极涡的移动与全球气候变化的关系

钟萃相

【摘 要】全球气候的变化越来越受到世界各国的关注，而且在应对全球气候变化的策略方面也引起了广泛的争论和研究。尽管许多人认为全球气候变化是由于人类燃烧化石燃料导致的，但科学界仍有争议。于是，作者分析了影响全球气候变化的各种因素，发现极涡的移动是全球气候变化的主要原因，从而提出了防止全球气候变化异常的合理对策。

【关键词】极涡;移动;全球气候变化;原因;对策

中图分类号： P42 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0114-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.053

0 引言

在过去的数十年中全球气候发生了快速变化，冰川融化、海平面上升、物种濒危、大气洋流异动，使全球许多国家自然灾害频发、天气异常，对人类和生态系统产生了显著影响[1]。例如，近年来美国接连遭到超强飓风的袭击、猛烈山火的破坏和极寒天气的侵扰;许多相邻地区也受到不同程度的牵连或影响。全球气候的异常变化越来越受到世界各国的关注，而且在应对全球气候变化的策略方面也引起了广泛的争论和研究。

为了对症下药地应对全球气候的变化，首先必须找出全球气候变化的原因，再确定有效的对策。然而，科学界对全球气候变化的原因众说纷纭、莫宗一是[2]。为此，作者重新分析了影响全球气候变化的各种因素，发现极涡的移动是影响全球气候變化的主要原因，并提出了防止气候异常变化的对策。

1 全球气候变化研究的已有结果

经过多年的研究，人们发现能影响气候变化的主要因素有。

（1）地球轨道的改变：地球轨道的微小改变就能影响阳光在地球表面上的季节性分布和地理性分布，而且与冰期和间冰期显著相关[3，4]。

（2）太阳的辐射量：卫星对太阳辐射的精确测量表明自1978年以来太阳辐射并未增加，所以在过去40年中，气候变暖不能归咎于到达地球的太阳能的增加[5]。

（3）火山的活动：火山可以喷发出大量的气体和微粒到大气层中。能够影响全球气候的火山喷发平均每个世纪发生几次，而且（通过阻挡太阳辐射到达地球表面）导致数年内气候变冷[6]。

（4）磁场的强度和海洋的变化：一些近来的研究表明全球气候的变化还与磁场的强度和海洋的变化有某种程度的关系[7]。

（5）人类的活动：许多人认为气候变化很可能是由于人类活动造成的。在这些人类因素中最值得关注的是燃烧化石燃料所排放的CO2浓度的提高，其次是制造水泥所产生的飘尘的增多，另外还有土地滥用、臭氧层的破坏、畜牧业和农业的盲目活动、森林的砍伐等都可能对气候有不同程度的影响，从而成为气候变化的因素[8]。

由此可见目前人们更多地认为影响气候变化的主要原因是人类燃烧化石燃料、砍伐森林等活动。但是，学术界对此结论仍有争议，他们用大量的证据驳斥了这一观点，并认为自然驱动才是全球气候变化的主要原因，但他们并未找到具有说服力的自然驱动力。于是，作者重新研究了构成地球系统的几个要素，找到了影响全球气候变化的主要原因，并提出了相应的对策。

2 关于全球气候变化的新发现

近年来北美部分地区接连遭到极寒天气的侵袭，美国中西部地区气温甚至跌破零下50华氏度（约-45.6℃）。专家把这种极寒天气的成因归结为“极涡南下”。由此启发人们极涡的移动是引起气候变化的重要因素，但为何极涡偏向北美或欧亚大陆而较少沿别的方向移动？为何近年来极涡肆虐变本加厉？极涡移动与全球气候变化的真正关系是什么？这些问题仍然困扰着科学界，悬而未决。幸而，近来作者研究了极涡的形成与变化机制[9，10]，能够解答这些问题。

2.1 极涡的形成与电流暖心机制

由于地球具有巨大的质量，因此地球拥有浓密的大气层。在地球自转离心力的作用下，地球逐渐成长为赤道隆起、两极稍扁的球体，使地球两极位置的半径小于赤道及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比。当地球快速自转时，产生的强大离心力使赤道和低纬度地区上空的云气容易远离其旋转轨道而沿着螺旋轨道向两极移动。由于极地位置的万有引力大于其他位置的万有引力，因此当云气移到极地上空时容易被极地的万有引力吸引住，云气吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。许多坠向极地的云团随着地球的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”，如图1所示。地球有两族较大的涡旋结构，分别位于南极和北极，深度可跨越地球的对流层和平流层。这种涡旋结构常年存在，在冬季达到最大强度。当北极处于夏季，其涡旋不显著时，南极处于冬季，其涡旋显著;当南极处于夏季，其涡旋不显著时，北极处于冬季，其涡旋显著。所以这两族涡旋结构具有优势互补的作用[11，12]。

由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且以螺旋方式快速旋转，因此可形成一系列宽厚的螺旋云带，这种云带不仅便于较重的水滴向下流动而且便于电荷的传递，可谓是导电性能极佳的电路。由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，使涡旋中充满了正离子和负离子，并在涡旋中产生许多电流和闪电，如图2所示。云中的水滴“优先”吸收大气中的负离子，使水滴逐渐带上了负电荷，因为带负电的云滴比较重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云带流落到涡旋底部，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部甚至涡旋顶部，从而在螺旋云带中形成了从涡旋底部流向涡旋顶部的电流。特别地，由于螺旋云路上的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，不断地产生雷暴，每个雷暴好似一部静电起电机，将电流送到涡旋顶部和底部，形成一系列的云带电路。由于这些云带电路会产生巨大的热量，因此形成涡旋的暖心结构。暖心部分的空气膨胀上升，上升到风眼墙的冷凝段时水汽凝结，使螺旋云带的导电性能增强，电流增大，暖心更热，暖心部分空气膨胀上升速度进一步加快，上升水汽凝结过程愈演愈烈。因为水汽凝结成水珠时其体积缩小1000多倍，形成低压中心，四周较凉空气迅速向低压中心流动，形成强烈的大气涡旋[9，10]。

2.2 极涡偏移与全球气候变化的关系

极地涡旋是一种形成于地球极地的持续不断、规模宏大的气旋，一般位于对流层中上部并可延伸到平流层。通常它们环绕北（或南）极活动，不能轻易越出极区盆地。极地涡旋一般会在冬季加强，在夏季减弱。当极涡未受到外界破坏时，它能很好地控制极圈的冷空气;但当极涡受到外界破坏而分裂时，可为中低纬度地区带来冷空气[11，12]。

由于南极冰盖较厚，气温较低，极涡周围又有高原环绕，受到外来风的干扰较小，因此南极涡旋比北极涡旋更为稳定和强大，很难破裂，持续时间也相应更长。但在北极，由于北极航道的开通和油气的勘探和开采，使得北极冰盖大量融化，冰川流失，永久性冻土层下降，极区盆地边缘沉陷，北极地区海平面和大气等位面也大幅度下降，导致北极涡旋变得瘦弱，生风乏力，使全球气候逐渐变暖[13]。

正如月球能引海潮那样，月球也能牵引漂浮在空气中的涡旋，众所周知的北极涡旋南移就是月球牵引的结果。每当月球经过北极上空向南运行时，极地涡旋会受到月球万有引力的作用而被分裂成两个或几个涡旋，从而被削弱，此时北极变暖，而中低纬度地区温度下降。当北极涡旋分裂成两个或多个涡旋时，最强一个涡旋靠近加拿大的巴芬岛，另一个位于西伯利亚的东北部。

每月当月球经过北极上空向南运行时（通常为阴历初七至初十），如图3和图4所示，月球都会牵引一些涡旋向南移动，由于南部的暖湿空气被干冷的空气所代替，南部的人觉得异常寒冷，并且天空阴云密布，冷锋的云雨随之而来，一連数天阴雨连绵。当月球经过南极上空向北运行时（通常为阴历二十二至二十五），也会出现类似的天气现象。可见，极涡的移动是影响全球气候变化的重要因素，两极就是地球的空调器。

每年冬季（12月份至次年2月份），每当月球经过北极上空南下时，极涡会在月球的牵引下向南移动，导致北极变暖而中纬度地区和低纬度地区气温下降，甚至出现极寒天气。随着月球将一个又一个的极涡从中心盆地拖出南下，沿途的森林叠嶂被极涡的风雨雷电逐渐地夷为平地，使极涡南移受到的阻挡越来越少，造成北美极寒变本加厉。另外，由于北极航道的开通和油气的勘探和开采，北极冰川流失，北极冰盖和永久性冻土层下降，极区盆地边缘沉陷，也使得南下的涡旋受到的阻挡变少，其风眼墙被削减得也少，这也是导致近年来北美出现极寒的原因之一[14，15，16]。

每年春季（3-5月份）常有来自西伯利亚东北部的涡旋在月球的牵引下南移。由于对流层上部的气流速度可达50m/s，因此在以1020m/s运行的月球的带动下，极涡能以超过50m/s的速度向南（或北）移动。但因此季北亚气温仍然偏低，沿途缺乏水蒸气，涡旋不能立即加强为重大气旋，只能长时间漂流在高空。但到了3月底亚洲中南部地区气温逐渐上升，深山谷地蒸发起大量的水气，但因受到周围高山的阻挡而难以逃逸，只能在谷地上方形成云团。因此，当南下的涡旋漂流到这种谷地上方时立即吸收从谷地蒸发起来的云气，可能加强为龙卷风，坠入谷地，蜕化为火龙卷，燃起森林大火，2019年四川凉山州木里森林大火就是典型一例。

每年春夏季（4-8月份）也有来自西伯利亚东北部的涡旋南下，但因此季北亚气温开始上升，像贝加尔湖之类的大湖泊开始蒸发起大量水气，当南下的涡旋漂过这种大湖上空时能够吸收不少云气，逐渐加强为龙卷风，坠入附近的森林或草原，蜕化为火龙卷，燃起森林或草原大火。2010年7-8月份的俄罗斯南部森林大火和2019年4月中旬的中俄边境草原火灾就是其中的典例。

每年夏秋季（5-11月份）生于西伯利亚东北部的北极涡旋，随着月球的运动而跨越欧亚大陆南移，但因陆地上空缺乏水蒸气，待到漂移到西北太平洋上空时已削减为小小的气旋。但后来遇到西北太平洋海面的高温气流，可能演变成强烈的台风[17，18]。虽然台风可能给当地居民造成一些损失，但是能使大范围气温下降，消除炎热，促使季节的转变。

每年夏秋季（5-11月份），生于加拿大巴芬岛的涡旋也可能在月球的牵引下进入大西洋上空，不日即可以到达美国东南部海域上空。由于秋分季节美国东南部海面的温度在26.5℃以上，因此当涡旋遇到海洋表面的高温气流时，就立即加强为超级强烈的飓风。由于沿着海洋南下的涡旋受到的阻挡较少，其风眼墙被削减得也少，加上沿途可吸收到较充足的水蒸气，因此佛罗里达东南部海面生成的飓风要比其他地方的飓风要强[19]。

每年11月份也常有来自加拿大巴芬岛的涡旋南下，但因冬季气温较低，沿途缺乏水蒸气，使漂流在平流层的气旋难以加强。但随着地球自西向东快速旋转，涡旋可能被风带到积水较多的深谷盆地上空。由于谷地温度较高，蒸发起来的水气较多，但因受到周围高山的阻挡而难以逃逸，只能在谷地上方形成云团。因此，当南下的涡旋漂流到这种谷地上方时立即吸收从谷地蒸发起来的云气，可能加强为龙卷风，坠入谷地，蜕化为火龙卷，燃起森林大火。2018年11月美国加利福尼亚州的坎普山火就是一个典例[20，21]。

南极极地涡旋比北极极地涡旋更为显著，持续时间也更长。当月球经过南极上空向北运行时，它能牵引南极极地涡旋向北漂移。当漂移到南印度洋或孟加拉湾附近时，由于受到海洋表面高温气流的影响，瞬间变成横扫千里的旋风，使附近地区惨遭重灾[22，23]。

根据月球的行驶路线，可以看出月球自南极北上时，月球牵引的南极涡旋因受非洲大陆和欧亚大陆的阻挡， 除非落在非洲南端、印度洋、孟加拉湾、阿拉伯海或地中海，否则不能成为可怕的狂风，故大西洋南部很少出现猛烈的热带气旋[24]。

3 防止全球气候变化异常的策略

通过上述对全球气候变化异常原因的分析可知，极地是整个星球的空调器，极涡的移动是引起全球气候变化的直接原因，而人类在极地的活动则是造成极涡移动异常的真正原因，所以要防止全球气候变化异常就得控制人的行为。

（1）为了防止全球变暖或北美地区反复出现异常寒冷的天气，应该沿着北极航道加固堤岸，防止冰川流失;为了防止北极冰盖和永久性冻土层下降，应该在勘探和开采的地方填塞石头泥沙或木头，稳住冰基;为了防止极区盆地边缘沉陷导致月球轻易牵引极涡溜出极区盆地，应该测出月球携涡行驶的惯常路径，然后在这些路径上布设多道百米以上高墙防线，以便截断潜逃的极涡风眼墙。

（2）減少人们在极地的盲目活动（如盲目地开采油气、不必要的旅游），保持南北极海冰覆盖不减不融，气温不升，则能使极涡旋恢复原状或得到加强;极涡生风有力，才能使全球气温下降，解决全球变暖的问题。

（3）对于可能肆虐于美国东海岸的飓风或引起美国西部山火的气旋，除了实施策略（1），还应该在飓风或气旋盛胜前一个月对出现在西伯利亚东北部和加拿大巴芬岛的气旋胚胎加以监控和消除削弱。

（4）对于可能引起欧亚大陆的森林草原火灾，除了实施策略（1），还应该在气旋盛胜前一个月对西伯利亚东北部的气旋胚胎进行监控，削弱有潜在危险的气旋胚胎。

（5）对于可能肆虐于西北太平洋或南海的台风，除了实施策略（1），还应该在台风盛胜前一个月对西伯利亚东北部的气旋胚胎进行监控，削弱有潜在危险的气旋胚胎。

（6）对于可能肆虐于南印度洋或孟加拉湾的旋风，除了实施策略（1），还应该在旋风盛胜前一个月对南极的旋风胚胎严加监控，削弱有潜在危险的气旋坯胎。

4 结论

全球气候变暖、极端天气频发等异常现象使人们日感焦虑。为了对症下药地应对全球气候的变化，首先必须找出全球气候变化的原因，再确定有效的对策。然而，科学界对全球气候变化的原因争论不休，悬而未决。为此，作者重新分析了影响全球气候变化的要素，发现极涡的移动是影响全球气候变化的主要因素，并提出了相应的对策。

【参考文献】

[1]Daniel Klein.The Paris Agreement on Climate Change Analysis and Commentary：OXFORD University Press，2017.

[2]Matthews H，Gillett N，Stott P，et al.“The proportionality of global warming to cumulative carbon emissions”.Nature，2009，459：829-832.

[3]Kreutz K J，Mayewski P A，Meeker L D，Whitlow S L，et al. “Bipolar changes in atmospheric circulation during the Little Ice Age”.Science，1997，277：1294-1296.

[4]Severinghaus，E.Brook.“Abrupt Climate Change at the End of the Last Glacial Period Inferred from Trapped Air in Polar Ice”.Science，1999，286（5441）：930-4.

[5]Haigh J D.“The Impact of solar variability on climate”. Science，1996，272：981.

[6]Rock A.Volcanic eruptions and climate[J].Reviews of Geophsics，2000，38（2）：191-219.

[7]Courtillot，Vincent;Gallet，Yves;Le Mouёl，Jean-Louis;et al.. “Are there connections between the Earth's magnetic field and climate？”.Earth and Planetary Science Letters，2006，253（328-339）：620.

[8]Richard Schmalensee，Thomas M.Stoker，Ruth A.Judson.“World Carbon Dioxide Emission，1995-2050”，Review of economics and Statistics，1998，1：80-89.

[9]Zhong，C.X.“The Origin of Geomagnetic Fields and the Cause of Its Reversal.”International Journal of Geophysics and Geochemistry，2018，5（2）：53-7.

[10]Zhong，C.X.“Formation and Evolution of Pulsars & Accretion and Jets of Black Holes.”American Journal of Astronomy and Astrophysics，2018，6（3）：91-6.

[11]Cavallo，S.，and Hakim，G.J.“Physical Mechanisms of Tropopause Polar Vortex Intensity Change.”Journal of the Atmospheric Sciences，2013，70（11）：3359-73.

[12]Seviour，W.J.M.“Weakening and Shift of the Arctic Stratospheric Polar Vortex：Internal Variability or Forced Response？”Geophysical Research Letters，2017，44（7）：3365-73.

[13]Screen，J.A..“Influence of Arctic Sea Ice on European Summer Precipitation.”Environmental Research Letters，2013，8（4）：044015.

[14]Li，L.，Li，C.，and Pan，Y.“On the Differences and Climate Impacts of Early and Late Stratospheric Polar Vortex Breakup.” Advances in Atmospheric Sciences，2012， 29（5）：1119-28.

[15]Abdolreza Kashki & Javad Khoshhal.Investigation of the Role of Polar Vortex in Iranian First and Last Snowfalls.Journal of Geology and Geography，2013，5（4）.

[16]Petoukhov，V.，and Semenov，V.A.2010.“A Link between Reduced Barents-Kara Sea Ice and Cold Winter Extremes over Northern Continents.”Journal of Geophysical Research 115（D21）：D21111.

[17]Landsea，C.，et al.2006.“Can We Detect Trends in Extreme Tropical Cyclones？”Science 313（5786）：452-4.

[18]Saunders，M.，and Lea，A.2018.July Forecast Update for Northwest Pacific Typhoon Activity in 2018.

[19]Vecchi，G.A.，and Knutson，T.R.2008.“On Estimates of Historical North Atlantic Tropical Cyclone Activity.”Journal of Climate 21（14）：3580-600.

[20]Masters，J.“Americas Deadliest Wildfire in 100 Years：56 Dead in Paradise，California.”Weather Underground.

[21]Rice，D.2019.“USA Had Worlds 3 Costliest Natural Disasters in 2018，and Camp Fire Was the Worst.”USA Today.

[22]Hossain，M.Z.，Islam，M.T.，Sakai，T.，and Ishida，M.2008.“Impact of Tropical Cyclones on Rural Infrastructures in Bangladesh.”Agricultural Engineering International：the CIGR Ejournal.

[23]Landsea，C.2005.“Why doesnt the South Atlantic Ocean Experience Tropical Cyclones？”Atlantic Oceanographic and Meteorlogical Laboratory.National Oceanographic and Atmospheric Administration.

[24]Emanuel，K.2005.“Increasing Destructiveness of Tropical Cyclones over the Past 30 Years.”Nature 436（7051）：686-8.