极地涡旋的脉动揭示了绘制未来风暴地图的关键

如果你能预测急流的路径，上面的大气波动的风，那么你可以预测天气——不只是一两个星期，而是整个季节。斯坦福大学(Stanford)的一项新研究通过揭示急流的速度和位置与极地涡旋的强度之间的物理联系，达到了这一预测水平。极地涡旋通常盘旋在北极上空。

“急流决定了一切，”地球、能源和环境科学学院(斯坦福地球)地球系统科学的主要作者和助理教授Aditi Sheshadri说。“风暴一起骑它。他们之间的互动方式。如果急流移动，风暴最强烈的地方也会发生变化。

发表在《大气科学杂志》(Journal of Atmospheric Sciences)上的这项研究，确定了两种截然不同的模式，即气流如何在射流中流动，以及夹层的大气层。

大气的系统

在一种模式下，风速和风向的变化开始于对流层中靠近赤道的地方。赤道是急流下面的潮湿、多雨的大气层，最靠近地球表面。这种模式下的风的变化迅速地通过急流传播，进入干燥的上层大气的极地涡旋中，也就是平流层。

在另一种模式中，平流层极涡的强度影响着射流的路径和强度，以及它如何与对流层中的风暴相互作用。在这种模式下，极地涡旋会像脉冲一样向地表发出信号。较弱的涡流会产生向赤道方向滑动的弱射流;一个更强的涡旋增强了射流的强度，同时把射流拉向极地。

Sheshadri说:“这些深层的垂直结构以前从未被展示过。”“这是系统本身最基本的东西。”她的分析可以帮助解释在2018年初发生的一个事件的表面天气影响，当时的涡旋减弱了那么多，以至于它被一分为二——科学家们知道这一现象可能会使西欧的极端天气持续两个月。到目前为止，对这些相互作用的理解是基于观察和统计建模，而不是基于对其物理基础的了解。

这些模式可能是预测某些环境变化对地球表面长期影响的关键。虽然空气在正常的冬季相对独立地在对流层和平流层中流动，但是臭氧的减少、高水平的温室气体、海洋变暖、积雪的减少以及其他的干扰都可以打破这种独立性，以复杂的方式影响涡流和急流。例如，温室气体的排放可以增强涡旋，同时增强从对流层传播的波浪，并在它们破裂时削弱涡旋。

Sheshadri说:“我们不知道增加温室气体的这两种效应中哪一种会胜出。”

构建更好的气候模型

为了找到答案，Sheshadri的团队开始理解气候是一个系统，它以一种可预测的方式对已知力量做出反应，尽管内部动力是随机和系统波动的混合体。他们用了近一个世纪的数学定理来预测量子力学系统中看似随机的行为，并将其应用到代表冬天地球大气的数据上。

“我们有35年的风数据，”Sheshadri说。“我们能不能从这些观察中得出一些结论，比如说，如果你增加二氧化碳，风会怎样变化?”这就是一切的开始

目前的气候模型擅长于显示整个大气层的温度随时间的变化以及臭氧或二氧化碳等不同程度的物质。“我们非常确定大气的温度结构将如何变化，”Sheshadri说。“然而，如果你观察风、雨或雪等事物的变化——任何具有动态性质的变化——我们真的几乎不知道会发生什么。”

然而，这些是应对气候变化最生动的指标之一。“没有人能感受到全球平均温度，”Sheshadri说。“在接下来的10年里，我们将会有多少次不得不应对某个地区的洪水或寒流?”这就是这个问题的答案

通过揭示支撑这些动态变量的物理过程，本研究开发的方法也可以帮助排除气候模型的缺陷。

Sheshadri解释道:“我们目前的做法是采用一个模型，然后将其向前运行。”但许多建立在相同历史数据上的模型对未来产生了不同的预测，部分原因是它们对对流层和平流层如何相互作用以及射流如何波动做出了不同的假设。到目前为止，还没有一种方法可以将这些假设与大气的实际变化相对照。

Sheshadri说:“我们需要确保模型是正确的，并且有正确的理由。”这项新研究提供了一种方法来解决这种不确定性，并预测未来几个月的风暴。