Polar Vortex | 極地渦旋
極地渦旋
極地渦旋（Polar Vortex；或極地漩渦），是一種發生於極地的，介於對流層與平流層的中、上部的，持續性且大規模的氣旋。這種渦旋在冬季極夜的時候最為強大，因為此時的溫度梯度最大；隨後會持續縮減，到夏季極晝前後甚至會消失。
- 兩極對流層中層至平流層的低氣壓系統
| 典型的極地漩渦（2013年11月） | 弱勢的極地漩渦（2014年1月5日） |
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極地渦旋（Polar Vortex）是長期存在於兩極對流層中層至平流層的低氣壓系統，一般分為數個中心，分佈於不同經度，每個系統直徑不超過1000公里。極地渦旋在冬季增強，在夏季減弱，當極地渦旋增強並向南擴展時，冷空氣便會迅速南下影響中緯度地區。
- 在極地渦旋南面是西風帶地區，兩者交界處常常出現高空急流（jet stream），風力特別強勁，風速往往達每小時200公里以上。
- 極地渦旋出現於北極地帶，它是一股股強風，位於大氣層高處，將極冷的空氣鎖在北極地區。
- 極地渦旋是空氣極冷的低壓帶，在北極地區上空旋轉。
- 高速氣流的擾動和較暖的空氣入侵，可能會打亂極地渦旋，將北極地區的空氣向南送至中緯度地區。
- 極地渦旋：距地表 16-48 公里
- 極地急流：距地表 8-15 公里
原理
From http://www.metapp.org.tw/index.php/bossweathernews/293-test,
北極在冷季時，地表的長短波輻射損失的能量遠大於永夜所能吸收的太陽短波輻射，
- 地表降溫，再由於混合、擴散使得其上的冷氣團向上發展，但由於空氣較冷、較重會使氣柱收縮，而在中高層大氣呈現凹陷，
- 它的特點是旋轉的冷空氣團可以從對流層中部延伸到平流層，通常在地表以上 10 至 50 公里（6 至 30 英里）的高度之間, (It is characterized by a rotating mass of cold air that can extend from the middle troposphere into the stratosphere, typically between altitudes of 10 to 50 kilometers (6 to 30 miles) above the surface)
- 地面冷重的高氣壓即所謂「北極氣團」，而其中高層凹陷的相對低氣壓，
近年來被冠以「北極渦旋」。所以它是地表熱力不平衡而被動產生。它是果不是因。
如果北極變冷，中緯度氣溫不變，兩者之間的溫度對比差異變大，西風的強度增強，即所謂的「噴射氣流」將圍繞北極渦旋(極區)旋轉，所謂「正相北極震盪」成型。此時冷氣團仍盤據在極區，中緯度未受其影響而偏暖。或有以冷氣團因「噴流鎖住」而無法南下，而造成中緯度偏暖來做詮釋，其謬誤處在於噴流是本是溫度對比而產生，且能量僅佔可用位能的一小部份，細繩如何綁住大象。
輻射不平衡造成地表能量喪失的效應並不僅只在北極，高緯度大的陸塊如亞洲的西伯利亞、蒙古，北美大陸、北歐皆有同樣的效應，在低層大氣形成「極地大陸冷氣團」，在地面因冷重的大氣而呈現高氣壓，氣柱收縮中高層亦有「極地渦旋」伴隨。當北極氣團與極地大陸冷氣團同時存在或僅有極地大陸冷氣團，且有一定強度時，中高層也會同時有「渦旋」伴隨，西風噴流圍繞而行，呈現噴流減弱，南北風增加的現象，轉變成「負相北極震盪」。
當強冷氣團南移過程，通過的地區帶來寒流，但比較暖濕環境也使它減弱，最終冷氣團或渦旋都會減弱消失。但是高緯度的能量消失仍會持續進行，但是其後將轉變為正相還是維持負相則是不一定的，還是要看北極或極地冷氣團的發展情況而定，因果關係是很清楚的。本來原已存在的「氣團學說」再配合「大氣動力」的理論，對於冬季的天氣變化已有完整的詮釋，新創的名詞並無高明之處，徒增困擾而已。
Metoffice | What is the Polar Vortex?
- The polar vortex is a circulation of winds high up in the stratosphere, up to 30 miles (50 km) above the earth. It is present in winter, and is not a new phenomenon, scientists have known about it for many years.
- The winds regularly exceed 155 miles per hour (250 km per hour) – the strength of the winds in the strongest hurricanes (known as Category 5).
- A strong polar vortex favours a strong jet stream. The jet stream is a fast moving ribbon of air around 5 to 7 miles (8 to 11km) above the earth that drives weather systems from the Atlantic towards the UK.
北極濤動 Arctic Oscillation (AO)
北極濤動（AO） (又稱北極震盪) 是指北半球中緯度地區（約北緯45度）與北極地區氣壓形勢差別的變化。它是一個代表北極地區大氣環流的重要氣候指數，可分為正位相和負位相。
北極通常受低氣壓系統支配，而高氣壓系統則位於中緯度地區。
- 當AO處於正位相時，這些系統的氣壓差較正常強，限制了極區冷空氣向南擴展；
- 當AO處於負位相時，這些系統的氣壓差較正常弱，冷空氣較易向南侵襲。
有關北極濤動的最新情況可參考： - https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml
分析和文獻綜述
香港天文台 | 2014年3月 北半球極地渦旋的扭曲
- 在正常情況下，由於北半球冬天極地和中高緯度地區地面出現較大的溫差，地面氣溫緊密梯度促使高空急流的產生。急流由西向東環繞地球高速流動，而在北極附近受高空急流所包圍的渦旋通常被稱為極地渦旋。若急流的速度較高，急流會隨較平直的路徑流動(圖一)，地面上的冷空氣會集中在極地或較高緯度地區，較少機會南下。
- 但近年主要因為北極海冰融化，以致極地吸收更多太陽輻射，北極地區氣溫上升的速度較中高緯度的為高，這使地面氣溫梯度減弱，高空急流的流速亦較為減慢，其流動方向便變得彎彎曲曲(圖二)，隨之讓極地渦旋變得較為扭曲。這情況就如一道洶湧的河川流到平原地區時，河水流速減慢，河道便變得彎曲。高空急流迂迴的南北流動，使部分地區持續受冷空氣南下所影響，而另一些地區則受暖空氣北上而出現變暖現象，整體來說促使了地域上溫度的分佈趨向互異和極端。
| 正常情況 | 極地渦旋變得較為扭曲 |
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澳門氣象學會 | 2022-12-11 什麼是「極地渦旋」?
冬季到來的時候，北極沒有太陽照射，變得越來越寒冷，冷空氣漸漸堆積並“逆時針”旋轉起來，稱為「極地渦旋」。
- 冬季因冷空氣較多，「極地渦旋」範圍比夏天大很多。它在極區對流層及平流層的中、上層形成一股很強的圍繞整個極區的環流，由於環流是自西向東旋轉，而且風速可達每小時 160 公里，一般稱之為西風噴流，能鎖住極地冷空氣，不讓冷空氣輕易跑到中、低緯度地區，這情況氣象學上稱為“正”北極濤動(上左圖)。
- 相反，“負”北極濤動則表示，極地渦旋偏弱，圍繞極區的西風噴流減慢，變得曲曲折折，無法鎖住冷空氣，大家可想像成冰箱門沒關好，極區冷空氣順勢而下，跑到中、低緯度地區(上右圖)。
立即來個簡單實戰，這是 2022 年 12 月 15 日早上 8 時的ECMWF預報圖，等值線是500hPa重力位高度，因高空沒有地面的摩擦力，風幾乎平行等值線，因此大家見到曲曲折折的粗紅線，代表“負”北極濤動，西風噴流速度慢，北極大冰箱的門已經打門。至於冷空氣的流向，則可以看上圖的顏色(850 hPa 溫度)，藍、紫色代表非常寒冷的空氣，圖中所見，這次極地冷空氣主要流向了東亞及歐洲。
香港天文台 | 2014年1月29日 溫暖的北極．寒冷的大陸
- 氣候變暖使北極海冰和陸地雪蓋減少，降低了地球的反射率。本來海冰和雪蓋的反射率遠較海洋和陸地高，能有效地把太陽光反射回太空，但海冰和雪蓋減少會暴露更多的海洋和陸地表面，增加了地球吸收太陽熱量的能力，這些額外的熱力令海水及陸地進一步升溫而促使更多的海冰及雪蓋融化，形成惡性循環。
- 北極地區變暖的速度也因此較北半球其它地方快，極地與熱帶地區之間的溫差減少，導致北半球高空西風氣流減慢，容易出現蜿蜒起伏的波動。
- 波動西側的偏北氣流把極地冷空氣往南輸送，東側的偏南氣流則把熱帶區域的暖空氣推向更北的地方。
- 高空西風氣流減慢也會容易引發大氣阻塞形勢，出現移動緩慢的反氣旋，天氣系統在時間和空間上的演變會變得停滯不前。視乎相對於阻塞形勢的位置而定，某些地方可能長時間天晴，但另一些地方則可能被困在風暴的走道軌跡上，經歷一段陰雨的日子。假如阻塞形勢發生在冬季，受影響地區的異常寒冷或溫暖天氣可能持續數天至數週。近年印象猶新的例子是 2008 年年初影響中國大部分地區的寒潮，當時在阻塞形勢的驅動下西伯利亞的冷空氣長時間不斷向南擴散至香港。
香港天文台 | 2019年2月27日 全球變暖下的「極地渦旋」
- 極地渦旋是大氣高層的緊密旋轉氣流，它把冷空氣限制在北極地區。假如極地渦旋偏弱，西風急流會減慢，容易出現較多波動，這有利北極氣團南侵並為中緯度地區帶來嚴寒天氣。
- 近期一項研究發現在全球變暖的背景下，過去四十年極地渦旋的偏弱狀態越趨持續。科學家認為由於北極海冰的縮減，暴露出來的海洋釋放更多熱量到大氣中，因而影響了大氣環流。透過「氣候—反射率」的回饋機制，北極海冰的縮減亦助長北極的暖化：較少海冰 -> 較深色的海洋暴露出來 -> 吸收更多太陽熱力 -> 海冰進一步減少。
- 目前，北極的暖化速度是這連結會以新視窗打開。全球平均的兩倍。
- 這個暖化速度的差異使極區與赤道之間的溫差減少，繼而減弱了極地渦旋和西風急流，使西風急流較為波動，有利北極冷空氣南侵。
中国气象报社 | 2023年12月21日 全球变暖了，为何秋冬冷空气还那么强？
不是說全球暖化了嗎？為什麼秋冬的冷空氣還那麼強？
這與極地渦旋（以下簡稱「極渦」）有關。赤道與極地之間存在著巨大溫差，這種差異促使極圈外圍形成了一圈強勁的西風，稱為西風急流。西風急流就像「圍欄」一樣，約束極地的冷空氣，穩定的極渦能夠被強大的西風急流限制在北極地區。在全球暖化背景下，北極地區增溫速度是全球的2—3倍。北極地區增溫，其與中低緯度間的氣溫差減弱，難以維持強大的西風急流，極渦內的冷空氣變得“躁動不安”，更容易分裂南下。北極來的冷空氣，其溫度遠低於人們所處的中低緯度地區，因此導致多次寒潮天氣。
此外，根據歷史資料統計分析，厄爾尼諾背景下我國冬季氣溫整體偏暖，但階段性冷空氣活動較為頻繁，也就是說冷暖起伏比較明顯。
但是，冷空氣過程強度不僅受厄爾尼諾影響，也與極渦的分裂和中高緯西風帶的擾動有很大關係。今年12月中旬以來，極渦分裂為雙中心，分別位於格陵蘭島和西伯利亞上空。伴隨著歐亞大陸上空西風帶的劇烈扭曲，西伯利亞高壓異常增強，我國大部地區由前期盛行偏南風轉為偏北風，冷空氣南下，導致氣溫驟降。
另一方面，厄爾尼諾激發的菲律賓異常反氣旋將熱帶水汽向我國陸地輸送，來自中高緯的寒潮過程配合來自低緯的豐沛水汽條件，引起了我國中東部較大範圍的降雪過程。此外，地面積雪造成的晴空反照率增加也使得後期回溫較慢。
2020年－2021年歐亞大陸寒潮
中國氣象局解釋是因北極高空急流減弱，挾帶大量極地冷氣團的極地渦旋（Polar vortex）南下導致的。在全球變暖的背景下，極地漩渦等天氣系統不穩定，加劇了極端天氣的可能性，極地漩渦本來會將冷空氣鎖定於高緯度地區，由於北極氣溫上升，和高緯度及低緯度的溫差減少，讓極地漩渦的範圍出現改變，冷空氣也隨之南下，觸發嚴重寒潮。
大家都知道北極冷，它不僅是地球的冷極之一，也是大氣的冷源，那裡聚集了大量冷氣團，導致極地低空形成冷性高壓，高空則形成冷性低壓，這個極地高空的冷性大型渦旋系統，就是極地渦旋，它也是影響我國的冷空氣來源之一。
在冬季，當極地渦旋四周的高空急流實力強，極地渦旋就老實窩在北極地區上空逆時針轉圈圈，極地以外地區的寒潮、冷空氣就相對不會那麼活躍，那麼這一年就可能是暖冬了；當高空急流減弱，裹挾了大量極地冷氣團的極地渦旋就有了南下的機會，影響北半球的冷空氣就更為活躍。
之前的跨年寒潮和這次凍哭我們的寒潮，之所以這麼冷，一方面是因為兩次寒潮間隔時間不遠，前一波剛凍透了土地，還沒來得及回暖，後一波緊跟而至，基礎氣溫本就低，再降溫，就雪上加霜，冷上加冷了。
另一方面是因為它們實力強勁，這兩股寒潮都是極地渦旋的部分主體南下，路過西伯利亞地區這個冷空氣「加油站」積蓄了更多能量，讓冷氣團的氣溫更低，降溫能力更強。