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寒顫.起源

 

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寒潮爆發是西風帶異常的結果,劇烈的西風帶波動意味著極區與低緯區有顯著的冷暖空氣交換。如上圖所示,一月底開始至二月中上旬的強冷空氣持續影響,對臺灣的天氣造成了少見的大幅度持續性降溫,這意味著這波冷空氣性質不但相當冷,還很持久,持久的因素可以透過上圖(摘自JMA)做處理找到直接的原因:

 

1.1  

 

再說的白話些:兩脊夾一槽,上方脊(阻塞一號)提供冷空氣加深槽,下方脊(阻塞二號)被槽強化反過來阻擋西風帶,冷空氣一直堆積在槽底並緩慢外洩,臺灣正好於這段期間位於槽底。

 

好了,其實這篇文章到這裡就可以結束了,如果想從天氣尺度了解成因的話。

(以下長文慎入)

 

 

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1.             背景初探

 

其實從大氣尺度上來看天氣尺度也僅是一個相對較短的、規模較小的波動,這類型的波動事件往往位於更大尺度的大氣背景事件之末端,又,以冬季西風帶波動尺度跟時間來看,這次事件確實在規模及時間上有其他類似事件不及之處。所以這篇文章的目的在於分析背景中其他更大尺度、更低頻的現象,了解到底是怎樣的背景造就此次緩進式寒潮事件。

 

首先,西風帶要出現阻塞(高空中有不正常的氣層隆起,如上面兩張圖的紅色區域,代表該區大氣相當厚,就像是在河流中出現了一塊高大的石頭,阻礙流體的進行,所以叫做阻塞),並且持續維持,代表背景流場的西風風速一定偏弱,因為越弱的氣流越不穩定,一旦遇上擾動其實就很容易導致波動增生。

 

來看看今年入冬以來的西風帶阻塞事件時間序列:(摘自NOAA CPC)

 

1.2  

 

這張圖代表的是,北半球西風帶內不正常氣層隆起事件(阻塞)的發生次數、位置、規模、持續時間,可以看到在去年底之後,阻塞事件的次數強度及持續時間都有顯著的變化:變得更多、更長、規模顯著增大。

 

西風帶在去年底至今一定出現了一些有趣的變化。

 

在大氣和地球之間,由於兩者皆具有西向東移動的特性,所以大氣跟地球之間會互相交換(或想成競爭)角動量,有的時候角動量傾向從大氣傳往地球,有時則反之,這種地球大氣之間角動量收支的趨勢改變常常跟大尺度的海氣震盪有關,比如聖嬰/反聖嬰事件:

 

聖嬰年東熱帶太平洋海溫上升,赤道太平洋大氣有顯著的西風距平,此時的大氣角動量增加,可以視為大氣自地球獲得角動量。

 

反聖嬰年則反之,赤道太平洋的東風強化,不利西風動量強化,大氣角動量減少,可以視為角動量自大氣傳往地球。

 

直接與阻塞事件的連結說法是,在Rowntree(1972)研究中發現:當赤道中至東太平洋的海溫上升,即聖嬰事件,北太平洋的阻塞事件下降,原因乃是由於Hadley Cell受惠於東熱帶太平洋的異常高海溫產生之強化上升運動,整體也增強,故Hadley Cell強化的結果便導致其高層氣流向北移動時規模比起常年更加旺盛,偏轉往中緯度的西風分量更加強化,西風帶因而變得更佳強化穩定,不容易生波,抑制阻塞。而反聖嬰年便是上述過程倒過來的結果,結果便是北太平洋的阻塞次數增加。

 

兩者的影響可以用下兩張圖加以說明(反聖嬰年西風帶波動震幅加大):

 

1.3  

 

(摘自:https://www.nature.com/articles/s41598-017-12278-7

 

實際上近期的研究也顯示不只是北太平洋,北半球冬季阻塞事件整體發展也與聖嬰/反聖嬰密切相關:

 

 

1.4  

 

 

上兩圖均摘自李等(2017)

 

從上述分析可以看出,兩類聖嬰事件對西風帶的影響反映在全球阻塞分布上,其實就是反映出西風帶強化與否的信號;聖嬰年西風帶強化,不易生波,中緯度的高度場反應在較強西風帶的熱力風關係上,其實也就對應了比較低的高度場,如上圖上方的藍色距平;反之反聖嬰年偏弱的西風帶,對應的熱力風關係,就是在中高緯度容易發生較高的高度場,也就是容易產生阻塞,如上圖中的黃色距平。

 

 

同時可以看到,反聖嬰年在中北亞以及北太平洋,都是阻塞的好發區,兩者之間的東亞成了相對常年更低的槽位,這跟我們接下來要講的配置很有關聯。

 

 

 

前面介紹了這麼多,來看一下去年底至今的大氣海洋狀況:

 

 

 

1.5  

 

 

去年底至今維持顯著反聖嬰現象。摘自NOAA CPC

 

 

1.6  

 

 

赤道低層大氣絕大部分時間及區域以偏東風距平(藍紫色)為主。

 

1.7  

  

 

結果即是去年底以來全球西風動量大幅偏低,與前述阻塞好發時間軸吻合。

 

(上兩圖摘自:http://www.atmos.albany.edu/student/nschiral/gwo.html

 

到這邊是最初的背景分析:反聖嬰年偏弱西風帶造就了阻塞好發的大氣背景。而好發阻塞就為大規模寒潮爆發事件提供醞釀的契機。接下來就把時間跟空間尺度稍微縮小一些,看看臺灣近期的冷空氣醞釀過程是怎麼來的,以下重點分別是在於:

 

 

1.     事件為何影響臺灣且如此久

(冷空氣影響時間從一月底到過年前約半個月有餘)。

 

              以及

 

           2.事件的可能元凶。

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2. 寒潮成因溯源

 

 

 

面對一個這麼大規模且持久的西風帶阻塞事件,整組阻塞波動的成因,我們可以利用"波通量"來做波動能量源頭的追蹤,找出源頭後分析源頭處的大氣狀況以及事件傳播的天氣尺度背景,可以了解在天氣尺度過程中此次寒潮醞釀到爆發的來龍去脈。(以下波通量圖均摘自JMA TCC

 

1.8  

 1.9  

 

上圖及下圖分別是近20天與近30天的北半球西風帶300hPa對流層波通量(波能量傳遞方向)以及流函數距平(實線正值區表示反氣旋式距平”H”,虛線負值區對應氣旋式距平”L”)

 

可以看到在歐亞中高緯度有一組波列傳遞過程,此組波列傳遞能量在過去30天中乃北半球最顯著的,事實上,這次寒潮的發展過程也是受惠於此波列結構,(高度、風場資料、海溫、垂直運動距平圖均摘自NOAA ESRL,以下皆同)

 

 

2  

 

在Wallace and Gutzler(1981)的研究中,將北半球冬季海平面氣壓與500hPa高度場進行統計分析,發現某些情況下遙遠的異地之間的氣壓和高度場存在良好的相關性,這種現象被稱為遙相關(Teleconnection),在研究中歸納出五種主要的遙相關機制:

 

太平洋-北美型(PNA Teleconnection)

歐亞型(EU Teleconnection)

西大西洋型(WA Teleconnection)

東大西洋型(EA Teleconnection)

西太平洋型(WP Teleconnection)

 

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上面顯示五種北半球遙相關因子在不同相位之下對應的主要高度相關性區域的高度場變化特性,摘自Wallace and Gutzler(1981),上圖示以PNA和EU兩種訊號為例:

 

 

 

紅色區域是正相關,即相位訊號跟高度場同相變號,代表該指數正(負)相位時高度場容易偏高(低)

 

紫色區域是負相關,即相位訊號跟高度場反相變號,代表該指數正(負)相位時高度場容易偏低(高)

 

 

 

在接下來的分析中主要探討PNA型與EU型在此次事件中的影響,其餘三種留待日後有機會再說。在上面的波列分析中可以看到主要的波列結構自北大西洋跨越北極圈進入西伯利亞北部,因此可以看出在這次的寒潮事件中以歐亞型”EU pattern”為主要的影響機制,歐亞型的相位型態以下簡單說明:

 

 

 

4  

 

 

EU正相位型態,自北大西洋到東北亞高度場距平依序為

+-+-”、”高低高低

 

5  

 

 

EU負相位型態,自北大西洋到東北亞高度場距平依序為

-+-+”、”低高低高”

 

 

 

6  

 

 

(當前一月狀態根本跟正相位有87%像啊OAO)

 

EU型態波狀結構的發展對於東亞冬季天氣的影響其實從相位圖就可以說明,在東亞冬季影響冷空氣強弱最主要的因子之一”東亞主槽”,其發展狀況會因為EU相位差異有很大的差別,正相位下,主槽上游北亞有強脊發展,有利主槽加深,負相位下,主槽本身位置容易形成脊場,不利主槽發展。所以東亞主槽的強度跟EU型態有相當程度的正相關性,而主槽強度跟東亞冬季氣溫是顯著負相關的,所以在Wang and Zhang(2014)的研究中探討了不同相位的EU結構對於中國冬季氣溫及降水的影響,結果顯示EU相位與氣溫呈現明顯的負相關,而與降雨呈現明顯的區域相關(負相位時沿岸降雨多內陸少,正相位時沿岸降雨少內陸多),主要和槽的深度有關,深槽意味著強降溫及內陸乾空氣南侵過程:

 

7  

 

 

(上為溫度距平,下為降雨距平,左為EU正相位,右為EU負相位,摘自Wang and Zhang(2014)

 

此外,在他們的研究中也指出,EU成熟型態的發展大約領先東亞沿岸的溫度陡降(升)的時間約領先3-4天左右,也就是說在溫度出現顯著改變前3-4天是EU型態發展最成熟的階段:

 

8  

 

 

(a為北中國、b為中國東北、c為中國東南,虛線(橫軸上)為負相位,實線(橫軸下)為正相位,橫軸為天數(正值為領先負值則反之),縱軸為溫度)

 

圖上的C表示中國東南部南部沿海區域大約會落後EU正相位約4天左右,一月底(紅線左側)的EU相位現況分析及主要模式預測如下圖:

 

 9  

 

 

(圖片來源:http://gpvjma.ccs.hpcc.jp/S2S/S2S_teleconnection.html

 

可以看到在一月下旬各家模式都顯示EU指數呈現顯著的正訊號而後到月底迅速衰減的過程,訊號最強的時間,亦即向為結構最成熟的階段約莫落在1/25前後一兩天,前述研究中提及的最大降溫趨勢出現在正相位最成熟的時間點之後約四天,臺灣算四至五天好了,從下面跟臺北站的出現第一次顯著降溫關係圖比較看起來此相關性同樣適用於臺灣:

 

 10  

 

所以看起來,在文章一開始提到的在北亞發展阻塞系統之成因,其實根本上只是反應了EU事件的正相位特性,現在問題是在於,這種西風帶大型的阻塞系統,通常需要外在的一些強迫機制去激發出波動系統,然後在有利的環境下發展成強烈的阻塞事件,也就是需要一個訊號源提供波動能量來源,加上背景的氣流場特性或地形性質,比如很弱的西風帶背景或大地形干擾氣流正常進行,才能順利成長成阻塞,而今年伴隨反聖嬰成熟的偏弱西風帶、加上這個阻塞脊發展位置位於烏拉山附近,傳統上根據過去研究是個地形阻礙西風帶正常流動而波動頻繁、阻塞好發的區域….等等結果,顯示環境上來說背景流跟地形效應該都是幫助波動成長成阻塞系統的助手。

 

 

所以接下來進到本篇文章的重點了,既然名為溯源,就應該針對這股波動前身發展的訊號源進行追蹤,才能釐清造就這股顯著持久的大範圍強冷空氣事件的根本原因。

 

 

阻塞事件的一個重要因素就是劇烈的冷暖空氣交換過程伴隨的斜壓能量轉換過程,冬天的冷空氣南下事件產生的大範圍冷平流過程往往扮演主動的一方,與南邊的相對較暖區域一起形成強烈的溫度梯度,及斜壓能量,製造出有利波動發展活動的環境,而充沛的斜壓能量提供給波動持續發展的結果就往往可以讓波動發展成顯著的阻塞事件,為寒潮爆發提供有利的前置環境。所以在高緯度的冷空氣外洩程度與否往往就成為強冷空氣事件的一個重要原因,比如2016年的帝王寒流,寒潮爆發前以及爆發當下就伴隨非常強烈的極區冷空氣外洩,對於極區冷空氣大幅外洩的過程,反映在極區地面氣壓與極區外相比更高、氣壓梯度力向外,反映在等壓面上面的表現,就是同一層面的等壓面在極區內比較高,極區外偏低,也就是說,用等壓面高度場在極區到極區外的變化差距,就可以用來度量冷空氣外洩的規模,常用的指標是北極震盪(AO)指數,利用極圈外與極圈內1000hPa的高度差距表示極區冷空氣外洩與否極規模大小的指標,作法是極區外高度場減去極區內高度場,正值表示外高內低,冷空氣不易外洩,負值表外低內高,冷空氣容易外洩:

 

11  

 

 

上圖摘自NOAA CPC,紅色區件是這次寒潮事件自醞釀到整波冷空氣完全放完的總時間歷程,藍色區間約莫是2/1-2/8這段寒潮影響臺灣最顯著的時間,可以看到在一月中下旬的寒潮醞釀階段,北極震盪訊號有正有負,總體不強,對應寒潮主要影響時間的二月初,訊號更是一路走高,顯示極區的冷空氣外洩在導致西風帶生波的事件過程中貢獻較為有限。

 

 

 

進一步的從北半球一月份的地面氣壓場五日平均來看在這次阻塞區域中高緯度的斜壓系統的發展狀況,可以判斷中緯度斜壓系統發展過程隊與阻塞事件的貢獻程度,伴有強烈溫帶氣旋生成發展的環境通常也會辦有強烈冷高壓跟劇烈的西風波動,假如西風波動的成長過程是跟地面氣壓系統順利耦合的話:

 

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上圖是五天平均的地面氣壓場,白色框是這次事件中歐亞高空阻塞最明顯的區域,可以看到北半球的低壓氣旋活動主要都在北大西洋跟白令海峽,強度也不強氣壓值並未大幅下降,這也是氣候上北半球冬季最常有低壓盤據的地方,所以這些地方有低壓其實並不意外,但問題是阻塞高壓的成因中有一種就是地面溫帶氣旋這類斜壓系統發展過程中,溫帶氣旋前方會帶來強烈的暖空氣導致氣層增厚形成強烈的高壓脊,仔細對照白色框內的地面氣壓發現在阻塞發展前到發展當下,地面只有偏高的冷高壓壓氣壓場,其實顯示由地面溫帶斜壓系統強烈發展過程對阻塞高壓生成之貢獻可能較有限,而若是進一步切到以天為單位來看地面氣壓場的配置跟阻塞生成位置及時間上的配合程度:

 

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15  

 

 

這次阻塞事件是自22日開始發展且在24日達成熟(上圖,僅列出成熟期),而一月內在北大西洋唯一一個顯著發展的溫帶氣旋,13日開始發展,15日成熟後馬上於16日減弱,17日更是迅速減弱為一般低壓區(下圖,僅列出成熟期)。

 

 

所以,即使是以天為單位的時間尺度來看,在阻塞高壓發展的階段及區域,始終缺乏在位置及時間上接近或近似相鄰的斜壓溫帶系統,透過準地轉過程釋放斜壓不穩定度導致西風帶出現強烈波動,而唯一一股顯著的溫帶氣旋系統在時間上有超過一周的落差,所以從溫帶氣旋發展的斜壓能量釋放過程來解釋此次阻塞的成因,在關聯上顯然較為有限。

  

所以就此次事件而言,中高緯度的極區冷空氣外洩事件以及強烈斜壓不穩定的溫帶氣旋發展過程似乎缺乏成為事件中劇烈西風波訊號源的主要因素。而從前面的波通量分析可以看到這股阻塞結構之波列能量來源似乎源自於北大西洋中高緯度洋面,洋面海溫對於西風帶高度場距平是有正相關性的,以北大西洋來說,洋面異常的加熱容易使上方大氣暖而膨脹,容易反映出較高的高度場,也就是有利於脊的發生,這個脊發展東移的過程碰到烏拉山脊就有機會因為地形作用(山前容易有因伴隨脊東移發展的低層暖平流堆積+地形對波動的共振放大效應)進化成阻塞高壓,所以北大西洋的洋溫變化能否構成波通量的訊號源,可以視為一個重要的依據,北大西洋洋溫異常對於高度場的影響如下面任等(2017)的模式分析結果:

 

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低海溫的狀況,可以看到平均來說容易在高空產生對應上較低的高度場距平。

(上面為500hPa高度場距平,下方為海溫距平)

 

17  

 

 

高海溫的狀況,可以看到平均來說容易在高空產生對應上較高的高度場距平。

 

(上面為500hPa高度場距平,下方為海溫距平)

 

這次事件又如何呢?

  

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上六圖是過去入冬以來至事件發生之前的北大西洋海溫10日平均距平,以及右下角的總距平,可以看到入冬以來北大西洋海溫大部分皆偏高,只有在更高緯度鄰近格陵蘭的海域才有比較偏低的趨勢。

 

 

海溫對入冬以來大氣高度場的影響,也顯現出來,如下圖的北大西洋500hPa高度場距平,可以看到北大西洋入冬以來高度場有偏高的趨勢,和前述海溫模擬研究結果一致:

 

 

19  

 

 

上六圖是過去入冬以來至事件發生之前的北大西洋500hPa高度場10日平均距平,以及右下角的總距平,可以看到入冬以來北大西洋高度場大部分皆偏高,只有在更高緯度鄰近格陵蘭、極圈的海域才偶爾有比較偏低的趨勢。

  

從這樣看來會讓人有整個冬天,北大西洋的高海溫都扮演著波通量能量來源的腳色,然而在阻塞事件的空間分布上,入冬以來在北大西洋側皆無顯著阻塞事件,歐洲上空至烏拉山脈西側入冬以來發生過數次,顯示北大西洋的高海溫距平造成的高度場只是較氣候值偏高的平均狀況,並未達成顯著突出的阻塞高壓事件:

 

 

29.png

 

 

這顯示偏暖的北大西洋提供高海溫讓高度場偏高形成西風脊往東發展的次數以及變成阻塞的機會提高,事實上在上圖中的藍色框框的歐亞側自今年初以來有過幾次的阻塞,而跟此次持久寒潮息息相關的就是一月中下旬在歐洲形成並往下游發展的阻塞(綠框)。

 

事實上,這種洋面溫度的異常對大氣產生加熱,從天氣的角度上來看確實是提高了脊場的發生頻率以及阻塞發生次數,從能量的角度來看,局地的加熱往往也會激發出波列往高緯度或下游傳播,對阻塞的形成而言也算是從能量的角度上提供了阻塞前置產物-西風波動的能量源,能量傳播過程激發出的波列其實就是遙相關的一個重要因素,這種效應引起的遙相關過程,以PNA型的遙相關事件為例,在聖嬰年中至東太平洋高海溫狀況,就容易激發出波列往中高緯度傳播,從低到高緯分別是高-低-高的型態,關於這種波列被激發之後傳播到中高緯度的路徑原理待會後邊再詳加說明,總之先以PNA為例,簡單海溫強迫機制導致的波列傳播概念如下:

 

30.png

 

 

其實回到前述的高度場距平,從上面的高度場距平可以發現,在一月中旬以後在北大西洋往高緯度極區有正負正的波列結構,對應了此時期寒潮即將開始前的北半球中緯度冷空氣蓄積、阻塞發展的過程,然而整個冬天大西洋海溫都是偏高的,為何只有此時期有波列結構激發出來呢?

 

  22  

 

所以事情似乎不是只有海溫偏高這麼簡單。

 

其實,從波通量的30日平均來看,雖然主要的波通量呈現EU事件的正相位型為一月份北半球高緯度地區的主要型態,但是這其實也有可能是這段時間當中的某一個時間區間有特別強的訊號特徵,強到沒有辦法被更長的時間尺度中的其他訊號給掩蓋掉,所導致的結果,所以為了更加深入探討阻塞系統的波通量來源,加上上面的高度場距平分析只有在一月中旬出現對應波通量的相應高度場訊號,讓人不禁聯想:

 

或許高海溫對於高度場是強化的作用,有利脊場西移前就有較具規模的發展並更容易變成阻塞,但觀測資料說明冬季以來歐亞大陸的阻塞波列發展結構也並非維持整個冬季,僅存在於某些時段且只有一月中事件形成了最具規模的一次阻塞,加上前面分析也顯示這次阻塞的地面上並未耦合相伴相應的斜壓溫帶系統,斜壓能量源的貢獻顯然亦有限,將以上因素剃除後再思考,因此是否有其他外在的能量源傳遞進入這裡再受海溫效應放大成強烈的西風波動並伴隨播列傳播、阻塞生成,才造成這次的持久性冷空氣事件呢?”

 

所以海溫究竟是元兇還是其實也只是事件的一個助力而已,真正的原因要另外尋找,為了印證這個假設並釐清海溫在波動能量源事件中扮演的腳色為何,需要將波通量的傳遞路徑從時間上做比較細緻的劃分,才能找到這股波動的真正能量來源,所以必須追溯一月中旬北半球波動能量的傳遞來源,如下圖所示:

 

23  

 

 

24  

25  

 

 

透過1/14日單日的波通量分析其實更可以明顯指出此時期的波通量路徑是源自於中至西太平洋副熱帶區。

 

(注意,通常要描述大尺度的平均狀態是不會用這種單日平均的,因為單日的時間屬於天氣尺度,圖面上所呈現出來的訊號會有天氣尺度的波動參雜在裡面,所以要使用這種尺度的產品必須要跟時間更長的平均圖一起搭配著看,才可以互相比較找出真正的主訊號源在空間及時間尺度上的特性為何,假如缺乏濾波的方法的話可以採用這種互相比較的方法在定性上加以說明。而若是該訊號特性在大尺度上可以顯現出來,那麼考慮到大空間及長時間平均的大尺度資料是有做過平均後的結果去除的話,要凸顯其特徵,就可以用尺度小一些的綜觀天氣尺度訊號來看,但這必須是建立在大尺度平均後這股訊號依然明顯的情況下)

 

 

26  

 

  

1/21-1/25

 

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最後比較一下阻塞結構成熟發展的1/21-25這段期間的500hPa高度場距平以及波通量距平,及下方的高度場平均,如上列三圖所示。其實可以發現波列的能量傳遞在北亞內的趨勢已經明顯減弱,對應此時的高度場卻顯示阻塞結構已經成熟。

 

經過一番抽絲剝繭,總算可以初步釐清這次的寒潮事件的真面貌了:極區冷空氣未大幅外洩的情況下,造成這次的冷空氣醞釀到爆發,來源的阻塞結構,其能量很可能源自於約一月中旬自太平洋往北美傳播的波列結構,加上考量到北大西洋的高海溫對高度場的增益作用,定性上可能強化了這股波列,其後波列能量在北大西洋高緯度一路往下游亞洲傳遞的結果,整體過程中或許亦配合低層斜壓系統發展過程,造就了阻塞系統醞釀冷空氣蓄積,終成寒潮事件。

 

請注意,這裡只是找到了寒潮事件的因而已,關於此次寒潮的重要特性,也就是為何如此持久,此現象不能做出解釋,重點必須擺在下游位於白令海峽自一月底開始醞釀的第二個阻塞事件,原因詳見後文。

 

這裡提一下,在北大西洋有一種海溫及氣壓距平場自低緯到高緯的差異震盪,及所謂的北大西洋震盪”NAO”,簡言之乃是當NAO 指數為正值時,北極低壓及副熱帶高壓皆增強,也就是低壓值更低、高壓值更高,因而兩者的氣壓差也增大,當 NAO 為負值時,兩者勢力減弱,壓差減小。NAO變成負狀態時,北極的低壓減弱容易產生相對高的氣壓值,導致冷空氣易外洩,成為北方極區冷空氣容易影響到中低緯度區域的狀況,也就是相對來說容易有寒潮事件,正值就相反,意味著北極的冷空氣不容易外洩,也相對較少有顯著的寒潮,其實艮北極震盪很類似,然而正相位不代表沒有寒潮,正相位之下的寒潮事件很特別,與本文內容提及的波列傳遞過程有關。

 

28  

 

 

顯然隨著此次波列東傳至北大西洋的結果,強化了北大西洋中高緯度到極區的氣壓差,配合了此時期的北大西洋高緯度有較顯著溫帶氣旋發展,加上波列傳遞強化了南北的高低壓強度,兩者一起作用,使得北大西洋震盪的正相位訊號大幅被強化,如上圖所示,這種有趣的現象成因待會後面說明。

 

回到寒潮的成因部分,有趣的一個現象在這次事件中被發現了,原來不是只有中高緯度的冷空氣外洩、洋溫、地形、西風帶平均強度等因素會影響到阻塞西統以及寒潮爆發的成因與否,來自遙遠地區的較低緯度區域的波列訊號的傳遞過程,形成的遙相關事件,也會影響到半個地球外的天氣過程。

 

現在來看看這股波列訊號是怎麼來的,如何產生、如何傳遞。

 

在熱帶區域的大尺度加熱訊號常常會伴隨著行星尺度波列的形成,以赤道來說,大型的加熱如海溫異常、或是45-60天週期的季內震盪訊號(MJO)伴隨的大尺度對流,都容易在加熱區的東側跟西側引發出顯著的東風及西風距平,又赤道本身的科氏效應是零,且科氏效應往外隨緯度增加而增加,形成近赤道區域科氏效應隨緯度變化的現象,被稱之為赤道β效應,詳細的動力過程涉及複雜公式推倒本文暫不詳述,總之此種效應有機會讓行星尺度(波長約莫等於地球半徑)的波”Rossby Wave,  羅士比波”形成並維持。在赤道加熱區域兩側往外的東西風距平是隨緯度增加而遞減的,其中在加熱區的西側的南北兩側近赤道大氣由於西風向外遞減,將會形成低層的氣旋式風場距平,伴隨上升運動到高空的反氣旋距平場,這個位於加熱區西側的風場結構被稱為赤道羅士比波(equatorial Rossby wave,ER),主要活躍於熱帶西太平洋至印度洋,加熱效應伴隨的波列結構如下列這張Gill(1980)的文獻中所示:

 

 

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因此,以熱帶的加熱訊號來說,超過一季至年際尺度以上的加熱通常都跟大尺度的海溫變化有關,在這次的個案中,可以看到一月份出現在北歐亞大陸的波列事件主要出現在一月中,因此屬於季內尺度事件,因此便傾向由MJO部份去尋找加熱訊號激發出波列的特徵在此次事件中扮演的腳色,在此之前,對於大尺度的行星波動能量傳播行為,必須先做一些介紹,對於一個相較於背景氣流場慢上許多的加熱訊號,其產生出的Rossby Wave的性質是屬於緩慢少移動近似駐波的狀況,這類的Rossby波會在西風背景氣流內緩慢向西傳,詳細的動力過程暫時不加以詳述,總之Rossby波動本身向西傳的狀況是和其本身所在區域的背景渦度場分布有關,這個背景一般所具有的渦度稱為絕對渦度。

 

所謂的絕對渦度是物體本身(這裡是氣流)所具有的渦度量,也就是相對渦度,加上背景所受到的渦度,也就是地球上自赤道開始隨緯度增加的科氏參數,即行星渦度,兩者的和:

 

絕對渦度(η)=行星渦度(f)+相對渦度(ζ

 

其中相對渦度有可以再分為風切渦度,以西風帶內噴射氣流為例:

 

 31  

 

所以從以上可知,在噴流條上兩側有最大的風切渦度,也就是說,這個跨越噴流條的區域,從噴流南側往北,有最顯著的風切渦度由負轉正的過程,梯度是由小指向大的,再加上背景場的行星渦度梯度始終指向北,又背景的行星渦度梯度的遞增過程是均勻的,所以噴流條本身具有最大的風切渦度梯度,亦即具有最大的相對渦度梯度,加上背景的行星渦度梯度:

 

即是說,由南到北跨越噴流條本身兩側區域,會伴有最大的絕對渦度梯度"β*",此梯度最大只限於噴流附近,其後越往南或往北,梯度大小都是逐漸下降的

 

32   

 

這個性質跟接下來要介紹的羅士比波能量傳播過程有直接的關係。

 

對羅士比波而言,波本身移動的趨勢是相較於背景氣流往西緩慢走的,也就是相速往西,但波本身能量傳播的方向則會隨著背景氣流運動往氣流下游帶,也就是群速(波能量的移動速度),這就是為什麼前面看到的波通量始終和背景西風氣流保持大致同向的因素:

            

對於近似駐留的Rossby波能量傳遞趨勢,能量傳遞路徑在球面上的運動方式不是純直線而是會呈現曲線的,(詳細的公式推導跟動力過程由於較為複雜所以本文此處不提只列出較簡化的公式,有興趣者可以參考本文(1662-1663頁)內的詳細推導)其路徑曲率有下列關係:

 

定義逆時針旋轉的曲率為正,順時針旋轉的曲率為負,故相互對應的曲率半徑”r”,在逆/順時針的曲率半徑也分別是正/負:

 

駐留Rossby的波能量傳遞速度(群速)之曲率軌跡特性有下列關係:

 

 

40.png

 

 

其中r是曲率半徑,Ks是駐波的總波數*(總波數包含水平兩方向跟垂直方向的波數總和,這裡的總波數指東西跟南北向),k則是東西向的波數。

 

(波數:波的數量,一個週期函數其最大值跟最小值各一個,合起來一組,構成一個波峰跟波谷,這樣叫做一個波數(Wavenumber 1),以此類推有波數2、3、4……..)

 

X表示東西向,Y表示南北向

 

又對駐波而言,Ks可以表示成:

 

41.png  

 

β*為絕對渦度梯度,是背景西風氣流強度

 

所以可以得知,在西風背景流場跟東西向波數大致穩定,只有絕對渦度梯度南北向變化的情況下,Ks只跟β*有關。

 

所以當β*向北遞減,也就是dβ*/dy < 0,的狀況,dKs/dy也會 < 0,反映在曲率半徑上也會是"負曲率半徑"r<0,也就是能量傳遞路徑會有順時鐘方向的軌跡特性。

 

反之當β*向北遞增,也就是dβ*/dy > 0,的狀況,dKs/dy也會 > 0,反映在曲率半徑上也會是"正曲率半徑",也就是能量傳遞路徑會有逆時鐘方向的軌跡特性。

 

 

簡圖說明如下,以噴流為例,噴流本身有最大的β*,β*分別向北跟向南遞減。紅色箭頭是指向北的正y方向:

 

 

噴流以北,dβ*/dy < 0,dKs/dy也會 < 0,

能量傳遞路徑反映在曲率半徑上也會是"負曲率半徑",即順時鐘旋轉的反氣旋曲率

 

 

 

      35  

 

噴流以南,dβ*/dy > 0,dKs/dy也會 > 0,

 

能量傳遞路徑反映在曲率半徑上也會是"正曲率半徑",即逆時鐘旋轉的氣旋曲率

 

 

     36  

 

 

所以一旦噴流條經過一個緩慢近似靜止的羅士比波區域:

 

 

37          

 

 

羅士比波的能量傳遞路徑就會被限制在噴流南北側附近反覆交替著重複反氣旋/氣旋式的軌跡運動,變成像被綁在噴流附近一般,能量被限制在噴流區域再被噴流的高風速快速傳遞到下游相當遙遠的區域:

 

 


38    

這個效應被稱為"羅士比波導效應(Rossby Waveguide effect)"過去許多學者的研究都針對南北半球在不同季節的噴流分布對羅士比波能量傳遞的特性進行了許多模擬跟觀測研究,也歸納出了幾條比較重要的噴流波導路徑,這些路徑對遙相關的研究以及預報分析上有相當大的幫助:

 

39  

 

(粗箭頭是主要的噴流波導路徑,黑色箭頭是地形阻礙使波列分岔)

 

由上到下分別是:

Hsu and Lin (1992)

Ambrizzi et al. (1995)

兩篇研究內藉由觀測及模擬得到的噴流最容易傳導行星波能量路徑。

 

現在讓我們把焦點放在北半球:

 

40  

 

 

從上面可以發現,在北半球分別在北大西洋,以及亞非-西太平洋有兩股主要的噴流波導區,以及地形作用導致的波能量分岔路徑。

 

在這次事件中,我們發現這股波列訊號顯然很可能是自北太平洋熱帶藉由噴流傳遞過來的,所以透過尋找熱帶的加熱訊號源可以有助於我們釐清這股波列系統的真正源頭。對於MJO這樣的季內尺度強對流訊號而言,其激發出的西側Rossby波主要活躍於熱帶印度洋到海洋大陸一帶,這個區域相當於是相位2-6,對流訊號在這個區域活動時激發出來的波大約會位於南亞附近,由下面Adames et al. (2014)的文獻中對於MJO對流在各相位時伴隨的低緯度區域高層大氣羅士比波的分布及傳遞路線,可以略知一二:

 

41   

 

上面的色階是東西方向風速的距平,箭頭是風場向量,實線虛線仍然是高層大氣的流函數,實線表示反氣旋距平,虛線表示氣旋距平,綠色點是最強對流訊號所在位置。左上到左下是1-4相位,右上到右下是5-8相位。

 

所以可以看到在熱帶東印度洋到西太平洋這段對流訊號最發達的區域,MJO加熱激發出來的在對流西側高層大氣的反氣旋式Rossby波訊號(低層大氣是氣旋式的波,伴隨輻合上升到高層大氣呈現反氣旋風場,都是Rossby波的結構,本文接下來針對高層大氣的波列傳送做討論),顯示在這段區間的加熱激發出來在亞洲低緯度高層大氣的行星波是駐波的形式。

 

有了加熱及伴隨的駐波,接下來來看看這段期間噴流條如何分布:

 

42  

 

 

在一月中的太平洋平均有一股從東亞往北美的噴流。

而此時的MJO如何分布呢?

 

43   

 

在一月中上旬的MJO對流訊號大約就是在第三至四相位,訊號不弱具有規模。

那麼在這時期的波列傳遞趨勢,會是甚麼樣呢?

這個部分的訊號傳播路徑研究如下圖所示:

 

44  

 

 

或是下面這篇探討MJO波列激發的阻塞高壓的各相位最相關的波列傳播結構:

 

45   

 

(上圖摘自Gloeckler and Roundy(2013),色階是外逸輻射距平,藍色是負距平表示對流旺盛吸收輻射導致外逸量偏低,紅色則是對流少外逸輻射多,紅色線條表示反氣旋距平,藍色是氣旋距平

 

兩篇研究都顯示MJO在三至四相位激發出來的波列結構均有跨越北太平洋向北美往北大西洋傳遞之特性,這次事件中,MJO在進入一月中旬時的訊號也大約在第三相位,來看看此時的對流訊號區域分布跟波列結構。以1/8-14日來看,這時候MJO約在3-4相位活動:

 

對流訊號

(高空速度位,綠色負值表示速度位輻散,對應深對區負OLR距平,褐色正值表示速度位輻合,對應深對區負OLR距平):

 

46  

 

 

波列結構:

 

47  

  

對應一下此時期的噴流結構跟波導路徑:

 

48  

 

 

49  

 

 

從上列比較可以發現在此次MJO在3-4相位時的加熱激發出的行星波,其能量被噴流條帶往下游往北美一帶傳遞,沿途激發出正或是反氣旋距平的風場結構,這些波動結構有的有伴隨底層的斜壓系統,因此除了遠方的行星波能量傳遞過程之波動能量,也伴隨了耦合溫帶斜壓系統的斜壓能量轉換過程使結構得以維持,但本文是基於大尺度能量觀點的角度去追尋波動的源頭,所以綜觀斜壓過程的天氣尺度事件在本文暫不敘述之,否則的話,有那麼多斜壓波跟氣旋存在,卻只有這個時間點的系統成功發展成大規模且少見的長時間阻塞,這樣的事件單是從綜觀尺度的斜壓不穩定過程去解釋波動發展是不夠的,況且前述的時間比對也發現此時期的阻塞生成跟顯著的氣旋活動時間相位之間有超過約一周的落差,所以從斜壓不穩定的能量展換角度來解釋此次阻塞成因其實不足必須找出能量的額外的、根本的來源才行。

 

波列在經過北美進入北大西洋時受到地形影響分成往南傳跟往北傳的一支(從太平洋進入北美也會),如上面的波導圖所示,事實上,Hoskins et al.(1981)指出,如果在緯向西風中放置一個大尺度的地形,在300hPa上就會出現渦度和高度場的擾動。擾動波列的傳播在40°N 附近出現分岔現象,往極地方向的是波長較長的波列,這是由於長波結構上以及運動過程在高緯度行星渦度大的地方較容易維持,在低緯度區域長波感受到的行星渦度小,反而短波因波長短、震幅大、曲率大,故相對渦度大,較佔優勢可以維持結構,故靠近赤道方向傳播的波列尺度較小,由於行星波能量受到地形影響而分岔傳播,往高緯度的一側感受到行星渦度的影響較明顯,會傾向持續往高緯度極地一側繼續傳播,低緯度的短波就會沿著西風氣流或是噴流持續往下傳遞。

 

這就是所謂的"大圓路徑(物體於球面上兩點之間運動時沿的最短距離)greatcircle paths",因此Hoskins et al.(1981)指出,在不同的加熱緯度激發出來的波列,波數少的長波能量會有往高緯度繞極地傳到另一半球的特性,波數多的短波能量多半容易沿著西風帶或噴流傳播後進入到西風場等於零(即低緯度的東風帶)後因無西風維持結構而消失,或成能量吸收,概念模式如下(以緯度30度為加熱源中心,注意此模式未考慮噴流波導效應):

 

50   

 

數字越多代表波數越多,也就是波長越短,可以看到波往極區傳遞的趨勢和波數成反比,波數越少的長波在低緯度就越難維持,而短波在低緯度部分僅走一段距離就進入更低緯度消失,然而考慮到噴流傳遞特性,低緯度的短波有時也能傳遞到相當遙遠的區域形成遙相關,接下來會為大家分析低緯度這部分,先來看看波列傳遞到北大西洋後的狀況:

 

51  

 

 

在北大西洋一側,考量到噴流波導效應以及長波的大圓路徑趨勢之下,波數少的長波傾向沿著粗斜線箭頭往高緯度歐洲極區傳遞,先來看看在概念模式之下當MJO位於3-4相位時傳遞到北美至北大西洋的波列型態吧,以下摘自Henderson et al.(2016):

 

52  

 

 

概念模式上顯示在3-4相位一帶活動的季內震盪對流訊號產生之波列(約在對流於該相位活動當下的後五天)在東北太平洋經北美至北大西洋一帶會呈現高-低-高-低的高度場(高空之準地轉環境之下流函數距平分布可以大致視為相應的高度場距平)距平,特別是注意到上圖研究中在4相位時激發出的波列傳到大西洋準備進入歐洲時,會因為再度碰到地型的關係分岔:

53  

 

    

 事實上,這股波列傳遞到北大西洋高緯度以後呈現波數一的狀態,也就是只有一個相對高區(紅色)跟低區(藍色),也就是符合前述研究中所呈現的波數一路徑,從大圓路徑理論來看這種尺度的行星波會跨越歐亞極區再到東亞,再加上此時在北大西洋於一月中有一條噴流存在,從噴流波導效應的理論來看,又加強了該波動往歐亞極區傳遞的趨勢:

 

           54   55  

 

一月中旬北大西洋的緯向風平均,可以看到自北美到英國有跨北大西洋的噴流條,提供了波導路徑。

 

事實上,西半球噴流分布不只北大西洋一側,南邊的北非到亞洲也有一條長度近半個地球的副熱帶噴流,這條噴流同樣也會扮演波導的腳色,此時期的在北非是否有這麼一條波導存在呢?

 

57

 

風場上看來有噴流條橫跨北非及亞洲,對比一下前述研究中的波導路徑:

56  

 

從觀測上看來,本次的北半球噴流分布區域及時間都和概念模型中的一致,又搭配到此時期一個頗具規模的MJO訊號,看來MJO激發出來的行星波能量會被這些波導傳遞到遙遠的北半球其他區域甚至繞地球將近一圈,也是很合理的,現在來看看波列進入北大西洋後的傳播跟引發阻塞系統的關係吧:

 

 58   

 

波列能量順著大圓路徑跨越歐亞極區往東亞傳遞,沿途激發出的行星波動正好跟前面一開始提到的EU正相位一致,沿紅色箭頭前進,另外一股藍色箭頭則向南邊進入北非後開始順著北非的副熱帶噴流波導東傳,藍色箭頭的故事後面再說,先來看看紅色箭頭這條波列能量傳遞到東亞高緯度的過程發生了甚麼事:

 

由於波列能量會潛藏在西風噴流中傳播,其速度跟噴流相當是非常快的,短短不到一周就可以從熱帶印度洋向東傳到北大西洋跨越超過半個地球,所以波列能量傳遞會優先於天氣系統的產生,在波列能量傳遞抵達該區域時,該區還未必會有相應強度的天氣系統發生:

 

59  

 

這是和上面那張波列傳波圖同一時期的北半球500hPa極投影高度場距平,可以看到此時在歐亞高緯度已有顯著西風波產生,然而此時期的西風波的阻塞型態為剛形成的雛型,尚未達到成熟。

 

(再次強調一次,西風波本身發展跟綜觀尺度的斜壓不穩定有關,這意味著齊下方的溫帶氣旋及冷高壓系統耦合的宜,也有助於提供西風波動的成長,所以波列傳遞過程只是整體西風波發展的其中一個成因,還要考慮其他斜壓系統的耦合回饋能量轉換過程,反之亦然,所以本文目的,只是從大尺度的觀點去詮釋為何冬季斜壓系統頻繁的西風帶中僅有這次的西風波動能有效發展成強烈阻塞,因為若是只考慮斜壓不穩定過程顯然是不夠的,更何況此次事件的極區冷空氣並無大幅外洩訊號。但本文絕無忽略斜壓系統在此次事件中提供波動發展能量源之意,只是受限於篇幅不希望文章一直變長,所以在此不詳述斜壓系統在事件中的貢獻。)

 

 60  

 

 

而到了1月下旬後,波列能量基本上已經減弱,且能量已經傳遞到東亞高緯處,而此時的東亞高緯度阻塞系統強度才正邁向巔峰,這說明了在能量傳遞後的一段時間,天氣系統才能將能量轉換並發展,有滯後性。

 

 

所以從這波列分析的時序來看,源自於熱帶印度洋至海洋大陸的季內震盪訊號激發出的行星波能量,再經由北太平洋的第一支噴流波導傳遞到北美,其後受到地形影響而出現分岔,向高緯度的波數一行星波經由第二支噴流波導經過北大西洋進入北歐時在受到地形影響而分岔成往低緯度一支短波,這支短波在藉由北非至亞洲的第三支波導往亞洲傳遞,而在北歐的一支則繼續沿大圓路徑傳遞越過歐亞極區,進入北亞後的能量源提供給西風波動幫助其在一月下旬成長成阻塞系統,為這波持續性的長期低溫揭開了序幕。

 

 

這裡順便說明一下一個有趣的震盪交互事件,前述提及的NAO事件在此股波列傳遞過程中訊號被強化,如下圖所示:

 

 61  

 

 

事實上MJO波列透過噴流波導效應將能量東傳至北大西洋時,激發出來的波結構,對應上剛好符合NAO的型態結構,這種效應被形容為MJO對NAO的放大效應,也就是MJO激發出來的波列能量透過噴流波導效應傳遞到大西洋時產生了和NAO正相位訊號相仿的結構,進而強化NAO訊號,而研究發現自MJO對流訊號激發波列到影響到 NAO約歷時5-15天的時間,其中統計上來看,在所有相位中又以MJO在3-4相位時為基準,其後約5-15天在北大西洋最容易出現正相位訊號(Cassou (2008)):

 

62   

 

從阻塞頻率統計研究來看,MJO在3-4相位出現的波列訊號結構傳到北大西洋,促進北大西洋NAO正相位訊號放大的效應,高度場上來說呈現北低南高,也抑制了此時期大西洋阻塞高壓的發展,摘自Henderson et al(2016):

 

63  

 

 

上面這張圖的判讀方法:

 

縱軸是阻塞發生的頻率。

藍色線是MJO抵達該相位的當天。

綠色線是MJO抵達該相位的後5天。

橘色線是MJO抵達該相位的後10天。

紅色線是MJO抵達該相位的後15天。

黑線是各海域阻塞發生的氣候統計平均。

 

上面是橫軸標示的各海域:

 

 

64  

 

 

 

可以看到在MJO抵達3-4相位後約10-15天(黃紅線),在大西洋至歐洲一帶(右邊數來第二區間)的阻塞發生頻率是所有相位裡面離氣候平均值最遠的,也就是最不傾向發生阻塞

,換個方式解讀,在5-6相位時的天數距離3-4相位也約過了10-15天,此時去看歐洲大西洋區的藍綠色平均線(抵達該相位的當下),也顯示阻塞頻率居所有相位中最低。

 

65  

66  

 

五天後如下圖:

 

67  

 

 

到這邊我們已經對這次事件的成因有一個比較明顯的理解:在海溫始終偏暖之下並非此次時間上相符的激發波列能量主因,極區的冷源也無大幅外洩,綜觀尺度的溫帶氣旋發展過程時間上也不一致,激發這股阻塞結構的能量源,便很可能源自於熱帶季內震盪的行星波列傳波過程,波列能量傳遞到北大西洋後強化該處原有的槽脊系統,並配合當時北邊有較強的溫帶氣旋發展,於是就如概念模型般在一月中強化了NAO訊號。這個NAO訊號放大事件跟接下來寒潮爆發有關。

 

前面提及了寒潮的醞釀,接下來則來看看寒潮爆發的過程,除了天氣學中所提及的蒙古高壓跟日本海帶氣旋形成的東低西高形式有助於強烈氣壓梯度的累積、冷高壓本身慣性不穩定或是橫槽轉豎等過程以外,橫跨亞非的副熱帶噴流若是有從上游大西洋區將波列能量往亞洲副熱帶地區傳遞的過程,傳至亞洲區的副熱帶高空時的波列型態分布也是有助於引發寒潮爆發的,具體的理論可以參考洪等(2008)的研究中針對北大西洋NAO訊號源如何透過遙相關過程影響到東亞的寒潮爆發。大致的概念是,在NAO正相位時,北大西洋中高緯度的"+-"高低壓距平波列會分別從極區附近沿大圓路徑南下或是從北非的副熱帶噴流往亞洲傳播,往極區的一支波能量沿途激發出北亞阻塞高壓以及東亞的深主槽,從高空提供了西風帶異常阻塞極冷空氣蓄積的環境,另外波列能量往北非一帶的另一支分岔會進入副熱帶噴流區域往亞洲副熱帶地區傳播,沿途波通量透過將噴流本身動能轉換過程,即正壓不穩定,維持波列本身的風場結構,並且傳遞到東亞時,波列分布伴隨的風場結構剛好有利於華南臺灣的大氣環境轉為偏北風分量,有利於北方冷空氣的南下,導致此時寒潮爆發,概念如下:

 

68  

 

 

這次的事件同樣也在一月中有伴隨NAO的正相位放大事件、波列分岔一支往極區走大圓路徑激發阻塞、一支走北非副熱帶噴流路徑傳到亞洲。往極區的一支前面已經探討過了在此不贅述,往亞洲副熱帶地區的一支波列的活動情形,接下來簡單說明一下:

 

58

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上面兩圖是前述所提到的波列在大西洋傳遞時分為兩支的狀況,及一月下旬北非至亞洲的噴流分布,大約在一月中下旬波列就分岔成一支,往南的一支進入了北非噴流區,並且在一月底被傳導到了亞洲區:

 

71  

 

兩者疊加如下圖以及對照洪等(2008)的結果:

 

72  

 

 

可以看到整體波列緯向分布跟概念模式稍微西偏,但整體沒有差太多。接下來看看此時期的風場分布(冷色是北風距平,暖色是南風距平):

 

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上圖由上自下分別是經向風場剖面圖以及噴流條剖面,以及兩者疊加後的最下圖,表示此時期亞非副熱帶(15N-40N)的經向風場距平,可以看到伴隨噴流傳遞的波列結構在副熱帶地區此時期有近似正壓的南北風分量距平,留意此時的華南至臺灣(紅色框框)從高層到低層伴有顯著的北風分量,和前述概念模式一致,顯示此時期的東亞副熱帶地區有自低到高層的北風距平,形成了有利於北方冷空氣潰流的環境背景場,來比較一下此時期的高空西風帶型態:

 

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在1/20-24阻塞發展至成熟階段,北亞有橫槽出現(下圖),此時的北非波列尚未傳到亞洲(左上圖),在亞洲的中層大氣也沒有顯著的北風分量出現(右上圖),寒潮尚未爆發。

 

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在1/30-2/2阻塞崩潰階段,北亞橫槽轉豎象徵寒潮爆發的開始(下圖),此時的北非波列已傳到亞洲(左上圖),在亞洲的中層大氣有顯著的北風分量出現(右上圖)且強度集中副熱帶地區,顯示此股北風距平很可能源自於此股波列,連帶強化了北亞高空的北風,導致橫槽轉豎寒潮大舉南下。注意此時期在白令海峽有一個更強的阻塞生成,就是前述的2號阻塞。

 

到這裡對於寒潮醞釀到爆發已經有了初步的答案:熱帶季內震盪對流訊號激發出的波列受噴流東傳至北大西洋再經歐亞極區南下,途中激發出南北兩支波列伴隨阻塞系統以及東亞北風距平,所導致寒潮爆發。接下來就來看看這次寒潮事件中最大特色"緩進"的因素是甚麼?

 

 

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3.此寒綿綿無絕期? 寒潮為何緩進?

 

78  

 

 

其實阻塞二號的成因就比較好解釋,跟東亞深槽的關係比較好一些,時間上極位置來看是跟隨接在深槽後方發展起來的,這從斜壓不穩定過程中深槽前強暖平流造成的強脊這個理論來看是可以解釋的,不過事實上,這可能除了斜壓過程外,跟熱帶的訊號也有關聯,為什麼這麼說呢,其實也是從波通量圖可以看出來,在這之前先說明一下EU事件在發展到成熟的後續過程:

 

79  

 

 

EU事件的波列傳波事件到了後期其實會傾向消散並不再激發出新的波,但這次事件的波通量比較之下顯然不是如此:

 

80  

 

 

可以看到在白令海峽的阻塞系統是獨立於這股波列傳遞事件的能量傳遞路徑之外的,且顯然來自於南邊,而事實上,這也與MJO的波列傳遞機制有相關聯,前面提到的相位3、4的波列傳遞路徑如下:

 

82.png

 

其實可以看到,在MJO東移的過程中隨著加熱位置的東移,激發出來的波列區域也會逐漸東移,到了第5、6相位時:

 

 

82  

 

 

可以看到加熱區跟波列同時東移的結果,原先在3、4相位時激發出的波列,在MJO抵達5、6相位時鄂霍次克海區域的反氣旋波列進一步往東移到白令海峽,此時的狀況就有利於白令海峽一帶有顯著反氣旋的發生,又,前面提及了海溫對於高度場會有驅動的正貢獻效應:海溫距平基本上和高度場之間容易成正比。此時期(1/20-31)的白令海峽海峽海溫又如何呢?

 

84.png

 

 

可以看到一月底一來白令海峽普遍有偏高1-2度的海溫距平,因此相較於氣候場上而言有較利於脊位維持的背景場。

 

所以在這樣偏暖的海溫之下,假如有MJO移動到6相位時,此時期在白令海峽的強烈脊場出現應該是可預期的:

 

84  

85  

 

1/27-31的波通量傳遞過程跟6相位的MJO激發的波列比較如下,在MJO於1月底的6相位時期與概念模式十分一致

 

 

86  

 

 

於是乎除了中緯度自歐亞高緯度發展的阻塞下游深槽,槽前的暖平流貢獻以外,再加上偏高海溫以及來自熱帶的波列傳播過程,造就了位於白令海峽自一月底以來的強烈阻塞並維持近兩周之久,推測這很可能是這次緩進式寒潮之所以如此漫長的主因:熱帶與中緯度交互作用過程造就了強烈持久的阻塞高壓。

 

事實上這次的阻塞高壓也讓PNA事件在1月中旬至月底轉成了負相位事件,PNA事件的正相位型態是北太平洋有深低壓,北美西北部高壓,東熱帶太平洋及北美東部為低壓的"-+-"型態:

 

87.png

 

 

相反的,負相位事件是北太平洋有高壓脊,北美西北部低壓,東熱帶太平洋及北美東部為高壓脊的"+-+"型態:

 

88.gif

 

 

這次阻塞事件也改變了入冬以來長期偏正相位的PNA訊號被轉成負相位,自一月中下旬開始:

 

89  

 

 

90  

 

+-+的PNA負相位型態在美東地區的表現會導致該區容易為脊位控制而變得溫暖,在冬天容易導致暖冬出現。

從上面分析我們可以看到,MJO可以引發出波列能量強化白令海峽一帶的高壓脊使其發展成阻塞,這部分在前述阻塞與MJO統計上的關係可以窺見端倪:

 

 

91  

 

 

同樣可以看到,由於距離較近的關係,太平洋(左邊第一區間)的阻塞好發頻率在抵達5-6相位當下的MJO訊號有著不錯的同步率,波列走的路徑較短所以能比較快激發出阻塞。同時在頻率上可以看到MJO在位於5-6相位的當下伴隨的阻塞頻率甚至高於氣候平均值,這顯示了MJO的波列傳遞作用在此時的阻塞生成上有相當好的相關性,我們也可以這麼說:5-6相位時的MJO其實具有幫助引發出或強化北太平洋的高壓脊,或使其進一步成為成為阻塞的可能性。因此,在研究中針對於5-6相位的MJO事件如何引發北太平洋阻塞,描繪了下列這張概念模式圖:

 

 92   

 

 

可以看到在北太平洋此時是被高壓脊控制的狀況(摘自Henderson et al.(2016))。

 

 

所以在這裡對於這次寒潮事件的運釀及其異常的持久性,從熱帶訊號的觀點,可以找出其可能的根本因素:6相位時的MJO激發出來的波列配合白令海峽的高海溫區,強化了該處的西風脊,導致其成為阻塞影響到西風帶的正常進行,使臺灣一直位於槽底,冷空氣連綿不絕。

 

 

不過根據過去研究發現,6相位時的MJO除了有利於白令海峽脊位發展成阻塞外,如果是考量到寒潮爆發期間的北風距平,其實也可能跟MJO在6相位的活動有關。根據洪等(2008)的研究針對2008年2月份寒潮事件的分析,發現在反聖嬰年的背景下,東太平洋發展往中太平洋一帶的冷舌區,會限制對流活動,進而對傳播到海洋大陸以及過海洋大陸的MJO對流訊號造成鎖相”phase lock”的狀況,即MJO被限制在海洋大陸的4-6相位滯留活動無法再繼續東傳,故對流在海洋大陸上一直被強化,導致該區有異常的上升支,可以強化東亞的局地哈德里胞,導致中緯度下沉強化,到了中低層東亞大氣有異常的北風距平,且能使此距平持續,也是導致寒潮有持久傾向的因素,概念圖如下:

 

 

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來看看這次的MJO通過海洋大陸後的狀況:

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首先是赤道區域冷舌的發展,可以看到從去年秋季以後伴隨反聖嬰的冷舌低海溫區有往西延伸達中西太平洋的趨勢(黑線),海洋大陸一帶的海溫也有偏高趨勢,背景場有利於局地環流的強化。

 

在MJO的狀況,可以看到1月底到2月上旬,MJO都大致在6-7相位活動,其中在7相位時有出現鎖相的狀況,與前面的概念模式相比稍微偏東了一些:

 

 

 

95  

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對於風場的影響,先從此時在海洋大陸附近的上升運動來看:

 

97  

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(暖色表下沉,冷色表上升)

 

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(暖色表南風,冷色表北風)

 

 

從上面的風場以及垂直運動分析來看,海洋大陸上的確有顯著的垂直運動距平(最上圖紅框),中間的圖則顯示該垂直運動引發的經向環流其實有強化北半球東亞至西太平洋的哈德里胞(中圖紅圈)效果,也強化了東亞至西太平洋一帶中低層大氣的北風分量(下圖紅圈),並有助於維持。

 

  

所以考量到MJO到6相位活動的情形,其波列傳遞有助於強化白令海峽脊為使其成為阻塞,讓臺灣持續位於槽底,是寒潮持續的原因之一。以及在6-7相位的活動強化了海洋大陸的上升,強化哈德里胞伴隨中低東亞西太平洋一帶北風風速的增強並維持,是寒潮持續的原因其二。

 


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 4. 總結

 

 

 

這次寒潮最大特性在於其如此持久,其生成到維持的狀況簡述如下:

 

生成發展階段除了可能有背景的西風帶偏弱、北大西洋高海溫強化脊場有利於西風帶震幅加大、中緯度的斜壓過程等因素外,在真正導致此阻塞事件的能量來源上,我們似乎不能忽略MJO的遙相關作用傳遞能量來強化波動的過程。

 

而從爆發到持久的過程,MJO的遙相關作用激發的波列強化了西風波配合白令海峽高海溫導致了該處阻塞結構的生成、以及MJO本身鎖相在6-7相位時導致的海洋大陸局地哈德里胞強化,使得寒潮爆發前因副熱帶噴流傳遞至亞洲的波列於臺灣華南一帶造就的北風距平強化並持續。

 

以上都是寒潮醞釀到爆發並持續的重要因素,事件始末用簡圖概述如下:

(注意以下概念圖皆是為了簡要說明此次個案,對於其他類似個案是否具有同樣機制,尚待進一步研究)

 

 AA  

BB  

CC  

DD  

 

 

參考文獻:

 

 

 

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