冬天本应寒冷——而且确实，在没有全球变暖的情况下，这个季节会比近年来美国通常经历的冬天更冷。然而，当冰冻的低温和刺骨的寒风持续数日时，人们很难不去想为什么情况必须如此寒冷。但是，如果你能让你的大脑保持足够的清醒来保持好奇心，答案会让你对支配我们地球的天气系统有有趣的了解。
威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家安德烈娅·洛佩兹·朗说：“思考美国中部地区甚至墨西哥湾沿岸各州如何获得冷空气，不仅仅是思考当地正在发生的事情。你必须真正放大视野，从大局着眼。”
这种大局观以北极地区为中心，并由两种大气现象驱动。第一种是极地急流，这是一股巨大的气流，在全球北纬 50 度至 60 度之间的低海拔对流层中环绕地球，对流层也是大多数天气展开的大气层。极地急流以北是较冷的空气；以南是较暖的空气。
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当极地急流或多或少均匀地绕北极地区流动时，美国大陆和其他中纬度地区保持相对温暖，因为它将冷空气困在北部。但是，当急流蜿蜒曲折，在环绕地球时向北和向南漂移时，令人牙齿打颤的冷空气会偷偷向南移动更远，导致当地气温急剧下降，这就是有时被称为“北极寒流”的现象。
极地急流全年存在，并且可以单独引起冬季寒潮。但在冬季，第二种大气现象——被称为极地涡旋——也加入了进来。这种位于地球表面上方 10 英里以上的寒冷空气漩涡，每年在北半球最冷的月份都会增强。即使极地涡旋的活动并非涉及所有冷空气爆发，但这两种大气现象也可能以导致特别寒冷时期的方式相互作用。
在正常情况下，极地涡旋紧密地围绕北极旋转，使在极地涡旋下方和南部吹过的极地急流保持相当平稳。“如果极地涡旋不受干扰，一切正常，它会快速、安静地旋转——[而且]冷空气靠近旋转中心，”大气和环境研究公司的气候科学家犹大·科恩说。
但有时极地涡旋会变得混乱——减速、漂移甚至分裂成两部分——这种不稳定的气团会导致极地急流在其路径上形成特别大的曲折，从而使极其寒冷的天气比平时更向南侵袭。例如，2021 年 2 月就出现了这种情况，当时德克萨斯州的冰冻温度持续了八天以上，导致大范围停电，并造成 200 多人死亡。
无论极地涡旋是否促成了特定的冷空气爆发，或者该事件仅仅是极地急流的作用，这些寒冷时期有时会伴随冬季降水。“要形成一场真正的大雪暴，需要很多要素到位，”洛佩兹·朗说。当然，其中一个因素是寒冷，但另一个因素是可以冻结成雪的水蒸气。
有趣的是，南半球也有极地涡旋，但该系统不会经历北半球涡旋的扰动。“这些事件永远不会发生在南极洲上空，”斯坦福大学的大气科学家阿迪蒂·舍沙德里说。
南半球不存在这些极地涡旋扰动，而南半球也有自己的极地涡旋和极地急流，这可能指向对北半球现象成因的解释。南极位于南极洲大陆，周围环绕着南大洋。相比之下，在北部，北冰洋海冰被陆地和海洋交替环绕：北美洲、大西洋、欧亚大陆、太平洋。地球大气在陆地和海洋上的行为方式不同，从而在北半球产生大规模的大气波，当环境条件一致时，这些大气波有能力扰乱极地涡旋，从而引发更极端的冷空气爆发。
正如气候变化影响地球上的其他一切一样，它也在以一些明显的方式以及一些科学家仍在努力理解的方式，促成冷空气爆发。研究人员表示，可以肯定的是，冬季正在变得更加温和，极端寒冷现象的发生频率正在降低，不如 20 世纪中叶那样常见。
模型尚不清楚气候变化是否正在使极地涡旋扰动更加频繁。科恩指出，自 2000 年以来，当北极地区的变暖速度加快时，极端寒冷天气变得更加频繁——他认为这与融化的冰层正在塑造大气的方式有关。“在这个北极地区变化的时期，极端冬季天气和严重冬季天气出人意料地具有韧性，”他说。