曾建翰》從極渦到怎麼放氣球到美國
【愛傳媒曾建翰專欄】最近北半球的冬天很熱鬧，就北美來說，天氣冷到不行，最常聽到的台詞是極地渦旋（polar vortex）造成的。極地渦旋，也可簡稱極渦，每天都在地球極區上空，冬半球明顯，夏半球微弱。觀察他的高度在對流層頂到平流層這段區間，對流層頂約10km，這是平均數字，高緯度區要低些，低緯度熱帶地區要高些。
我想大家要問的是這個這麼高的極渦，怎麼對我們地面天氣有影響？在談地面天氣，特別是氣溫前，我們先來看什麼是極渦。用了vortex這個字，就知道他和流體的旋轉程度有關，查一下英文字典就會知道，他是旋轉很快的流體，將流體帶到中心裡頭去。
流體力學上vortex的定義更嚴格，我們按下不表，先說量度流體的旋轉程度的東西，還有渦度（vorticity）和環流（circulation）兩兄弟。渦度的定義最簡單，其中在垂直方向（想成從地表指向天空好了）的分量，就是南北風速的在南北方向的變化與東西風速在東西方向變化的差值。這說的好像繞口令，但是大家可以畫畫圖立刻就知道我在說什麼。這個水平風速變化的程度代表你從上方看，這東西轉的慢或快。
這很有意思，氣象學家拿這個變量來推估上升氣流的強度與位置。因為上升氣流通常伴隨壞天氣發生，這我們在中學時就學過了。接下來，科學家還不滿足，創造了位渦（potential vorticity）這種東西，將潛在有可能釋放渦度的物理量都包含進去，就像物理中的位能（potential energy），在時機恰當時，是可以轉成動能的。所以有的中文叫位能是潛能，我們說某人很有potential，是誇讚他未來能做出一番大事業。
氣象中的位渦就是加入地球自轉造成的行星渦度，以及大氣因密度分層所造成空氣質點較容易上攢下跳能力的潛力渦度所組合的式子。這種位渦的物理量，放在一種座標面，等熵座標（isentropic layer）上，極渦一下就現形了。
我們看一下圖1，藍色的區域就是極渦盤據的地方。這張從北極上空看地球的圖，很容易發現藍色的極渦，像八爪魚一樣不停伸出他的腳，同時逆時針旋轉。當然這個顏色是我刻意塗的，又用了冷色系的藍色，但是，為什麼氣象從業人員這樣圖色呢？仔細看圖中的黃綠色區域，有一圈線條密集區，這是對流層頂的大約位置。
而紅色暖色區的地方，大概在對流層內。為什麼知道？這是因為等熵面不是水平與地表平行的面，他在低緯度熱帶地區高度低，高緯度寒冷區高度較高，他是一個溜滑梯，北極區較高，熱帶區較低的滑梯。
但是為什麼好端端不看與地表平行的等高或是等壓面，而要看這個等熵面。理由是從絕熱（與外界沒有交換熱量）的角度看，大氣質點沒法離開這個面，也就是這圖中大氣質點只能水平走動，走不出這個面。而這個二維的圖，有著三度空間的含意，從北方往南方走的大氣，通常伴隨下沉，反之，由南往北走的，伴隨上升。
人類其實是飯桶生物，最喜歡看二維圖，三維圖用來唬人，四維以上根本畫不出。所以，所以，這個二維等熵面圖，凸顯了極渦的位置與變化，氣象從業人員，特別是歐洲學派，特別喜歡看等熵面的圖。
圖1:極渦
再來，我們解釋一下這個黃色區域是怎麼回事。這是因為平流層的位渦比對流層的位渦大，簡單說，就是不同掛的兩類東西。當等熵面穿越對流層頂時，我們會找到線密集變化的地區，數學上叫梯度大的低區，我們框出來，極渦，在平流層的極渦就被標出來了。這樣看圖有什麼好處？氣象學家不是有一堆天氣圖可看，為什麼還要看這個圖。原因是可以再將二維的圖變成一維的思考。這個黃色邊界，就像我們在海邊觀浪一樣，海浪的波形變化看的最清楚的是與空氣交接的表面。在這裡，氣象學家可以很快捉出大尺度大氣波動變化，用來分析預測天氣。
這時另一個有趣的問題來了，那要取那個等熵面來看？同時，取的等熵面不同，極渦的範圍是否不一樣？問題的答案是，氣象學家會取等熵面穿過對流層頂是在中緯度（30-60度）的位置，而較高的等熵面會有較大範圍的極渦，會延伸到低緯度區。
大家可以做一個簡圖自己來看，等熵面是北高南低的滑梯，對流層頂是水平線，大家馬上可知，較高的等熵面下對應的緯度在哪。這裡也要提醒大家，等熵面與等高面變化一致，隨高度增加而增加。問題再回到中緯度，氣象學家挑這個緯度是因為地球大氣在熱帶地區接受到比較多的太陽輻射能量，極區基本上是不斷的透支能量。加上地球自轉效應，地球大氣呈現較明顯的西風緯流，大氣風向由西往東吹，但是，不是一圈一圈繞著緯度吹，而是會扭動變化，這就是大氣的波動。正是這種波動，有效的將熱帶地區的能量帶往高緯度，而高緯度的冷空氣也可以到熱帶，完成能量交換。
大家可以再看圖1的動畫，紅黃色的空氣有時會被帶往高緯度區，而藍色的空氣有時會被帶往低緯完成能量交換。
好了，說了這麼多，開始解釋極渦與地面天氣有什麼相關。我說了這麼多極渦的事，都在大氣高層，關地面什麼事。這裡要說明的是，大氣對流層的運動大概有一致性，通常由中高對流層的環流驅動，拖著近地面的大氣一起走。
也許你會說應該一層一層都放出來給大家知曉。是的，這說的很對，氣象學家、天氣預報員會看，但多數時間，多數人會喜歡提綱絜領的方式看，也就是人類不但空間觀念不好，還喜歡大小眼看事情。這個中高層的極渦變動，可以推估低層的大氣怎麼走，當北美區的極渦八爪魚腳伸出，指向北美地區，氣象學家會說，寒流或寒潮來了。
這當中如果這隻八爪魚腳停留的過久，或是一直伸過來，當地的天氣就嗆爆了。你也許會問，有冷的一定有熱的地方，答案是對的。冬天時，拿了好處溫暖地方的人通常不吭聲；反之，夏天就是熱浪，換較涼爽地方的人不吱聲。嚴肅的話題是，夏天時極渦八爪魚不明顯，問題攪的稍複雜，不能完全用極渦來看就是。
我們將西風風速標出來，取氣象常用的等壓面來看噴流。圖2是針對200百帞（hPa）的等壓面所做的圖。在這裡可以看到孰知的西風噴流。在這張噴流圖中，可以看到環繞北半球上空近乎一圈的氣流。如我們所知的，這個噴流之所以存在，是因為地球大氣低緯熱高緯冷造成的。他也是冬季強，夏季弱的變化。你會發現這和極渦變化一樣，是的。他們本來就是一回事，只是換不同戲服登場。
圖2：西風噴留用紅色線標出。藍色線是東風區。
如我前述，既然提到渦，那就換上風速變化的戲服登台表演就是。這張圖有趣的地方是，你如果會挑好高度放氣球，大氣還流會將氣球帶到美國去。這裡還有另一個重要觀念要說，就是我們日常熟悉的天氣圖，是一群大氣演員在某一時間的合照。未來他們在舞台上的走向，不會是照著鄰近其他人的走向走。最明顯的是風，假設在臺灣的大氣演員扮鬼臉，旁邊日本的演員比Ya，不代表臺灣演員走到日本時一定比Ya。
那你會問，氣象學家或是預報員在看什麼？其實他們再看的是波動整體變化，或是他們口中的天氣系統變化，他們的腦中，有這一群演員下個階段舞台站位的變化圖。所以，所以，我非常不喜歡知名大氣網站用的氣流圖動畫呈現，他會讓你誤以為大氣的風在臺灣附近是從中國大陸，或是菲律賓這樣一路吹過來，我要說真的大氣質點演員不是這樣演的。但是某位立委強勢要求臺灣氣象局也要照著畫，氣象從業人員為解釋方便也就跟著用，其實有誤導之嫌。
廢話說這麼多，怎麼看大氣質點演員呢？當然還是要計算一下，換個戲服登場才行。圖3是根據瑞士理工學院發展的LAGRANTO軟體回算10內大氣質點怎麼到美國的情形。動畫顯示，中國挑對時間，挑對高度，放的氣球可以飄到美國。甚至，臺灣也可以放，熱帶東太平洋更可放球。而美國自己也可放球，只要10天，氣球繞地球一圈，又回到美國。
圖3：由LAGRANTO所計算從美國200hPa，回溯計算10天內大氣質點的軌跡圖
最後，附帶一提，鄭明典局長在臉書上所放的30百帞等高線圖，用來解釋氣球在美國飄很慢，所選擇的高度太高（約25km高），而且當地美國風速是吹東風，可能是不對的選取。這樣的高度太高，F-22戰機飛不到，而且風向不對，氣球應該再被吹回太平洋。
作者為氣象工作者
照片來源：作者提供
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