從2013年11月到2014年1月，急流在北美和歐洲上空呈現出非常極端且持續的形狀。這條高空自西向東流動的全球性氣流，比平常更向南傾斜，橫跨美國東部，使得臭名昭著的“極地渦旋”將北極上空寒冷的空氣向南傾瀉，使美國東部三分之二的地區陷入嚴寒。五大湖的冰蓋面積達到了有記錄以來的第二大範圍，兩次破壞性的冰雪風暴使亞特蘭大癱瘓了數天。
與此同時，一個頑固的高壓脊盤踞在加利福尼亞上空，造成了當地有記錄以來最溫暖的冬天。雖然溫暖的天氣聽起來不錯，但由此造成的乾旱卻成為自19世紀後期有記錄以來最嚴重的一次，造成了數十億美元的農業損失。
急流的扭曲也襲擊了歐洲，那裡接連不斷的強烈風暴造成了數十億美元的額外損失。在英格蘭和威爾士，冬季是有記錄以來最潮溼的，至少可以追溯到1766年。歐洲其他大部分地區沐浴在異常溫暖的天氣中：挪威遭受了前所未有的1月野火，俄羅斯索契的冬季奧運會官員則在融化的滑雪坡上掙扎。5月，波斯尼亞全國近三分之一的地區被一場巨大的、旋轉的暴雨淹沒。
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通常，急流就像一股在中緯度地區吹拂的氣流帶。正如我們在電視天氣預報中看到的那樣，它經常有從北到南再到北的輕微彎曲，看起來有點像示波器上的正弦波。這些彎曲被稱為行星波或羅斯貝波，通常在三到五天內穿過美國。它們帶來了我們經歷的大部分日常天氣。
然而，在2013-2014年冬季，這些波浪被放大，兩側變得巨大而陡峭，類似於不規則的心電圖列印輸出。這種風的配置也比平時移動得慢得多，有時會在原地停留數週，帶來非常長時間的異常天氣。猶他州立大學的王世宇（西蒙）領導的一項5月份的研究發現，當時北美上空的急流模式是有記錄以來最極端的。
這種極端的急流是一種異常現象嗎？顯然不是，因為它似乎越來越頻繁地發生。2010年，俄羅斯經歷了有書面記錄以來最嚴重的酷熱天氣，導致超過55,000人死亡。與此同時，強降雨襲擊了巴基斯坦，這是該國有記錄以來損失最慘重的自然災害。2011年，俄克拉荷馬州經歷了美國任何州有史以來最炎熱的夏天。2012年，美國的乾旱狀況是自20世紀30年代以來最廣泛的。
波茨坦氣候影響研究所的科學家弗拉基米爾·佩圖霍夫領導的2013年4月的一篇論文指出，在這些特殊事件中，急流中的彎曲具有一個共同特徵。通常向東移動的波浪“停滯不前並被大大放大”，其中兩位作者在關於他們研究的部落格文章中寫道。在某些情況下，彎曲會一次卡住數天甚至數月。科學家們還表明，從2001年到2012年的夏季，極端配置的出現頻率是之前22年夏季的兩倍。
正如鮑勃·迪倫所唱的那樣，“你不需要氣象員就知道風往哪個方向吹。”急流顯然出了問題，而且不難看出可能的原因。過去150年來，我們氣候的基本狀態發生了巨大變化，這種變化開始改變急流的行為。例如，大氣中捕獲熱量的二氧化碳水平增加了40%以上，這主要是因為煤炭、石油和天然氣的燃燒。自1900年以來，北極夏季海冰的範圍減少了近50%，影響了大氣和海洋中的熱流。由於我們已經將地球一半以上的地表面貌改造成了農作物、牧場和城市，因此地球表面反射的太陽能也發生了顯著變化。來自發電廠、車輛、建築物和工業的大量反射陽光和吸收陽光的煙塵和汙染物噴湧而出。巨大的臭氧空洞擾亂了南極洲上空的高層風。
人類已經猛烈地衝擊了氣候系統，物理學原理要求地球的基本天氣模式隨之改變。事實上，王和他的同事們得出結論，如果沒有人類造成的全球變暖的影響，急流的配置很可能不會變得如此奇怪。
危險在於氣候不是線性的。適度的全球變暖可能會突然產生階躍變化，進入一個天氣截然不同的新狀態。氣候科學家們正在激烈地爭論，氣候整體以及特別是急流是否已經跨越了臨界點，進入了一個新的長期狀態。他們還在爭論波茨坦研究人員和其他人提出的一個有爭議的理論，該理論認為，急流的變化主要源於地球上變暖最快的部分——北極發生的事件。
如果急流確實正在進入一個新的狀態，這對文明來說是不祥之兆。英國埃克塞特大學的詹姆斯·斯克林和澳大利亞墨爾本大學的伊恩·西蒙茲在《自然氣候變化》雜誌上發表的8月份的一篇論文中，甚至指出了潛在的影響。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）他們寫道，如果急流波“正如人們所提出的那樣，因人為[人類造成的]氣候變化而放大”，“我們的研究結果表明，這將優先增加北美西部和中亞地區熱浪、北美東部地區寒潮、北美中部、歐洲和中亞地區乾旱以及西亞地區極端潮溼天氣的可能性。”
這種新常態將意味著中西部地區將面臨更可怕的夏季乾旱。像2010年關閉華盛頓特區的“雪災”這樣的冬季暴風雪將更頻繁地襲擊美國東部居民。世界各地的人們將看到食品價格上漲，這是北美中部、歐洲和中亞地區持續強烈乾旱的後果。
自然變化
氣候變化將透過作用於大氣中最終塑造急流的巨大力量來間接修正急流。這條長年存在的風河，高度為9至14公里，在南北半球環繞地球，並充當攜帶降水的低壓系統所沿的引導。急流通常有兩個分支：極地急流，它是極地附近冷空氣和靠近赤道暖空氣之間的邊界；以及不太強烈的副熱帶急流，它更靠近赤道。從今以後，當我討論急流時，我指的是主要的極地急流。
急流的緯度會隨著季節而略有升降：冬季通常在美國中部上空，夏季則靠近美加邊境。然而，氣流是混亂的，並且始終存在大的羅斯貝波。在北半球，當急流向北凸起形成高壓脊時，暖空氣從南向北流動。當急流向南環繞形成低壓槽時，冷空氣向南溢位。
急流是由每個半球上空三個主要的互鎖環流單元產生的。儘管這些單元有助於塑造急流，但天空中的其他力量可以進一步扭曲它。大氣實際上會因來自太陽的能量、大陸和海洋的形狀和位置、山脈的存在以及空氣中捕獲熱量的溫室氣體和反射性塵埃的數量而產生共振。正如吉他在撥動不同琴絃時會產生不同的共振一樣，隨著這些因素的變化，大氣會以多種音調共振，稱為遙相關模式。這些自然共振可以重塑急流，使確定其最近的行為是否是永久性變化的跡象變得複雜。
在北半球，最重要的兩個遙相關模式是厄爾尼諾/南方濤動和北極濤動。厄爾尼諾/南方濤動是熱帶大氣壓力的三到八年週期。它在厄爾尼諾現象期間將高於平均水平的海洋水域推向東太平洋，而在相反的拉尼娜現象期間則推向低於平均水平的水域。急流通常在厄爾尼諾現象期間在美國東太平洋上空更向南傾斜，但在拉尼娜現象期間在那裡向北凸起。北極濤動是由北極和中緯度地區之間海平面壓力的每週波動引起的。如果這種壓力差很小，急流風往往會減弱，從而形成大幅度環流；在冬季，較小的壓力差通常會導致冷空氣向南溢位，到達美國東部、西歐和東亞。
加利福尼亞州的啟示
大氣遙相關模式是相互交織的。它們可以相互抵消或相互加強。改變這些模式出現的大氣基本狀態可能會改變它們，從而導致急流異常。2011年，當極端急流持續存在，而弱至中等拉尼娜現象僅在一年中的部分時間出現時，我想到了這種可能性，這很奇怪。當時，沒有已發表的理論詳細說明這種情況可能如何發生。但在當年12月在舊金山舉行的美國地球物理聯合會會議上，這是世界上最大的氣候科學家聚會，羅格斯大學大氣科學家詹妮弗·弗朗西斯介紹了與該事件相關的新發現，這很有趣。她曾指出，“問題不是[北極]海冰流失是否正在影響大規模大氣環流……，而是，它怎麼可能不影響呢？”弗朗西斯指出，北極的變暖速度是北半球其他地區的兩到三倍——這種現象被稱為北極放大效應——而且這種現象可能會嚴重擾亂北半球急流的流動。
這種說法完全有道理。秋季和冬季北極放大效應的主要原因之一是海冰流失。由於融化和不利的風，北冰洋近年來的冰層損失驚人。與1979年至2000年的平均值相比，2012年9月，49%的冰蓋消失了——面積相當於美國本土面積的43%。當海冰融化時，它會露出深色水域，與白色冰層相比，深色水域會吸收更多的太陽能。然後，海洋和大氣升溫，推動額外的變暖和更多的海冰融化，形成惡性迴圈。
裸露的水域在秋季和冬季釋放儲存的熱量，導致北極大氣基本狀態發生大規模、持續數月的擾動。夏季異常的北極放大效應也在發生，因為北極積雪減少。全球變暖導致春季每年提前約三天到來，融化積雪並更快地露出深色土壤。土壤吸收熱量並變幹，從而提前啟動了大陸升溫季節。
海冰流失和春季積雪減少以及其他因素造成的北極放大效應，大大降低了北半球中緯度地區和北極之間的溫差。這種減少會對急流產生重大影響；如果溫差減小，則兩個大型大氣環流單元之間傳遞的能量減少，急流風速減慢。弗朗西斯和威斯康星大學麥迪遜分校的斯蒂芬·瓦夫魯斯記錄了自1979年以來北美和北大西洋上空秋季高空風速下降了約10%，這與溫差的減小相一致。
較慢的氣流使急流形成大的、蜿蜒的環流，弗朗西斯記錄了自2000年以來，夏季和冬季極地急流中槽和脊的幅度顯著增加。更大的扭結往往使暖空氣比平時更遠地向極地流動，而冷空氣則在另一側向南推進。這種模式發生在今年1月美國東部的冷空氣爆發期間——備受吹捧的極地渦旋入侵——以及加利福尼亞州同時出現的創紀錄的溫暖和乾旱。數學理論表明，流速較慢的急流也導致羅斯貝波向東推進得更慢，從而使大幅度環流中的異常天氣在任何特定位置持續更長時間。這些脊和槽也可能更容易完全停滯不前並形成阻止波浪運動的“阻塞”，就像河流中的迴流形成沒有流動的死角一樣。
關於北極作用的爭議
將北極放大效應與急流異常聯絡起來的研究在氣候科學界引起了一場軒然大波。美國國家研究委員會於2013年9月在馬里蘭大學召集了關於該主題的研討會，吸引了50多位氣候科學家參與熱烈的辯論。儘管許多此類專家都同意急流似乎正在發生變化，但他們中的許多人質疑北極放大效應變得強烈的時間相對較短——大約15年——是否足以將這兩種現象聯絡起來。
一些專家還根據能量論點質疑該假設。由於急流的大流量包含大量能量，因此需要大量能量才能改變它。國家大氣研究中心的凱文·E·特倫伯斯觀察到，透過北極放大效應新增到北極的熱能數量比自然厄爾尼諾/南方濤動驅動的急流變化中的能量數量少一個數量級，後者已被研究過。他是8月份線上發表在《自然氣候變化》雜誌上的一篇論文的合著者，該論文表明，由於一種稱為太平洋年代際濤動的遙相關模式，近年來熱帶太平洋海洋中自然發生的大量能量變化可能導致了我們觀察到的異常波浪狀急流。然而，該論文還得出結論，過去10年濤動變化的性質可能意味著自然變率本身正在受到氣候變化的影響。
特倫伯斯是五位主要氣候科學家之一，他們在今年2月份的《科學》雜誌上發表了對弗朗西斯研究的評論。他們寫道，將北極變暖與過度急流波動性聯絡起來的研究“值得公平聽取”。但他們得出結論，他們“不認為支援它的理論論證具有說服力。”
一些科學家甚至質疑急流波的幅度是否正在增加。斯克林和西蒙茲在2013年的一篇論文中，使用與弗朗西斯不同的定義來測量急流彎曲，發現幅度幾乎沒有統計學意義上的變化——儘管他們確實注意到幅度較高的波浪的總體趨勢較弱。然而，批評者幾乎沒有提供其他解釋來解釋急流的極端情況。波茨坦的迪姆·庫穆及其同事在8月份發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇文章中指出，僅中緯度地區和極地之間溫度差異的縮小就足以放大急流並使其停滯不前，至少在夏季是這樣。
等待為時已晚
儘管科學家們可能尚未就解釋達成一致，但天氣資料令人大開眼界。美國曆史上一些最具代表性和最具破壞性的天氣事件——1974年的“超級龍捲風”爆發、1936年的沙塵暴酷熱和乾旱以及1927年的密西西比河大洪水——在僅僅2011年和2012年就都被追平或超越。我們最近的急流行為很可能標誌著我們已經跨越了進入一個更具威脅性、更高能量氣候的門檻。
隨著地球持續變暖，更高的溫度將加劇熱浪和乾旱，高壓脊沿著急流波動。隨著海洋蒸發量的增加，更多的水分進入大氣，當急流向赤道彎曲成低壓槽時，將發生更強烈的風暴和更強的暴雨。如果急流繼續表現出移動較慢、幅度較大的波浪，這些惡劣的天氣條件將變得更加強烈，並在原地停留更長時間，從而成倍增加其造成死亡和破壞的可能性。如果弗朗西斯及其同事提出的理論是正確的，除非我們找到增加北極海冰的方法，否則就無法回到我們過去的氣候。鑑於大氣中捕獲熱量的二氧化碳含量繼續以每年約0.5%的速度增加，沒有研究北極海冰的科學家預計會出現長期恢復。
乾旱是最大的威脅，因為它影響到我們生存最需要的兩樣東西：水和食物。如果一個具有異常高壓脊的大幅度急流模式在一個夏季完全停滯在俄羅斯和美國的糧食產區上空，那麼這些農作物賴以生存的降水就不會到來。由此造成的乾旱可能會導致食品價格大幅上漲、大範圍饑荒和暴力動亂。在2010年俄羅斯大幹旱和熱浪期間，一個巨大而堅不可摧的高壓脊盤踞在該國上空。這使得通常給俄羅斯農作物帶來降雨的低壓系統轉移到巴基斯坦，造成了那裡災難性的洪水。乾旱和熱浪是俄羅斯歷史上最致命、損失最慘重的自然災害。它迫使該國削減小麥出口，這推高了全球糧食價格，並助長了導致2011年多個政府倒臺的“阿拉伯之春”動亂。
顯然，世界不能安全地等待到科學家完全瞭解氣候如何以及為何變化才採取行動。根據政府間氣候變化專門委員會的說法，我們必須迅速、有力地在全球範圍內採取行動，將升溫幅度控制在危險的2攝氏度閾值以下。到2050年，太陽能、風能和核能等排放低或零二氧化碳的能源以及可以捕獲和儲存碳的技術必須至少增加兩倍，溫室氣體排放量必須比2010年水平下降40%至70%。該委員會表示，這種轉變的成本可能出人意料地低廉，僅會使全球經濟增長每年下降0.06%。但如果我們等到2030年，必要的行動將更加昂貴，並且可能變得無法避免達到閾值。
這也是幾位主要氣候科學家預測的夏季北極海冰基本消失的年份。如果北極的變化確實是古怪急流行為的罪魁禍首，那麼從現在到2030年之間失去剩餘50%的北極海冰覆蓋率將帶來更大的滑稽動作。如果北極沒有參與其中，那也令人擔憂，因為這意味著急流的變化是由一種未知的機制觸發的，使我們不知道隨著氣候變化的進展，急流將如何響應。因此，我對未來15年的預測是：期待前所未有的情況。