从2013年11月到2014年1月，急流在北美和欧洲上空呈现出非常极端且持续的形状。这条高空自西向东流动的全球性气流，比平常更向南倾斜，横跨美国东部，使得臭名昭著的“极地涡旋”将北极上空寒冷的空气向南倾泻，使美国东部三分之二的地区陷入严寒。五大湖的冰盖面积达到了有记录以来的第二大范围，两次破坏性的冰雪风暴使亚特兰大瘫痪了数天。
与此同时，一个顽固的高压脊盘踞在加利福尼亚上空，造成了当地有记录以来最温暖的冬天。虽然温暖的天气听起来不错，但由此造成的干旱却成为自19世纪后期有记录以来最严重的一次，造成了数十亿美元的农业损失。
急流的扭曲也袭击了欧洲，那里接连不断的强烈风暴造成了数十亿美元的额外损失。在英格兰和威尔士，冬季是有记录以来最潮湿的，至少可以追溯到1766年。欧洲其他大部分地区沐浴在异常温暖的天气中：挪威遭受了前所未有的1月野火，俄罗斯索契的冬季奥运会官员则在融化的滑雪坡上挣扎。5月，波斯尼亚全国近三分之一的地区被一场巨大的、旋转的暴雨淹没。
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通常，急流就像一股在中纬度地区吹拂的气流带。正如我们在电视天气预报中看到的那样，它经常有从北到南再到北的轻微弯曲，看起来有点像示波器上的正弦波。这些弯曲被称为行星波或罗斯贝波，通常在三到五天内穿过美国。它们带来了我们经历的大部分日常天气。
然而，在2013-2014年冬季，这些波浪被放大，两侧变得巨大而陡峭，类似于不规则的心电图打印输出。这种风的配置也比平时移动得慢得多，有时会在原地停留数周，带来非常长时间的异常天气。犹他州立大学的王世宇（西蒙）领导的一项5月份的研究发现，当时北美上空的急流模式是有记录以来最极端的。
这种极端的急流是一种异常现象吗？显然不是，因为它似乎越来越频繁地发生。2010年，俄罗斯经历了有书面记录以来最严重的酷热天气，导致超过55,000人死亡。与此同时，强降雨袭击了巴基斯坦，这是该国有记录以来损失最惨重的自然灾害。2011年，俄克拉荷马州经历了美国任何州有史以来最炎热的夏天。2012年，美国的干旱状况是自20世纪30年代以来最广泛的。
波茨坦气候影响研究所的科学家弗拉基米尔·佩图霍夫领导的2013年4月的一篇论文指出，在这些特殊事件中，急流中的弯曲具有一个共同特征。通常向东移动的波浪“停滞不前并被大大放大”，其中两位作者在关于他们研究的博客文章中写道。在某些情况下，弯曲会一次卡住数天甚至数月。科学家们还表明，从2001年到2012年的夏季，极端配置的出现频率是之前22年夏季的两倍。
正如鲍勃·迪伦所唱的那样，“你不需要气象员就知道风往哪个方向吹。”急流显然出了问题，而且不难看出可能的原因。过去150年来，我们气候的基本状态发生了巨大变化，这种变化开始改变急流的行为。例如，大气中捕获热量的二氧化碳水平增加了40%以上，这主要是因为煤炭、石油和天然气的燃烧。自1900年以来，北极夏季海冰的范围减少了近50%，影响了大气和海洋中的热流。由于我们已经将地球一半以上的地表面貌改造成了农作物、牧场和城市，因此地球表面反射的太阳能也发生了显著变化。来自发电厂、车辆、建筑物和工业的大量反射阳光和吸收阳光的烟尘和污染物喷涌而出。巨大的臭氧空洞扰乱了南极洲上空的高层风。
人类已经猛烈地冲击了气候系统，物理学原理要求地球的基本天气模式随之改变。事实上，王和他的同事们得出结论，如果没有人类造成的全球变暖的影响，急流的配置很可能不会变得如此奇怪。
危险在于气候不是线性的。适度的全球变暖可能会突然产生阶跃变化，进入一个天气截然不同的新状态。气候科学家们正在激烈地争论，气候整体以及特别是急流是否已经跨越了临界点，进入了一个新的长期状态。他们还在争论波茨坦研究人员和其他人提出的一个有争议的理论，该理论认为，急流的变化主要源于地球上变暖最快的部分——北极发生的事件。
如果急流确实正在进入一个新的状态，这对文明来说是不祥之兆。英国埃克塞特大学的詹姆斯·斯克林和澳大利亚墨尔本大学的伊恩·西蒙兹在《自然气候变化》杂志上发表的8月份的一篇论文中，甚至指出了潜在的影响。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）他们写道，如果急流波“正如人们所提出的那样，因人为[人类造成的]气候变化而放大”，“我们的研究结果表明，这将优先增加北美西部和中亚地区热浪、北美东部地区寒潮、北美中部、欧洲和中亚地区干旱以及西亚地区极端潮湿天气的可能性。”
这种新常态将意味着中西部地区将面临更可怕的夏季干旱。像2010年关闭华盛顿特区的“雪灾”这样的冬季暴风雪将更频繁地袭击美国东部居民。世界各地的人们将看到食品价格上涨，这是北美中部、欧洲和中亚地区持续强烈干旱的后果。
自然变化
气候变化将通过作用于大气中最终塑造急流的巨大力量来间接修正急流。这条长年存在的风河，高度为9至14公里，在南北半球环绕地球，并充当携带降水的低压系统所沿的引导。急流通常有两个分支：极地急流，它是极地附近冷空气和靠近赤道暖空气之间的边界；以及不太强烈的副热带急流，它更靠近赤道。从今以后，当我讨论急流时，我指的是主要的极地急流。
急流的纬度会随着季节而略有升降：冬季通常在美国中部上空，夏季则靠近美加边境。然而，气流是混乱的，并且始终存在大的罗斯贝波。在北半球，当急流向北凸起形成高压脊时，暖空气从南向北流动。当急流向南环绕形成低压槽时，冷空气向南溢出。
急流是由每个半球上空三个主要的互锁环流单元产生的。尽管这些单元有助于塑造急流，但天空中的其他力量可以进一步扭曲它。大气实际上会因来自太阳的能量、大陆和海洋的形状和位置、山脉的存在以及空气中捕获热量的温室气体和反射性尘埃的数量而产生共振。正如吉他在拨动不同琴弦时会产生不同的共振一样，随着这些因素的变化，大气会以多种音调共振，称为遥相关模式。这些自然共振可以重塑急流，使确定其最近的行为是否是永久性变化的迹象变得复杂。
在北半球，最重要的两个遥相关模式是厄尔尼诺/南方涛动和北极涛动。厄尔尼诺/南方涛动是热带大气压力的三到八年周期。它在厄尔尼诺现象期间将高于平均水平的海洋水域推向东太平洋，而在相反的拉尼娜现象期间则推向低于平均水平的水域。急流通常在厄尔尼诺现象期间在美国东太平洋上空更向南倾斜，但在拉尼娜现象期间在那里向北凸起。北极涛动是由北极和中纬度地区之间海平面压力的每周波动引起的。如果这种压力差很小，急流风往往会减弱，从而形成大幅度环流；在冬季，较小的压力差通常会导致冷空气向南溢出，到达美国东部、西欧和东亚。
加利福尼亚州的启示
大气遥相关模式是相互交织的。它们可以相互抵消或相互加强。改变这些模式出现的大气基本状态可能会改变它们，从而导致急流异常。2011年，当极端急流持续存在，而弱至中等拉尼娜现象仅在一年中的部分时间出现时，我想到了这种可能性，这很奇怪。当时，没有已发表的理论详细说明这种情况可能如何发生。但在当年12月在旧金山举行的美国地球物理联合会会议上，这是世界上最大的气候科学家聚会，罗格斯大学大气科学家詹妮弗·弗朗西斯介绍了与该事件相关的新发现，这很有趣。她曾指出，“问题不是[北极]海冰流失是否正在影响大规模大气环流……，而是，它怎么可能不影响呢？”弗朗西斯指出，北极的变暖速度是北半球其他地区的两到三倍——这种现象被称为北极放大效应——而且这种现象可能会严重扰乱北半球急流的流动。
这种说法完全有道理。秋季和冬季北极放大效应的主要原因之一是海冰流失。由于融化和不利的风，北冰洋近年来的冰层损失惊人。与1979年至2000年的平均值相比，2012年9月，49%的冰盖消失了——面积相当于美国本土面积的43%。当海冰融化时，它会露出深色水域，与白色冰层相比，深色水域会吸收更多的太阳能。然后，海洋和大气升温，推动额外的变暖和更多的海冰融化，形成恶性循环。
裸露的水域在秋季和冬季释放储存的热量，导致北极大气基本状态发生大规模、持续数月的扰动。夏季异常的北极放大效应也在发生，因为北极积雪减少。全球变暖导致春季每年提前约三天到来，融化积雪并更快地露出深色土壤。土壤吸收热量并变干，从而提前启动了大陆升温季节。
海冰流失和春季积雪减少以及其他因素造成的北极放大效应，大大降低了北半球中纬度地区和北极之间的温差。这种减少会对急流产生重大影响；如果温差减小，则两个大型大气环流单元之间传递的能量减少，急流风速减慢。弗朗西斯和威斯康星大学麦迪逊分校的斯蒂芬·瓦夫鲁斯记录了自1979年以来北美和北大西洋上空秋季高空风速下降了约10%，这与温差的减小相一致。
较慢的气流使急流形成大的、蜿蜒的环流，弗朗西斯记录了自2000年以来，夏季和冬季极地急流中槽和脊的幅度显著增加。更大的扭结往往使暖空气比平时更远地向极地流动，而冷空气则在另一侧向南推进。这种模式发生在今年1月美国东部的冷空气爆发期间——备受吹捧的极地涡旋入侵——以及加利福尼亚州同时出现的创纪录的温暖和干旱。数学理论表明，流速较慢的急流也导致罗斯贝波向东推进得更慢，从而使大幅度环流中的异常天气在任何特定位置持续更长时间。这些脊和槽也可能更容易完全停滞不前并形成阻止波浪运动的“阻塞”，就像河流中的回流形成没有流动的死角一样。
关于北极作用的争议
将北极放大效应与急流异常联系起来的研究在气候科学界引起了一场轩然大波。美国国家研究委员会于2013年9月在马里兰大学召集了关于该主题的研讨会，吸引了50多位气候科学家参与热烈的辩论。尽管许多此类专家都同意急流似乎正在发生变化，但他们中的许多人质疑北极放大效应变得强烈的时间相对较短——大约15年——是否足以将这两种现象联系起来。
一些专家还根据能量论点质疑该假设。由于急流的大流量包含大量能量，因此需要大量能量才能改变它。国家大气研究中心的凯文·E·特伦伯斯观察到，通过北极放大效应添加到北极的热能数量比自然厄尔尼诺/南方涛动驱动的急流变化中的能量数量少一个数量级，后者已被研究过。他是8月份在线发表在《自然气候变化》杂志上的一篇论文的合著者，该论文表明，由于一种称为太平洋年代际涛动的遥相关模式，近年来热带太平洋海洋中自然发生的大量能量变化可能导致了我们观察到的异常波浪状急流。然而，该论文还得出结论，过去10年涛动变化的性质可能意味着自然变率本身正在受到气候变化的影响。
特伦伯斯是五位主要气候科学家之一，他们在今年2月份的《科学》杂志上发表了对弗朗西斯研究的评论。他们写道，将北极变暖与过度急流波动性联系起来的研究“值得公平听取”。但他们得出结论，他们“不认为支持它的理论论证具有说服力。”
一些科学家甚至质疑急流波的幅度是否正在增加。斯克林和西蒙兹在2013年的一篇论文中，使用与弗朗西斯不同的定义来测量急流弯曲，发现幅度几乎没有统计学意义上的变化——尽管他们确实注意到幅度较高的波浪的总体趋势较弱。然而，批评者几乎没有提供其他解释来解释急流的极端情况。波茨坦的迪姆·库穆及其同事在8月份发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章中指出，仅中纬度地区和极地之间温度差异的缩小就足以放大急流并使其停滞不前，至少在夏季是这样。
等待为时已晚
尽管科学家们可能尚未就解释达成一致，但天气数据令人大开眼界。美国历史上一些最具代表性和最具破坏性的天气事件——1974年的“超级龙卷风”爆发、1936年的沙尘暴酷热和干旱以及1927年的密西西比河大洪水——在仅仅2011年和2012年就都被追平或超越。我们最近的急流行为很可能标志着我们已经跨越了进入一个更具威胁性、更高能量气候的门槛。
随着地球持续变暖，更高的温度将加剧热浪和干旱，高压脊沿着急流波动。随着海洋蒸发量的增加，更多的水分进入大气，当急流向赤道弯曲成低压槽时，将发生更强烈的风暴和更强的暴雨。如果急流继续表现出移动较慢、幅度较大的波浪，这些恶劣的天气条件将变得更加强烈，并在原地停留更长时间，从而成倍增加其造成死亡和破坏的可能性。如果弗朗西斯及其同事提出的理论是正确的，除非我们找到增加北极海冰的方法，否则就无法回到我们过去的气候。鉴于大气中捕获热量的二氧化碳含量继续以每年约0.5%的速度增加，没有研究北极海冰的科学家预计会出现长期恢复。
干旱是最大的威胁，因为它影响到我们生存最需要的两样东西：水和食物。如果一个具有异常高压脊的大幅度急流模式在一个夏季完全停滞在俄罗斯和美国的粮食产区上空，那么这些农作物赖以生存的降水就不会到来。由此造成的干旱可能会导致食品价格大幅上涨、大范围饥荒和暴力动乱。在2010年俄罗斯大干旱和热浪期间，一个巨大而坚不可摧的高压脊盘踞在该国上空。这使得通常给俄罗斯农作物带来降雨的低压系统转移到巴基斯坦，造成了那里灾难性的洪水。干旱和热浪是俄罗斯历史上最致命、损失最惨重的自然灾害。它迫使该国削减小麦出口，这推高了全球粮食价格，并助长了导致2011年多个政府倒台的“阿拉伯之春”动乱。
显然，世界不能安全地等待到科学家完全了解气候如何以及为何变化才采取行动。根据政府间气候变化专门委员会的说法，我们必须迅速、有力地在全球范围内采取行动，将升温幅度控制在危险的2摄氏度阈值以下。到2050年，太阳能、风能和核能等排放低或零二氧化碳的能源以及可以捕获和储存碳的技术必须至少增加两倍，温室气体排放量必须比2010年水平下降40%至70%。该委员会表示，这种转变的成本可能出人意料地低廉，仅会使全球经济增长每年下降0.06%。但如果我们等到2030年，必要的行动将更加昂贵，并且可能变得无法避免达到阈值。
这也是几位主要气候科学家预测的夏季北极海冰基本消失的年份。如果北极的变化确实是古怪急流行为的罪魁祸首，那么从现在到2030年之间失去剩余50%的北极海冰覆盖率将带来更大的滑稽动作。如果北极没有参与其中，那也令人担忧，因为这意味着急流的变化是由一种未知的机制触发的，使我们不知道随着气候变化的进展，急流将如何响应。因此，我对未来15年的预测是：期待前所未有的情况。