炸彈氣旋！北美冬季天氣“客常”？超強破壞力從何而來？
作為冬季極端天氣的代表，炸彈氣旋常常給美國、加拿大等地帶來狂風暴雪等多重影響。早在11月中下旬，美國和加拿大西海岸多地就曾遭遇炸彈氣旋襲擊，造成電線杆倒塌、大規模停電、水陸交通受阻。
炸彈氣旋如此強大的破壞力從何而來？其發生的成因、機理有哪些？科學界針對炸彈氣旋的相關研究進展如何？本期科普看台一探究竟。
風暴來襲 何為炸彈氣旋？
當地時間11月19日，一個形成於東北太平洋的強大温帶氣旋，襲擊了美國西部和加拿大西部，該氣旋在短時間內經歷了爆發式增強，屬於典型的爆發性氣旋，也就是人們常説的“炸彈氣旋”。
11月20日2時，北美炸彈氣旋達到最強時刻。實線為平均海平面氣壓，紅點為炸彈氣旋中心位置，填色為地表風速（米/秒）。繪圖：肖雪
再分析數據顯示，本次的炸彈氣旋在11月18日生成於東北太平洋，隨後快速加強東移，在其中心移動至距北美西海岸1500公里附近後，路徑轉為東北，並於11月20日2時達到最小的中心氣壓946百帕，此後維持準靜止狀態，其中心位於美國西海岸1000公里以內，本次氣旋於11月23日消散，整個生命週期主要活躍於洋麪上。
此次炸彈氣旋帶來強風暴雨，重創了美國俄勒岡州和加利福尼亞州以及加拿大不列顛哥倫比亞省沿海地區，温哥華島上超過10萬用户斷電，部分地區的渡輪服務被迫暫停，對當地居民的生產生活造成了巨大影響。
近年來，東北太平洋海温呈現顯著升高趨勢，升高的海温會增強海表向大氣的感熱通量，從而有助於增強近地表正位温擾動；同時還會造成更多的洋麪水汽蒸發，從而使得氣旋所伴隨的降水凝結潛熱釋放增強，上述兩個因子都有助於炸彈氣旋強度的增強，而炸彈氣旋的強度越強，所造成的災害也越重。
炸彈氣旋是一種快速增強的低氣壓系統，作為冬季極端天氣的代表，其形成過程與颶風截然不同，這主要表現在兩類渦旋系統對斜壓性的依賴方面，炸彈氣旋是典型的斜壓系統，而颶風的斜壓性則弱得多（變性為温帶氣旋之前）。在北美地區，炸彈氣旋通常是由冷空氣與大西洋上的暖濕空氣相遇而形成的。其實，從數據上形容炸彈氣旋或許更為直截了當，即當風暴的中心氣壓在24小時內相對於北緯60度緯線急劇下降超過24百帕時，就被稱為炸彈氣旋。
這是一個非常快的發展速度，由於氣旋的發展十分迅速，因此帶來的影響（大風、暴雪等）像“炸彈”一樣具有破壞性，因此，此類氣旋便被冠以“炸彈氣旋”的名號，事實上此類氣旋並不會爆炸，只是發展十分迅速，破壞力相當強。
炸彈氣旋因其突發性和破壞性，成為氣象學的重要研究對象，對於這種極端天氣現象的預測和應對，是保障人們生命財產安全的關鍵，當下，隨着氣候變化的加劇，對這類天氣事件的監測和防範也變得更加重要。
冷暖交匯 破壞力有多大？
提起炸彈氣旋，不禁讓人聯想到好萊塢大片中的巨大爆炸場面。雖然這種氣象現象與實際爆炸無關，但它引發的自然“衝擊波”真實且驚人，足以讓人類感受到大自然的無窮威力。
炸彈氣旋的“孕育”需要複雜的氣象條件。首先，冷暖空氣的劇烈交匯是其形成的關鍵。當極地冷空氣南下，與海洋上的暖濕空氣相遇時，二者之間劇烈的温差使氣流變得極不穩定，“點燃”了氣旋形成與發展的引信。與此同時，高空急流則為其發展提供了強有力的“助推器”，通過在高空抽離氣旋中心的空氣，形成強烈的上升運動，使地面氣壓迅速下降。此外，海洋暖流也為氣旋發展提供了穩定的熱量和水汽支持，特別是在冬季的太平洋沿岸地區，其是氣旋爆發式增強的“燃料”。這些因素的協同作用，使炸彈氣旋發展為一種極具威脅的天氣現象。
在衞星雲圖上，炸彈氣旋常以螺旋狀雲帶呈現，其空間尺度一般在數千公里，與颶風不相上下，甚至還要更大一些。一旦形成，其破壞力驚人。
炸彈氣旋的瞬時風速常可達到颶風級別，掀翻建築物、摧毀電力設施，並捲起巨浪衝擊沿海地區。與此同時，常伴隨暴雨或暴雪，強降雨引發洪水，厚重的積雪則可能觸發雪崩，對生命財產造成巨大威脅。更為嚴重的是，其對交通和能源系統的衝擊同樣不可小覷。在極端天氣條件下，航班取消、道路封閉和電力中斷屢見不鮮。例如，2018年1月，名為“格雷森”的炸彈氣旋襲擊美國東部，暴風雪席捲多個州，引發沿海洪水，經濟損失高達數十億美元，造成全美至少22人死亡。而2010年，歐洲的風暴“西拉”肆虐北海沿岸，導致數十人死亡，是該地區近年來最嚴重的炸彈氣旋之一。
炸彈氣旋的高發區域包括北美東部沿海、北大西洋、歐洲西北部及北太平洋等中緯度地區。這些地區具備冷暖空氣頻繁交匯、高空急流活躍、海洋暖流充足等條件，為炸彈氣旋提供了理想的生成環境。
相比之下，由於我國地形複雜、山脈眾多，極地冷空氣在南下過程中受到阻擋，同時東部沿海海域水温較低，氣旋所需能量不足，因此，炸彈氣旋在我國沿海地區較為少見。
炸彈氣旋的頻繁出現不僅揭示了複雜的氣象動力學機制，也進一步凸顯了氣候變化對全球大氣環流變化的深遠影響。在全球變暖的背景下，海洋温度持續上升，冷暖氣流對比愈加劇烈，高空急流的異常活動可能使炸彈氣旋變得更加活躍。正因如此，加強氣象監測、完善預警機制、增強災害應對能力，已成為全社會共同面臨的重要課題。隨着氣候變化持續加劇，科學界也在警告，炸彈氣旋的頻次和強度或將進一步增加。如何在全球層面加強應對，開展跨國合作，進行氣象監測與數據共享，同時推動綠色能源轉型以緩解全球變暖，將成為各國需要共同面對的嚴峻挑戰。
背後機制 科學探索與謎題
自1980年氣象學家首次對炸彈氣旋做出定義後，氣象學界開始針對此種現象進行研究與分析。
為了揭示炸彈氣旋背後的奧秘，科學家主要使用動力學定量診斷和數值敏感性試驗兩大研究工具，目前的研究主要聚焦在它的形成機制、預測和預警以及其與氣候變化的潛在關聯上。
炸彈氣旋本質上是温帶氣旋，其發展的一個主要機理是斜壓不穩定。在斜壓環境下，由於大氣層中存在水平温度梯度，大氣擾動能從温差中得到能量並迅速增強，發展為強大的氣旋，這與正壓不穩定截然不同，後者是一種由風速剪切引發的動力學不穩定，不依賴於温度梯度。正是因為斜壓環境下較強的能量汲取，炸彈氣旋表現出特有的快速增強特徵，在温帶地區的冬季尤為常見。
炸彈氣旋背後隱藏着一套精妙的大氣物理機制。研究顯示，炸彈氣旋的形成需要多種因素的共同作用——對流層高層由於對流層頂摺疊所造成的強正位渦異常，類似於高空“漩渦”驅動下的風暴增強；中低層的凝結潛熱釋放也發揮關鍵作用，隨着空氣中的水汽凝結，釋放出的熱量會促進氣旋低層氣壓的下降，帶動氣流的強烈上升運動；而低層的暖温度平流和近地表的感熱加熱，則為氣旋快速發展“添柴加火”。值得注意的是，這些因子在不同的炸彈氣旋中的相對重要性可能有所不同，有的氣旋以高層因子為主，有的則由中層或低層因子驅動。
炸彈氣旋衞星雲圖 來源：中央氣象台
儘管研究人員對炸彈氣旋的發生機制已經有了較深入的瞭解，但要精準預測其發生和發展，仍有諸多難題待解。炸彈氣旋的快速發展過程具有高度非線性特徵，發展速度快，對預報時效要求高，預報模式的模擬結果與真實觀測常存在較大差異。且因為炸彈氣旋的生成通常受特定地理區域和氣候帶影響，跨區域的統一預測模型難以建立。再加上炸彈氣旋往往伴隨強降水、劇烈的温度波動以及狂風暴雪等不確定的極端天氣事件，如何提高對這些天氣事件的預測精度也是一個重要課題。
此外，全球變暖導致極端天氣事件發生更加頻繁和劇烈，但對炸彈氣旋的影響還不明確，需要進一步研究氣候變化背景下炸彈氣旋的頻率、強度和路徑變化趨勢，評估氣候變化可能帶來的風險和挑戰。
近日，北美受炸彈氣旋襲擊地區出現了大規模斷電、水陸交通受阻以及人員傷亡，足可見炸彈氣旋的巨大破壞力。研究人員除了專注於提升預測能力，還要探索如何減輕其帶來的社會經濟影響。相關領域的延伸研究還包括電力、交通、建築的抗災和應對措施，應急管理和救援方案等。
未來，炸彈氣旋的研究方向將更加多元化和綜合化。研究人員正在開發更精確的預測模型，將大氣、海洋和陸地系統的相互作用納入研究內容，結合機器學習和大數據技術，提高對炸彈氣旋的預測精度。
在應對炸彈氣旋這一複雜天氣系統的道路上，跨學科合作和國際合作將變得尤為重要，通過數據共享和技術協作，可以更高效地解開科學謎團，為全球範圍內的防災減災提供支撐。
北半球冬季氣旋分類
作為一種大氣環流系統，氣旋在地球的大氣舞台上扮演着關鍵角色。北半球的冬季會出現多種氣旋，主要有熱帶氣旋、温帶氣旋等。
熱帶氣旋主要包括颱風、熱帶低壓等，如颱風鳳仙0226（2002年12月）、強熱帶風暴帕布1901（2019年1月）等，雖然它們的發生頻次和強度比暖季大大下滑，但仍需提高警惕。
相比熱帶氣旋，在冬季，温帶氣旋的活動更為活躍。在東亞地區，青藏高原上生成的高原渦、四川盆地及其周邊地區生成的西南渦、長江中游附近生成的大別山渦、我國東北及其上游地區生成的東北冷渦，以及西風帶中一些温帶氣旋（未達到炸彈氣旋的強度）與切斷低壓等，都是冬季常見的氣旋系統。
北極渦旋作為一種存在於極地高空的冷性大型渦旋系統，是北半球冬季常見的温帶氣旋之一。在終日苦寒的北極，對流層的空氣冷卻、下沉，冷氣團的中心愈冷愈沉，最終盤踞下來，且自身隨着地轉偏向力而旋轉。雖然説北極渦旋主體一般會停留在靠近北極的陸地，不輕易南下，但有時候，北極對流層中部也可能出現反氣旋，一旦極地上空被較為持久的反氣旋或暖脊控制，極渦就可能發生分裂，並向南移動，移動方向主要有兩個，一個是影響北美，另一個便是“遊蕩”於亞歐。
北極渦旋南下帶來的冷空氣，通常會導致大風、降温，在暖濕氣流的“配合”下，還會帶來降雪。2018年1月，我國中東部地區曾遭遇冷空氣侵襲，東北局地出現零下40℃以下的極寒天氣；黃淮、江漢、江淮等地出現大雪甚至暴雪，這便是受到了北極渦旋南下的影響。
除了這些温帶氣旋，颱風轉温帶氣旋也是影響北半球天氣系統的一種氣旋。這種氣旋在氣象學領域有一個專業名詞——颱風變性，是指熱帶氣旋離開熱帶區域後，由於環境條件變化，其性質逐漸從熱帶氣旋轉變為温帶氣旋的過程。這種現象在台風生命史的後期較為常見，特別容易出現在西北太平洋和北大西洋海域。冬季，熱帶氣旋數量較少，所以，這種現象較少。但需要注意的是，這種温帶氣旋一旦形成，一般強度較強，且維持時間較長，致災嚴重。比如，給沿海和中高緯地區帶來強風和暴雨；在寒冷季節引發降雪或暴風雪天氣；對沿海地區，特別是日本海和東海區域，可能造成風暴潮和海岸侵蝕等。
影響重大的炸彈氣旋事件
炸彈氣旋廣泛發生於大洋上，統計研究表明，炸彈氣旋在北半球發生的年頻次約為51次，其高頻發生月份是秋冬季，太平洋上的發生頻次高於大西洋。
近40年來，炸彈氣旋並未在發生頻次上表現出顯著的變化趨勢，但是其伴隨的地面強風表現出顯著增強趨勢，尤其是近20年來，炸彈氣旋伴隨強風的增長趨勢是過去的數倍。
歷史上，北美地區有很多炸彈氣旋致災的例子，以下是幾個有重大影響的炸彈氣旋事件——
1978年1月下旬的“大暴風雪”，被列為20世紀美國和加拿大最具影響力的冬季風暴之一。“大暴風雪”主要影響了美國中西部和大湖區，並延伸到部分東北地區。寒冷的極地氣流導致氣温驟降，人的體感温度達到零下50℃以下，風暴導致70多人死亡、交通癱瘓、人員受困，公眾生活受到極大影響。由此引發公眾對極端天氣的廣泛關注，促使氣象機構進一步完善暴風雪預警系統。
1993年3月中旬的美國超級風暴是一例極端的炸彈氣旋，被認為是20世紀最強的冬季風暴之一。它從墨西哥灣生成，並快速增強為一場覆蓋北美東部的超級風暴，在美國東部和中部地區降雪量創下歷史紀錄，部分地區的積雪深度超過60釐米；本次炸彈氣旋直接導致318人死亡，是美國曆史上死亡人數最多的冬季風暴之一。
2019年3月13日，美國科羅拉多州南部形成了一個非常強大的低壓系統，創下了有史以來的最低氣壓紀錄。該系統達到炸彈氣旋的標準，在科羅拉多州東北部、帕爾默分水嶺和埃爾帕索縣造成了大面積暴風雪。
2021年10月下旬，美國西海岸地區經歷了一次極端的炸彈氣旋，是太平洋近海觀測到的最強氣旋之一，這一氣壓水平接近五級颶風強度。加利福尼亞州的舊金山、薩克拉門託等地出現破紀錄的降雨；炸彈氣旋在太平洋海域引發巨大浪潮，至少兩人因此喪生。
作者： 宛霞 王婉 閆辰宇 張宏偉 路彥