高空的“大河”，会是预测极端天气的钥匙吗？
江水滔滔，收众山之雨灌溉两岸，带来丰收的希望，但有时也会带来没顶的灾厄。自古，人们就千方百计地想要驯服河流，即使现代有了“高峡出平湖”，水灾仍时有发生，甚至因气候变迁而愈演愈烈。
然而，自然的伟力显然不止于此。天上同样存在一条滚滚向东的“河流”，环抱着地球，搅动着海洋——高空急流，一道横跨数百公里、在万米高空肆意流淌、时速可达300公里的气流，也是蒂姆·伍林斯（Tim Woollings）所著Jet Stream: A Journey Through our Changing Climate（《高空急流：穿越变迁气候的旅程》，以下简写作《高空急流》）的主题。
伍林斯是英国牛津大学物理系教授，专攻大尺度大气动力学，是研究高空急流及相关气象系统的专家，与英国气象局有着紧密的合作关系。其研究同时结合了理论、模拟和实际数据，为此书的写作提供了丰富的材料。本书获得了美国气象学会为奖励面向大众的优秀气象学著作而设立的路易斯·约瑟夫·巴坦奖（Louis J. Battan Award），也是实至名归。
Jet Stream: A Journey Through our Changing Climate
Tim Woollings, Oxford University Press 2020
这本小书的主角是一个假想的高空气象气球，通过它被高空急流裹挟的旅程，作者解释了高空急流的成因和行为，及其与其他气候系统的相互作用和对世界气候的影响。
一
有趣的是，高空急流的发现也要归功于气象气球。1926年，日本气象学家大石和三郎发现从日本升空的气象气球总会向东飞到太平洋，这意味着日本上空有一股相对稳定的西风。遗憾的是，他选择了用世界语撰写这一发现，导致高空急流在很长一段时间里不为日本以外的气象学界所知。
这段时间正是现代气象学发展的黄金时期：一战催生了对准确预报天气的需求，同时，对气象的大规模观察也让气象学家能够利用更精确的数据，通过物理学上的考量提出现代气象理论。然而，高空急流在国际舞台上的短暂缺席也许仍是一个遗憾，即使气象学家已经通过物理方法推断出它可能存在。
不久，人们再次发现了高空急流。讽刺的是，促成这次发现的同样是战争。二战时美军轰炸日本，发现向西的航程特别缓慢，但飞机本身没有问题。于是他们推断，日本上空有一道高速气流直奔美洲。这时，高速急流才开始广为人知。
时至今日，借助承载着更先进的设备的气象气球和人造卫星，气象学家能以更高的精度进行更广泛的观测，同时，依靠强大的计算能力，他们也能更精确地模拟与预测各种气象系统。二者的结合揭示了高空急流与其他大尺度气象系统（带来晴好干燥天气的副热带高压、带来连日阴雨的温带气旋等）的关系。《高空急流》以平实易懂的语言，用物理学原理描绘了高空急流如何与气象系统相互影响：高空急流既是气象系统的一种反映，也给气象系统注入了能量。
二
要理解高空急流的性质，就要先理解它从何而来。虽然高空急流本身行为复杂，但它的成因只有简单的两点：大气对流及地球自转。
由于地球是球形的，太阳为不同纬度注入的热量并不平均：热带领受了最多的热量，极地则最少，由此产生对流。赤道附近的空气受热上升到高空，携带热量奔向两极，在途中逐渐冷却，于南北纬30度附近开始沉降，之后在地面回流热带，形成环流。在这股气流奔向两极的过程中，受地转偏向力的影响，北半球的南风逐渐偏转向东，气流沉降地点附近的温度差异又提高了风速，使之成为西风，这就是高空急流。
但这并不是故事的全部，高空急流也可能来自风暴。计算机模拟表明，在地球自转和流体力学的作用下，强烈的对流可能形成风暴，将冷暖对峙的势能转化为风暴的动能。而在风暴消散之后，这些动能的一部分就被注入高空急流之中，维持着它的高速流转。
无论是地球，还是热量部分来自内部的木星或土星，都因此拥有各自的高空急流。木星因自转较快，更是拥有多道相对稳定的高空急流，伴随着风暴将其表面分割成多彩的条带。在作为气态行星的木星上，高空急流畅通无阻。但地球上有高山大川，给万米之上的高空急流带来了看似微小，实则重要的阻碍——高耸入云的喜马拉雅山脉及横贯大陆的科迪勒拉山系都影响了高空急流的路径。
同时，海陆差异造成的季风和洋流等局部循环也以直接或间接的方式影响着地球上的高空急流及其固有的南北波动，这些波动造就了成对的高压区和低压区，给各地带来干燥或湿润的天气。可能带来低温冷害和洪涝的东北冷涡，以及剥夺南方雨水的副热带高压，都与高空急流的行星级波动大有关系。伍林斯在描述气象气球的高空急流旅程时，逐一讲解了高空急流对北半球各地重要天气系统的影响。美中不足的是，毕竟作者来自英国，因此对欧洲着墨甚多，有关其他地区的细节有待填补。
三
我们为什么要了解高空急流呢？
依仗现代超级计算机强大的计算能力及丰富的观测数据，我们已经能对几日内的天气做出相当准确的预报。而对于数年甚至数十年后气候的整体变迁，通过对主要气候系统的计算和模拟，我们也能得知大体的趋势。
最困难的反而是季度级别的预报，因为气象的不可预测性在这种情况下尤为突出。然而，季度级别的预报往往又特别重要。下一天的雨，最多是对人们的生活造成一时的不便，但持续几个星期的大雨或者晴天可能就意味着洪涝或旱灾。2020年，中国南方遭遇大面积水灾，长江五度迎来洪峰；2022年，鄱阳湖、洞庭湖日益枯竭……这些都是明证。
要对这些持续的极端气象进行预报，需要深入理解跨越全球的气候系统，高空急流正是串起这些系统的线索。天上的“河流”影响着地上的河流，这也许难以想象，但却是事实。
与高空急流相互影响的不止区域性因素，派生出厄尔尼诺和拉尼娜现象的厄尔尼诺—南方涛动、描述极地涡旋强弱的北极涛动等全球性的气候模式都与高空急流有着千丝万缕的联系。《高空急流》对这些联系进行条分缕析，以事例生动解释了这些气候模式，以及季节变化如何与高空急流相互作用。
对于我国来说，高空急流在春季的移动就预示着梅雨的到来和梅雨带的移动，而在冬季，受喜马拉雅山脉阻碍，它则会影响冷暖空气的排布，从而预示着各地冬季气温的变化。理解这些大规模气候模式，也许就是预测极端气象的钥匙。
而对极端气象的预报，在这个气候变迁的时代尤为迫切。全球变暖并不意味着任何时候、任何地点都会变暖，它会在各个层面同时影响全球性的气候模式，而这些通过高空急流相互勾连的气候模式又会产生复杂的反应，但这些反应难以预测，学界也仍在争论不休。
但也有一些影响是容易预见但违反直觉的。例如由冬季北极上空冷空气的对流产生的极地涡旋的边沿总伴有高空急流，这道环形的高空急流框住了北极的冷空气，阻止它南下。北极与中纬度的温差越大，这道急流越强，也就越能阻止冷空气进犯。但随着气候变暖，北极附近温差缩小，高空急流弱化之后，外部气象环境的扰动就容易破坏极地涡旋，分裂后的涡旋携带的冷空气大举南下，造成北半球各地的寒潮。
2018年初广东福建出现的超级寒潮以及2020年冬天打破北京最低气温纪录的寒潮，主因都是极地涡旋的破裂。气候变暖会导致更多的寒潮，初看荒谬，但如果你理解背后的原因，那就是再自然不过的结论。
然而，北极受到的影响恰恰相反。极地涡旋分裂后，冷空气不再主宰北极，南方的暖空气乘机北上，使大量海冰融化，海水吸收阳光的效率大大高于海冰，从而加剧了变暖的趋势。目前气候变迁的一个特征就是：各地气候都会发生显著的变化，但不同的地方出现的变化并不一致。这种不一致来自主导各地气候的宏观系统的差异，但要理解在什么地方会出现什么变化，不能局限于本区域的气候系统，必须以全球的眼光加以考量。
目前气候变迁的另一个特征，就是降水的分布变得更为极端：干旱的地方会变得更为干旱，湿润的地方则会得到更多雨水。这是因为更温暖的大气能容纳更多水蒸气，而降雨的要求也变得更严苛，即降水变得更为困难，但一旦满足条件，雨水就会更为充沛。
此外，极端天气的出现也会越来越频繁，这是事实。所谓“十年不遇年年遇”，其中并没有什么猫腻，而是因为“十年不遇”“百年不遇”的标准还是根据几十年前的观察数据制定的，面对目前气候变迁的新常态自然不再适用。如何应对这些极端天气，是人类生存面临的挑战。
《高空急流》中提到，为了在实验中研究高空急流，科学家建造了两个嵌套的玻璃半球，中间灌入薄薄的一层液体，然后观察半球自转时液体的流向，而人类就像生活在这层薄薄的液体之中的生物。
在地球上，对天气造成主要影响的对流层和平流层的厚度甚至不及地球半径的百分之一，数十亿年来，这层薄薄的液体按照自己的步调循环，而我们人类在无意中搅动了这一循环，由此带来的变化最终还是要我们承受。全球变暖虽已发生，但延缓甚至遏止这一过程仍然大有可为。从了解高空急流等全球气候现象入手，研究推算各地气候变化，考虑实行具体对策，也许是我们在这个极端气候越来越频繁的时代生存下去的最佳方式。
本文来自微信公众号：信睿周报 （ID：TheThinker_CITIC），原载于《信睿周报》第104期，作者：方弦（法国居斯塔夫·埃菲尔大学计算机系）
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