急流对天气的影响

急流是行星大气（包括地球）中的一股速度快、尺度小的气流。这些气流通常位于对流层与平流层之间的对流层顶附近，其长度可达数千公里。急流的特点是风速极高——可达每小时200英里（320公里/小时）——以及其弯曲的路径——常常像一条环绕地球的空中河流。

背景信息和发现

急流最早是在20世纪初被提出的，但直到第二次世界大战才被普遍承认。在那场冲突中，驾驶轰炸机在高空执行对日本任务的飞行员遇到了强风，这对他们的航线产生了重大影响。

这些现象引起了人们对高层大气风况的兴趣和研究。德国气象学家海因里希·塞伊尔科夫在20世纪30年代首次使用了“急流”一词，在接下来的几十年里，对这些强大的大气流进行了大量的绘制和理解研究。

了解急流对于理解气候系统和全球天气模式至关重要。

它们在影响风暴和温度波动等天气现象方面起着重要作用，因此，研究它们对于精确的天气预报和航空安全至关重要。急流的发现和后续研究极大地扩展了我们对气象学和大气科学的认识。

急流的形成和动力学

1. 大气层和气压梯度

急流形成于许多大气层的边缘，尤其是在对流层顶——对流层与平流层之间的边界附近。这些层在温度和气压上存在差异；对流层因更靠近地球表面而更温暖、更不稳定，而平流层则更冷、更稳定。气压梯度力源于这些层之间的空气气压变化，它加速了急流的形成。温度和气压差越大，急流越强。

2. 科里奥利效应和地球自转的作用

地球自转通过科里奥利效应极大地影响着急流的行为。当地球自转时，从高压区流向低压区的空气在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。这种偏转引起了气流向东的运动，这也是急流形成的部分原因。由于科里奥利力和地球自转的影响，急流呈现出明显的蜿蜒路径。

季节性变化和形态

急流并非一成不变；它们会随着地球围绕太阳的倾斜和轨道发生季节性变化。在冬季，由于两极和赤道地区之间的温差更大，急流会变得更强、更清晰。夏季，当温差减小，急流会减弱并改变位置。这些季节性变化会影响天气模式，例如风暴系统的迁移和降水分布。

急流也会发生短期波动，并且它们的位置、强度和形态会根据温度、大气压力以及其他天气系统的存在等多种因素而变化。由于这些特性，急流因其对区域和全球天气模式的巨大影响能力，对于天气预报至关重要。

理解急流的形成和行为对于预测天气和气候事件至关重要。它们复杂的天性，由地球自转和大气环境塑造，强调了它们在大气研究领域中的重要性。

急流的类型

1. 极地急流

极地急流通常形成于南北半球50至60度纬度之间。它们形成于寒冷的极地空气与来自中纬度地区的较暖空气交汇的地方，即极地环流和中纬度（费雷尔）环流之间的边界附近。由于巨大的温差，极地急流在此形成。

特征：极地急流通常比副热带急流更强，风速可达每小时250英里（400公里/小时）以上。冬季是它们最明显的时期，因为此时温差最大。极地急流显著的蜿蜒路径会产生罗斯比波，这些大波会影响大范围的天气模式。

对天气的影响：天气系统在很大程度上由极地急流产生和移动。风暴和低压系统可能被它们引导，从而改变温度和降水模式。它们的强度和位置可能导致极端天气，包括热浪和寒潮，具体取决于其蜿蜒的方向。

2. 副热带急流

位置和形成：在南北半球，副热带急流位于中纬度费雷尔环流和热带哈德里环流之间的过渡带，大约在30度纬度。它们是由中纬度较冷的空气与温暖的热带空气之间巨大的温差形成的。

特征：副热带急流通常比极地急流弱，风速在每小时100到150英里（160到240公里/小时）之间。冬季和早春是它们最活跃的季节。副热带急流通常比极地急流更呈纬向，即东西向移动，蜿蜒较少。

副热带急流通过影响热带系统的形成和水分分布来影响天气模式。它们能够引导飓风等热带风暴，影响副热带地区的气温和降雨。副热带急流的变化也会影响季风模式和干旱条件。

其他不太常见的急流

热带东风急流位于热带国家上空的高层对流层，在印度洋夏季季风期间尤其活跃。与更典型的西风急流相反，它从东向西流动，影响印度季风以及附近地区的降水模式。

低层急流：通常位于边界层，更靠近地球表面。它们可能由于热梯度和地形等多种原因而形成。由于它们会输送水分并影响雷暴和龙卷风等强天气，因此低层急流非常重要。

被称为极夜急流的平流层急流在北半球冬季形成。

它是由温暖的中纬度平流层和寒冷的极地平流层之间的巨大温差造成的。极夜急流与极地涡旋密切相关，影响着平流层天气模式，进而影响对流层天气。

理解各种急流及其特征对于欣赏它们对区域和全球天气模式的影响至关重要。每种急流都以不同的方式影响天气系统和气候的形成，它们的相互作用可能会产生广泛的天气现象。

天气系统与急流

1. 温度和降水影响

全球范围内，急流对温度和降水模式有着巨大的影响。作为大气边界，其快速移动的气流分隔了不同的气团。例如，极地急流通常将温暖的中纬度空气与寒冷的北方空气分开。

在急流的低压槽或南移时，较冷的空气和可能更多的降水会被带到本应温暖的地区。反之，急流的脊或北移可能导致更温暖、更干燥的天气。

2. 对风暴系统和天气锋面的影响

锋面和风暴系统的形成和移动在很大程度上由急流引导。这些系统被急流相关的强风所引导，决定了它们的速度和方向。由于急流导致高层辐散，低压系统——通常与恶劣天气相关——往往沿着急流形成和增强。这种辐散会促进降水、云的形成和空气上升。

3. 高压系统和气旋发生

气旋发生：急流促进了气旋的生成和加强。当地面低压系统与急流结合时，气旋可能发展得更快。地面低压与急流的低压槽（向下弯曲）对齐，可以增强大气不稳定和上升运动，从而加速气旋的发展。在可能带来强降水、降雪和强风等恶劣天气的中纬度气旋中，这一过程尤为明显。

气旋与低压系统相关；高压系统与反气旋相关。急流也会影响反气旋的发展和持续时间。称为急流脊（向上凸起）与地面高压区对齐，可能带来晴朗、平静的天气和稳定的气候条件。尽管这些反气旋可能带来持续的明朗、干燥天气，但如果持续时间足够长，它们也可能助长热浪和干旱。

4. 极端天气和阻塞型天气

有时，急流会“阻塞”或停止移动，导致长期的极端天气事件。当急流产生的巨大、静止波将天气系统困住时，就会形成这种阻塞型天气。例如，阻塞性低压系统可能导致洪水和持续降雨，而阻塞性高压系统则可能导致长期热浪和干旱。

急流脊在某个区域静止不动可能导致长期的热浪，就像2003年的欧洲热浪所显示的那样。相反，静止的低压槽可能导致长期的寒潮或极寒天气。

风暴活动增加和强降雨：急流增强风暴活动也可能导致强降雨事件。当急流槽与热带湿润空气接触时，可能导致强风暴和强降雨。在北美东海岸，诺尔斯特（Nor'easters）——可能带来大雪、大雨和强风——主要就是由于这种相互作用造成的。

急流中的极端天气事件和异常

1. 阻塞型天气和热浪

阻塞型天气：急流中的异常，尤其是阻塞型天气，可能导致极端和持久的天气事件。当急流保持静止或几乎静止时，阻塞型天气会形成巨大的脊和槽，长时间地影响某个区域。这些模式会产生持续的天气状况，有效地“阻塞”了天气系统典型的自西向东的移动。

当阻塞性高压系统（也称为“阻塞高”）在一个特定区域建立起来时，可能导致热浪。由于高压系统导致空气下沉，云无法形成，出现晴朗的天空和强烈的阳光。近地面的热量积聚导致气温急剧升高。

受急流阻塞型天气影响的显著热浪事件包括2003年的欧洲热浪和2021年的太平洋西北部热浪。这些事件打破了记录，并对生态系统、农业和人类健康产生了重大影响。

2. 极端寒冷和极地涡旋事件

寒潮：另一方面，持久的寒冷天气被称为寒潮，可能由深厚的急流槽或阻塞性低压系统引起。这些寒潮可能导致气温突然急剧下降，因为寒冷的极地空气团被推入较低纬度。例如，2019年1月北美寒潮使美国中西部经历了严寒，气温远低于冰点。

极地涡旋事件：地球两极周围存在一个巨大的寒冷空气和低压区域。通常，极地急流将其约束住。但是，急流的扰动会削弱极地涡旋，使其分裂并将其极寒空气推向低纬度地区。这可能导致极端寒冷事件，例如2021年2月席卷德克萨斯州和其他南部州的寒潮，导致大范围停电和重大损失。

3. 风暴活动增加和强降雨

急流异常引起的风暴活动增加也可能导致恶劣天气事件。当急流在一个区域形成一个大槽时，可能引起大气不稳定，从而促进强风暴的形成。这种不稳定可能导致严重的雷暴、龙卷风和冰雹。

2011年席卷美国东南部并产生大量龙卷风的“超级爆发”事件受到了强大的急流槽的影响。急流异常可能导致长时间的强降雨和洪水。

由于急流静止不动或形成“离切低压”（一个与主急流运动分离的低压系统），可能会导致同一地区持续降雨。这可能导致大范围洪水，正如2010年巴基斯坦洪水和2019年美国中西部洪水所表明的那样。洪水可能会摧毁社区、农业和基础设施。

行星变化与急流

1. 急流模式变化

急流正以多种显著方式对气候变化做出响应。

波动性增加：研究表明，急流比以往更加波动和多变。这种增强的波动性可能导致更恶劣的天气模式，因为它促进了冷暖气团的更大混合。

速度减慢：研究表明，尤其是在北半球，急流正在减速。这种减速被认为是由于北极放大效应（北极升温速度快于世界其他地区），这减小了北极和赤道之间的温差。

随着全球气温升高，急流显示出向两极移动的趋势。这可能会改变天气系统的分布方式和降水模式。

2. 对未来天气系统的可能影响

更恶劣的天气事件：随着急流变得更加波动和减速，恶劣天气事件的可能性增加。由于急流的蜿蜒使得天气系统停留的时间更长，长期的热浪、寒潮和倾盆大雨可能会变得更频繁。

降水模式变化：急流向两极移动可能会导致某些地区比其他地区更湿润。例如，靠近两极的地区可能会降雨更多，而依赖中纬度风暴带的地区可能会降雨减少。

对风暴频率和强度的影响：急流活动的变化可能影响风暴的频率和强度。例如，急流产生更大不稳定性可能导致风暴活动比其他地方更强、更频繁。

3. 气候反馈模型和机制

气候变化和急流之间的相互作用会导致反馈循环，从而放大特定的天气模式。例如，极地涡旋减弱可能导致中纬度地区更频繁的寒冷空气爆发，并对全球天气模式产生复杂影响。

理解和预测气候变化对急流的影响需要使用气候模型。这些模型模拟了在不同温室气体排放情景下急流和地球气候系统的行为。它们支持对未来急流变化及其对区域和全球天气模式影响的科学预测。

飞行员与急流

1. 航线和燃油效率

最佳航线：急流极大地影响燃油效率和飞行模式。急流提供强大的顺风，航空公司利用这些顺风缩短航班时间和节省燃油。通过安排飞机跟随这些快速移动的气流，航空公司可以节省大量燃油并缩短旅行时间，尤其是在跨大陆和跨大西洋航线上。例如，从北美飞往欧洲的飞机经常利用向东移动的极地急流来加速旅行。

避免逆风：另一方面，逆风飞行的飞机将面临严重的逆风，这会延长飞行时间和增加燃油消耗。航空公司会安排这些航班尽量远离急流核心的南部，选择逆风较弱的高度或更南的航线。

2. 急流对飞机的危险

与急流相关的主要危险之一是晴空湍流（CAT）。这种湍流尤其危险，发生在晴朗的天空中，没有任何明显的预警迹象。CAT是由急流边界的风切变引起的，风速和风向在此处会突然变化。它可能导致飞机突然颠簸，对飞机造成危险，如果未系好安全带，则可能对乘客和机组人员造成伤害。

风切变和侧风：特别是在起飞和降落期间，急流可能产生这些情况。风切变给飞行员带来挑战，因为它可能快速而显著地改变飞机的爬升高度和稳定性。侧风（飞机两侧的空气流动）可能使飞机在起飞或降落时难以直线飞行，需要飞行员熟练操作。

3. 穿越急流的技术

先进的飞行规划：要成功穿越急流，现代飞行规划利用尖端技术和实时数据。飞行员和飞机调度员使用预测模型、急流位置和天气趋势来选择最安全、最有效的航线。除了减少湍流暴露外，这种设计还能最大限度地提高燃油效率。

飞机可以动态调整飞行轨迹，以利用有利的急流条件或避开不利的条件。这种灵活性使飞行员能够根据急流位置和强度的实时信息来改变航线和高度。

技术进步：气象预报和航空电子设备的发展提高了我们识别和应对急流相关风险的能力。增强的天气雷达系统、机载传感器和通信技术为飞行员提供有关湍流和风况的及时信息，从而能够在飞行过程中主动进行调整。

观测和预测急流

1. 观测系统和仪器

卫星是监测急流的必要条件。它们提供风速、温度和气压在不同高度的持续、全球性测量。诸如NASA Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）等仪器，使气象学家能够跟踪急流的趋势。

气象气球：从地面发射的气象气球，也称为探空仪，爬升穿过天空，收集不同高度的风速、湿度和温度信息。这些气球提供的大气垂直剖面对于识别急流及其强度至关重要。

雷达和激光雷达：地面雷达和激光雷达设备监测不同高度的风速和风向的能力有助于理解急流的动力学。特别是多普勒雷达被用于探测与急流相关的晴空湍流（CAT）。

飞机观测：商用飞机和研究飞机的先进仪器允许对大气条件进行实时的飞行中测量。诸如飞机气象数据中继（AMDAR）等项目，从商用飞机获取巡航高度的风速和温度的实时信息。

天气模型和再分析：为了创建大气层的全面描述，数值天气预报模型和再分析数据集——例如美国国家环境预测中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）生成的数据集——会整合观测数据。这些模型部分预测和识别急流的行为。

2. 气象预报模型进展

高分辨率模型：由于计算能力的进步，能够准确模拟急流。这些模型提供精确的急流位置和强度预测，从而可以更好地预测相关天气模式。

集合预报通过执行具有略微不同初始条件的多个模拟来捕捉潜在结果的范围。

这种方法提供了概率性预测，并有助于解释急流预测中的不确定性，从而使天气预报更加可靠。机器学习和人工智能（AI）越来越多地改进急流的预测。这些工具可以分析大量数据，识别趋势，并通过根据看到的差异调整模型输出来提高预测准确性。

3. 预测急流行为的问题和限制

复杂的相互作用：地球自转、温压梯度和大气压力系统是影响急流的众多因素中的一部分。由于这些因素的复杂相互作用，精确预测急流行为很困难，尤其是在较长时间尺度上。

数据空白：尽管卫星和飞机观测提供了广泛的数据，但仍然存在空白，尤其是在遥远的海洋和极地区域。在某些地区，这些数据空白可能会降低急流预测的精度。

气候变化的影响：气候变化引起的急流模式的变化使预测更加复杂。气象学家和气候科学家仍在努力预测这些变化将如何发展以及它们将如何影响急流的行为。

历史案例研究

1. 2010年欧洲严寒

概述：2010年初，一场持续的严寒袭击了欧洲。特别是，该事件的特征是整个大陆大部分地区气温低且降雪量大。

急流的作用：极地急流向南移动了很大一段距离，这又导致了寒潮。这种变化带来了长期的寒冷天气，使寒冷的极地空气得以进入欧洲。急流在北大西洋上空的蜿蜒形成了一个阻塞高压系统，阻止了较暖的空气进入该地区，加剧了寒潮。

2010年欧洲寒潮的广泛影响包括交通中断、能源消耗增加以及基础设施损坏。它也突显了了解急流动力学对于预测和应对恶劣天气的重要性。

2. 2012年北美热浪

概述：2012年夏季，北美历史上最严重、最广泛的热浪之一发生。横跨美国和加拿大的飙升气温打破了许多记录，导致了严重的热相关健康问题和死亡。

急流的作用：急流加剧了一个持续的高压系统，即与此次热浪相关的“热穹”。随着急流向北移动，形成了一个脊，使得炎热干燥的空气积聚在美国中部和东部。一个阻止冷空气进入该区域的阻塞高压系统维持了这种模式。

影响：2012年的热浪导致能源系统出现严重问题，以及农业损失和更多的野火。它让人深刻认识到急流模式在引发和维持高温事件中的作用。

3. 2014年极地涡旋

概述：2014年1月，极地涡旋这一现象导致北美大部分地区出现严寒。由于北极空气深入国内，许多地区的气温创下历史新低。

极地涡旋事件是由极地急流减弱并向南移动引起的。急流的蜿蜒性质可以将通常位于极地附近的寒冷北极空气带到低纬度地区。太平洋上高压脊的出现加剧了这种情况，有助于极地涡旋的迁移。

影响：2014年的极地涡旋导致了重大混乱，包括学校和企业关闭、供暖费用增加，以及由于管道结冰和大雪造成的य基础设施损坏。它揭示了急流异常可能导致意外和严重的寒潮。

4. 2018年夏季热浪

概述：2018年夏季，北半球（包括欧洲、北美和亚洲）出现了极端和持久的热浪。这些热浪导致气温创纪录、干旱和野火。

急流的作用：2018年的热浪与急流的减弱和更多蜿蜒有关。这使得高压系统变得固定，形成了阻塞模式，将热空气长时间困在广阔区域。急流的位置和行为受到多种因素的影响，包括海表温度和北极放大效应。

影响：2018年的热浪造成了毁灭性影响，包括与高温相关的死亡、作物歉收和重大野火。这些事件强调了理解气候变化如何改变急流行为以及极端高温事件频率的日益增长的必要性。

5. 2021年德克萨斯州冬季风暴

概述：2021年2月，一场大规模的冬季风暴给德克萨斯州和美国南部其他地区带来了极端的冰冻温度和大量的降水。这次事件导致大范围停电和重大损失。

急流的作用：这次冬季风暴是由极地急流的强烈南移引起的，使得北极空气骤降至美国南部。这种急流异常是打破极地涡旋对寒冷空气常规约束的更广泛模式的一部分。

影响：2021年德克萨斯州冬季风暴造成了严重影响，包括电网停电、供水短缺和重大的财产损失。它突显了基础设施对极端天气事件的脆弱性以及急流动力学在这些事件中的关键作用。

结论

急流是强大的高层气流，在形成全球天气模式和影响气候动力学方面起着至关重要的作用。它们强大的风和蜿蜒的路径充当着大气的“高速公路”，引导天气系统跨越大陆和海洋。理解急流活动对于气象学家、气候学家和航空专家来说都至关重要，因为它直接影响天气预报、航空路线和气候模型。

在过去的几十年里，对急流的研究揭示了与气候变化相关的重大变化。这些变化包括波动性增加、位置变化以及强度和行为的调整。这些变化可能导致更频繁和剧烈的天气极端，例如热浪、寒潮以及长时间的降雨或干旱。

历史事件，如2010年的欧洲寒潮、2012年的北美热浪和极地涡旋事件，都表明急流异常如何可能导致具有重大社会影响的极端天气现象。

卫星监测、天气建模和数据同化的技术进步，提高了我们更精确地观测和预测急流模式的能力。然而，仍然存在挑战，包括大气相互作用的复杂性、偏远地区的数据限制以及对未来气候情景的不确定性。

随着我们继续监测和分析急流，将这些信息整合到气候适应计划和灾害准备活动中变得越来越重要。通过了解急流如何适应气候变化及其对全球天气模式的影响，我们可以更好地预测和预防极端天气事件对全球人口、基础设施和生态系统带来的影响。