2021年的天气有什么问题？

2021年3月25日，11场龙卷风席卷了阿拉巴马州中部。为了求生，一家六口挤在一个狭小的衣橱里，当时最强的龙卷风——宽1.3英里，风速高达每小时150英里——将他们的家园撕裂。

听起来可能很奇怪，这些龙卷风以及两天后爆发的更多龙卷风，竟然与约10000英里外的印度洋上空翻滚的雷暴有关。而这并不是今年迄今为止美国唯一的极端天气事件，其根源竟然是数千英里之外大气中的事件。

如果你觉得这与著名的“蝴蝶效应”的某种变体有关（例如，巴西蝴蝶扇动翅膀是否会在德克萨斯州引发龙卷风的说法），不，并非如此。

与其想象蝴蝶扇动翅膀，不如想象一下交响乐团里各种乐器演奏着不同的声部。这个比喻可以帮助我们阐明今年美国发生的一系列极端天气事件的成因。

请注意，截至3月份，今年美国整体天气并不算特别糟糕。根据NOAA的数据，美国气候极端指数比平均水平低了16%。

但有些地区却遭受了重创。例如，3月份东南地区发生了284起严重天气报告——比长期平均频率高出143%。

今年迄今为止，美国可能发生的最极端事件发生在2月中旬：备受瞩目、造成致命影响的北极寒潮，导致北美大部分地区气温骤降至历史低点。零度以下的寒风，加上冰雪覆盖，甚至蔓延到更南边的墨西哥东北部——这个地区通常受到热带气旋的侵袭，而不是北极寒流。

根据NOAA的最新报告，仅在美国造成的损失就超过100亿美元，使其成为有记录以来最昂贵的冬季天气灾难。

一个月后，即使在冬季向春季过渡时，一场缓慢移动、携带大量湿气的风暴席卷了科罗拉多州和怀俄明州南部。科罗拉多州和怀俄明州部分地区报告降雪高达四英尺。（向东，气温较高的地方，堪萨斯州和内布拉斯加州部分地区降雨量为2到6英寸。）

在怀俄明州的夏延市，据报告雪堆高达六英尺。对于丹佛来说，这场暴风雪的27.1英寸积雪使其成为有记录以来第二大的三月暴风雪，也是整体第四大暴风雪。

仅仅三天后，一场猛烈的龙卷风袭击了南部地区。然后在3月25日至27日之间再次发生。根据NOAA的报告，阿拉巴马州卡尔霍恩县遭受的EF3级龙卷风是其中之一，造成五人死亡。

幸运的是，挤在衣橱里的阿拉巴马州一家人并不在此列。

为了寻找解释，并认为这可能与拉尼娜气候现象有关，我联系了北伊利诺伊大学气候与极端天气专家Victor Gensini。其中，我了解到，虽然拉尼娜可能对我们的天气产生了影响，但其他因素似乎更为重要。

正是Gensini建议我将大气视为一个交响乐团。或者，正如他所说，“一个乐器合奏，有时，有些乐器比其他的弹奏得更响亮。”

年初时，一个名为北极涛动（Arctic Oscillation）的现象是奏响强音的乐器之一。AO倾向于夸大极地急流——一条快速流动的大气河流，通常有助于天气系统前进——的波动。

另一个是称为玛登-杰里安涛动（Madden-Julian Oscillation）的波动现象。正是MJO将印度洋的雷暴与美国南部的龙卷风联系起来。

然后还有一个多年来日益突出的乐器：人类引起的气候变化。

让我们按时间顺序回顾一下今年的一些极端事件，从2月份历史性的北极寒潮开始。

北极降临墨西哥

要理解为什么气候亚热带的墨西哥东北部会经历降雪和结冰，你必须看向北方约4000英里，以及高层大气10到30英里处。在那里，你会找到现在臭名昭著的极地涡旋。

这条环绕高纬度北极的平流层空气河流，在冬季通常流动迅速而强劲，有助于封锁最严酷的北极寒冷。但在1月和2月初，涡旋的流动显著减弱，并变形了。

当北极涛动——一种气压和大气环流异常的拉锯式模式——进入科学家所谓的负模时，就会发生这种情况。为了我们的目的，细节并不重要。 suffice to say that at the beginning of February, the AO was playing quite loudly in that negative mode.（2月初期，AO以负模状态奏响了响亮的声音。）

两周后，这产生了许多预报员预期的影响：极地急流，它在大气中比极地涡旋低层流动，也变得减弱，并且不再快速而笔直地流动，而是变得非常弯曲。这反过来又向冬季的北极敞开了大门，让严寒空气大举南下。

你可以在上面的模拟图中看到这一点。白线勾勒出2021年2月15日极地急流深度弯曲的路径，而较冷和较深的颜色表示较冷的温度。（粉色代表较暖。）

寒冷的北极空气最终横扫加拿大，穿过中西部（在那里导致明尼苏达州埃利的气温骤降至-50华氏度），一直南下德克萨斯州（在那里导致大范围的停电和水管爆裂），并最终越过边境进入墨西哥。

拉尼娜在交响乐中的作用

当时，北极涛动并不是大气交响乐中唯一扮演重要角色的乐器。另一个是拉尼娜。

但奇怪的是，它并没有像Gensini这样的专家预期的那样按剧本进行。

与厄尔尼诺（El Niño）这个“热”的兄弟不同，拉尼娜（La Niña）表现得非常“冷”——字面意义上的。这种气候现象的特点是赤道太平洋异常寒冷的海水，以及上方大气中一系列相关效应。

其中一些效应会延伸到很远的地方——从太平洋中部的赤道一直延伸到北美更温带的纬度。拉尼娜通过偏向极地急流更弯曲的流动来实现这一点，这与北极涛动类似。同时，它也可以使急流整体向北移动。

但Gensini说，在这场拉尼娜期间，极地急流的实际情况“与过去大不相同”。“它看起来更像气候变化。”

根据Gensini的说法，在2021年初的大部分时间里，极地急流比预报员期望的在拉尼娜期间的位置更偏北——平均达到北纬60度。（这距离北极圈只有大约400英里。）因此，极地急流与其更靠南的姐妹——副热带急流——的相互作用大大减少。

这种“分裂流”模式，两条急流间隔很宽且相互作用很少，会让冬季风暴系统脱离急流的流动，导致其移动非常缓慢，同时从南部吸入大量水分。

这正是3月份科罗拉多州和怀俄明州那场大雪中所发生的。

Gensini说，拉尼娜现象通常偏向于急流的分裂流模式，“但并没有这么持续。”到了这个时候，两条急流通常会重叠并大量相互作用。“但今年我们看到的很少。这很不典型拉尼娜。”

这正是Gensini怀疑另一个乐器在今年的大气交响乐中扮演着特别增强的作用：气候变化。

急流是由温暖的热带和寒冷的极地之间巨大的温差驱动的。但由于北极的升温速度快于全球其他地区，这种温差梯度已经减弱。物理学和气候模型都表明，这会使急流变得有些疲弱。但不仅如此，Gensini认为，极地急流也应该向北移动。

他警告说，“我们很难看着正在发生的事情说，‘是的，这就是气候变化’。但它与我们的气候模型告诉我们应该从气候变化中预期到的结果是一致的。”

龙卷风的恐怖

与其他乐器相比，拉尼娜在另一个方面也比预期的“音量”小一些。

研究表明，拉尼娜年份往往会增加美国南部的龙卷风活动。这正是预报员今年在那里预期龙卷风数量激增的原因。

但乐团有更“不和谐”的安排：至少到目前为止，3月份的极端活动实际上是例外，而不是规则。

Gensini说：“高于平均水平的预测尚未实现。”“1月份和2月份实际上比正常情况要平静，截至3月1日，龙卷风不到10场。”

但在该月的第一个星期平静之后，龙卷风咆哮着出现了。

根据NOAA风暴预测中心收集的统计数据，3月份的龙卷风数量是该月平均数量的两倍多：173起，而1989-2013年的平均数为78起。

Gensini说：“这使得年龙卷风数量达到了应有的水平。”换句话说，截至3月底，数量约为平均水平。

拉尼娜可能在龙卷风数量激增中起到了作用。但3月初最响亮的演奏者可能是玛登-杰里安涛动——它似乎（哎呀）使龙卷风活动增强的砝码倾向于此。如何做到呢？

这就是印度洋上空雷暴群出现的原因。作为MJO循环的一部分，这片云、雨和风的区域向东移动，最终在赤道地区穿越地球，并在大约30到60天内回到起点。沿途，它可能对其他地方的天气产生深远影响。

为了理解MJO如何影响3月份的龙卷风爆发，让我们暂时放下交响乐的比喻，将大气想象成液体。事实上，从物理学角度来看，“它的行为就像水一样，”Gensini说。这很重要，因为扰乱一个地方的大气的东西会导致数千英里外的大规模扰动波。

这正是MJO发生的情况。Gensini说：“想象一个游泳池，有人在泳池里乘着木筏上下跳动，发出波浪。”这就是印度洋上的雷暴所做的。

在大气中，这些“罗斯比波”向东传播，最终在大约两周后到达北美。一旦到达这里，它们可能会导致极端天气。（它们也可以反过来，取决于具体情况。）

3月初，拉尼娜仍在持续，但对龙卷风活动的影响并未达到预期。然而，在那之后，印度洋上空那个“罗生门”般的MJO木筏开始上下颠簸，发出罗斯比波。

考虑到这一切，预报员警告说，两周后的天气状况很可能会给美国南部带来龙卷风和冰雹。正如我们所见，这正是发生的事情。

Gensini说：“有时候天气非常容易预测，而有时候则不然。”“这些MJO事件使我们能够利用额外的可预测性。”

现在，回到我们最初的比喻会很有帮助……

回到交响乐

截至4月的第一周，MJO的表现预示着短时间内龙卷风活动将有所减缓。这是个好消息。

但4月其余时间，直至5月和6月初，是美国南部龙卷风活动通常达到高峰的时期。即使拉尼娜现在似乎正在消退，其影响可能仍然会听到。

Gensini说：“我们确实预计拉尼娜会加剧龙卷风活动。”

当MJO再次大声奏响时，预报员将更加确定。但当然，到那时，大气乐团的其他成员可能已经在改变乐谱了。