2021年2月中旬正当东亚气温回升，冷空气活动减弱，美国却遭受了一次极端寒潮天气过程。随着极地冷空气的南下，气温断崖式下跌，雨雪冰冻齐上阵，给基础设施及民众生活带来了严重影响。其中位于南方的德克萨斯州电力中断，供水管道破裂，民众生活遭遇了前所未有困境，造成几十人死亡的重大灾害。这似乎象美国大片“后天”中的可怕情景，提前上演了（图1）。近些天，网络媒体上关于美国寒潮的起因出现了各种说法，一些可能是气候专家的解读，也有一些属于某些非专业媒体拼凑的零散新闻，题目唬人，结论是似而非，莫衷一是。其中最流行的说法是极端寒潮可能起因于全球变暖。但这似乎又与常识相悖，难以被接受。据美国一些网站报道，已有业内人士批驳（debunked）这种说法。诚然，全球变暖与极端寒潮冷事件的关联机制是一个困难的科学问题，要揭示其形成机理，尚需要科学家深入细致的大数据分析、严紧的理论推演和大量的计算机模型数值试验研究。然而，一次极端寒潮事件发生的直接原因必然是大气环流异常，有经验的天气预报员也可以依据气象学理论，从连续数天天气图上大气环流的逐日演变分析这次美国寒潮形成的环流异常特征或成因。

       图3  2021年2月10日（左）与2月14日20点700mb 天气图，红线为等温线，蓝线为等位势高度线 （图取自中央气象台网站）.

     这次北美寒潮的一大特点是冷空气竟然到达美国南部气候干热的德克萨斯州并伴随着大雪天气。原因之一自然是东海岸高压脊太强,有多个气旋活动。另一个重要原因与所谓“上游效应有关”。在高空天气图上移动的大气长波是Rossby波，它的形成起因于科里奥利参数（ f=2Wsinj）随纬度的变化率，即所谓b效应。其中W是地球旋转角速率，j是纬度；b=2Wcosj, 称为Rossby参数。G. Rossby是叶笃正在芝加哥大学读博时的导师。叶先生博士论文的研究内容之一是Rossby波的能量频散问题（Energy dispersion），即Rossby波的合成波以群速度向下游传播，其速度超过了Rossby波本身的传播速度。这个结果揭示了天气图上经常看到的"上游效应"的形成机理，即当上游一个低压槽加深时，远在千公里之外下游的低压槽也会很快加深，其原因是大气长波能量向下游的快速传播，称之为能量频散。因此，从东亚东移的大低涡在阿留申群岛上空增强，不仅导致北美西海岸高压脊进一步增强，也很快引起下游美国上空的低压槽加强南伸，并在槽底的德克萨斯附近新生出一个气旋波，给当地带来大雪天气。此外，伴随美国西海岸副热带高压的增强，东海岸大西洋一侧的副高也增强西伸，它不仅形成了有利于德州降水的“东高西低”环流形势场，其前部的东南风还将墨西哥湾的暖湿气流输送上岸，与南下的冷空气交汇于德克萨斯州等地，为暴雪天气的形成提供了有利的热力学条件和丰沛的水汽资源。

  可见，辛丑牛年之初北美的超级寒潮过程也与2020年12月初自北极涡旋分裂出而掉向东亚的低涡体有关。这个低涡体向东漂移出海，直奔美洲大陆，最终被西风带吸收消失在新大陆上空，结束了它漫长的流浪之旅。同时，北极涛动指数也在经历了两个半月多的负位相后，于2021年2月中旬末又转为了正位相，北极的大涡旋在万米高空又得以重建。

  总之，这次北美的超级寒潮，一方面是由于拉尼娜背景下中纬度西风带波幅增大，美国东西海岸副热带高压同时增强，另一方面是掉向亚洲一侧分裂的极地涡旋体在制造了四次东亚寒潮天气后，乘着西风带漂移出海，奔向北美大陆，促使北美西海岸高压脊进一步增强并造成北美大槽的异常加深，最终在美国制造了这起罕见的暴雪冰冻的灾害性天气事件。

2021年2月22日

参考读物：

 叶笃正文选. 安徽教育出版社，2008.

 Yet T C. On enengy dispersion in the atmosphere. J. Meteorology, 1949, 6:1-16

 郭晓岚. 大气动力学. 江苏科技出版社，1981.