地球上有史以來可核實的最高溫度：2021年7月9日加利福尼亞州死亡谷的54.4攝氏度（130華氏度）；這是在亞洲和美國各地錄得創紀錄的最低溫度后僅幾個月後出現的。在悶熱的天氣里，地球迅速變暖的結果很明顯。在暴風雪中，可能更難理解全球變暖如何導致如此冰冷。一個國際研究小組研究了過去冬天的三個極端事件，以闡明溫度和天氣的這種波動的機制。
他們今天（2021年8月9日）在《大氣科學進展》上發表了他們的研究結果。
第一作者、阿拉斯加大學費爾班克斯分校氣候和大氣科學教授Zhang Xiangdong說：”要解決的首要問題是，為什麼近幾十年來極端天氣事件在氣候變暖的情況下更頻繁地發生，以及北極變暖的放大作用是否起到了主導的驅動作用。2020-21年冬季的極端事件提供了一個獨特的機會來研究什麼物理過程或機制驅動這些事件。”
研究人員核查了2020年12月下旬至2021年1月中旬在中國爆發的兩次創紀錄的冷空氣，在此期間，北京和天津都經歷了54年來的最低溫度（分別為-19.7℃（-3.46℉）和-19.9℃（-3.82℉））。他們還考慮了2021年2月襲擊北美中西部和南部深處的歷史性寒冷，導致德克薩斯州出現近一個世紀以來的最冷記錄（奧斯汀和休斯頓分別為-13.3°C（8°F）和-8.3°C（17°F））。
將2020-21年的冬天與過去的42個冬天進行比較，研究人員利用現有的觀測數據和模擬模型來解析海洋和大氣事件如何可能成為極端天氣的基礎。”即使全球變暖和北極海冰的喪失每年都會發生，我們調查的這種極端天氣事件是間歇性的–它們不是每年都發生，”共同作者、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）太平洋海洋環境實驗室的研究海洋學家詹姆斯-奧弗蘭說，”這是因為它們是由新的全球變暖和噴流和極地漩渦中極端的、但自然發生的前兆天氣條件共同造成。”
極地漩渦–以地球兩極為中心的大氣層中的低壓冷空氣–在地球噴流的幫助下，導致冬季北半球的溫度下降，噴流由自西向東流動的氣流組成。Zhang說，大氣層上層的溫度突然升高，稱為平流層突然變暖，可以極大地改變極地漩渦和噴流的行為和互動方式。當變化的海洋溫度和北冰洋海冰使之複雜化時，由此產生的天氣會變得更加極端。
“三個大洋盆地同時出現的異常海洋熱狀況和大氣動力學的相互作用，推動了大氣環流或天氣模式的半球規模的系統性變化，達到了極其反常的狀態。”
儘管這三個事件都與平流層突然變暖事件有關，但每個事件的下游影響都不同。在第一次東亞事件中，極地冷空氣調節了中緯度噴流，將冷空氣引向南方；在第二次事件中，極地渦旋分裂，加深了一個低壓區域，並與北極冷空氣一起循環；在北美事件中，極地渦旋也被分裂，但在這種情況下，推動低層大氣在南方上空更深的地方定居，對強烈的冷空氣施加壓力。
“當歸因於一個極端事件的因素時，我們應該有一個廣泛的觀點來抓住大局，”共同作者、芬蘭氣象研究所的研究教授Timo Vihma說。”它可能由幾個因素的複雜的相互作用組成，這些因素在半球範圍內相互作用很遠”。
共同作者、德國亥姆霍茲極地和海洋研究中心阿爾弗雷德-魏格納研究所的高級科學家Annette Rinke進一步解釋說，冬季極端天氣事件通常由”遙遠”的因素驅動。
“林克說：”這項研究表明，除了大規模的大氣環流之外，海洋溫度的異常也會在極端天氣事件中發揮關鍵作用。
研究人員計劃繼續研究大氣事件如何預示和影響極端天氣。
“在冷空氣活動中，雲和降水以及它們相關的潛熱會發生變化，但目前缺乏這方面的觀測，”共同作者、中國科技大學地球與空間科學學院教授Fu Yunfei說。”衛星遙感可以對此有所幫助，包括驗證模型模擬，這可以幫助預測前兆事件如何影響諸如東亞的季風季節”。
“通過研究這些破紀錄的寒流，我們可以看到極端天氣事件的’全貌’。”共同作者、中國科學院大氣物理研究所的科學家韓哲說。”雖然這些事件可能是不同的，但它們可能有類似的基本機制，這與全球變暖有關。伴隨着變暖，北極的放大和海洋熱異常的加強可能與大氣環流，如極地渦旋和平流層的突然變暖相互作用，導致極端寒冷或炎熱事件的發生。”