色轮廓标记50 hPa处的平流层涡旋边缘。 1月5日和6日的R和T分别表示了文本中讨论的脊和槽的位置。 数据来源：NCEP重新分析。

虽然在上述tro-pospheric涡研究中没有讨论，但对流层涡的边缘（如平流层）可以从等熵面上的位涡度等值线或（等效）恒定位涡度面上的位温定义（hoskins等人1985）。用于定义漩涡的300–500 hpa位势高度等值线类似于pv=2或3个位势涡度单位（pvu；1 pvu=10-6 k kg-1 m2 s-1）表面的交叉点，通常用于定义具有320或330-k等熵表面的超热带地区的动态对流层顶（见图3d）。与平流层的情况一样，太阳光伏场显示出比地球静止高度更精细的尺度结构，能够更详细地分析罗斯贝波的动力学和相关的热带外天气扰动。

对于平流层旋涡，对流层极涡及其相关的强西风气流是热风关系和极赤道温度梯度的主要表现。然而，与平流层涡旋相比，斜压不稳定性（以及由此产生的波）在大规模对流层急流的变率和长期维持中起着关键作用（Robinson，2006年）。斜压不稳定是大多数温带对流层天气系统从基本极到赤道温度梯度的束外能量过程，但这些天气系统主要局限于对流层。只有空间尺度最大的罗斯比波才能够向上传播到平流层（Charney和Drazin，1961年），而且这些波大多是由西风气流在山脉和大陆陆海对比中产生的。因此，平流层极涡的可变性缺少主宰对流层可变性的“天气尺度”结构，典型的水平尺度为1到几千千米。这很容易通过对比图4中对流层（黑色轮廓）和平流层（白色轮廓）极涡的边缘看到。

对流层旋涡的研究主要集中在半球尺度环流以及旋涡大小和形状的季节性和年际变化上。尽管有一些例外（例如，加德纳和夏普2007年；卡什基和霍什哈尔2013年），但明确提及极涡的论文中对天气尺度天气的关注要少得多。

极端天气事件。对流层和平流层的极涡明显不同，但它们在某些情况下可以相互作用，而且两个极涡都可能受到相同的大尺度波事件的影响。此外，在某些情况下，这两个漩涡都可以在极端的地面天气事件中发挥作用，尽管对流层漩涡通常对地面天气更为重要。在这种情况下，两个漩涡的存在需要一个非常微妙的讨论每个漩涡的相对作用，如果有的话。在讨论地面天气事件时，经常提到平流层漩涡，有时是由于混淆了对流层和平流层的漩涡，甚至是由于缺乏对两个截然不同的漩涡在大气高度上存在的简单认识。平流层旋涡可以在一些（但不是全部）地表天气事件中发挥作用，尽管通常是间接的。这可以通过平流层-对流层相互作用的一种或多种机制发生。

尽管与平流层极涡相关的高PV相干区位于平流层，但它可以影响其下方的对流层气流（例如，Black 2002；Ambaum和Hoskins 2002）。这种影响包括由于臭氧空洞导致的南极极地涡增强而导致的南半球夏季环流和天气趋势（汤普森等人2011年）以及弱和强北极平流层旋涡事件与极端地面天气之间的联系（Baldwin和Dunkerton，2001年）。后一个北极连接涉及从极地地区到地表中纬度的前极冷空气团的运动（冷空气爆发），并且已经表明，在平流层旋涡高度扰动和减弱之后，此类事件的概率增加（汤普森等人2002年；Kolstad等人2010）。许多将平流层旋涡与地面气候联系起来的研究都描述了所谓的努拉模式（如北极或南极振荡）与对应于弱旋涡的模式负相位之间的联系，反之亦然。尽管冷空气爆发的发生和平流层旋涡的减弱之间存在统计联系，但它们之间没有一对一的关系。冷空气爆发从根本上说是对流层事件，在没有任何可检测到的平流层影响的情况下，冷空气可以爆发而且可以经常发生。

对流层极涡与中纬度极端地面天气事件之间的联系比平流层涡与此类事件之间的联系更为直接，尽管大多数明确提及对流层极涡的文献都没有检验这种联系。一个例外是Cellitti等人。（2006年），世卫组织指出，在冷空气事件之前，对流层极性VOR-TEX比平均值弱。然而，在这项研究中，漩涡被定义为一个以巴芬岛北部为中心的小而封闭的环流，这与上述气候学研究中所考虑的大尺度半球绕极对流层漩涡有很大的不同。因此，目前还不清楚半球尺度对流层旋涡的大小和/或强度是否以及在多大程度上与冷空气爆发有关。

对流层极涡和极端天气事件之间最直接的联系是，极涡边缘的扭曲通常与该边缘附近特定位置的极端天气事件密切相关。这些“扭曲”对应于沿喷射流传播的大振幅行星尺度波，传统上用槽和脊来描述。最近对极端事件的研究（例如，Francis和Vavrus，2012年；Barnes，2013年）研究了地理位势高度等值线的经向位移，类似于用于定义半球尺度对流层漩涡的经向位移，尽管在这些研究中没有讨论这些术语，但可以理解为极涡的扭曲。在冷空气爆发期间，对流层旋涡的边缘在某些特定的经度范围内比平常向赤道移动得更远；这伴随着表面异常冷的空气，通常是由天气尺度扰动引起的，其路径沿着被移动的旋涡边缘移动。请注意，在这些事件期间，对流层旋涡可以向极移动，在其他经度的表面比平均温度高。

一个例子是2014年1月初在美国东部发生的冷空气事件，它将“极涡”一词引入了公共场所的通用词汇。该事件是美国上空大振幅脊槽系统的结果，1月6日，该槽将极冷的空气带到美国东部南部，如图4所示。虽然这一事件通常归因于整个极涡的运动，但不能直接归因于平流层涡的变化，甚至不能归因于对流层涡的半球变化。然而，如图4所示，用对流层旋涡边缘的波和1月6日美国东部上空部分旋涡（或“a波瓣”）的变形来描述它可能是合适的。

结束语。目前还不清楚，用极涡来描述冷空气爆发事件，如图4所示，与传统描述相比，在脊槽或沿喷射流传播的波方面，是否增加了重要的新见解。由于有两个截然不同的极性旋涡，平流层旋涡可以发挥重要作用，但通常不会。引入这个术语实际上可能会引起一些误解。此外，由于地面天气干扰只与有限区域内涡流边缘的分布有关，而不是半球尺度对涡流的变化，因此，考虑到涡流是半球尺度结构，调用“涡流”一词并不能澄清任何事情。使用这个术语，如果没有充分的解释，可能意味着全球对流层环流的变化比实际发生的变化更为剧烈（例如，“极涡又回来了！”）。

这就是说，这个术语已经迅速根植于流行天气杂志ISM的词汇中，并且似乎在极端天气的科学文献中变得更加普遍（华莱士等人2014）。我们鼓励使用它的人执行以下操作：

1. 明确区分平流层极涡和对流层极涡。许多地面天气事件只涉及对流层旋涡，然而使用术语“极涡”的大多数科学文献是指平流层。因此，必须谨慎区分，任何选定的参考或引文都应指向正确的旋涡（通

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