冬天本應寒冷——而且確實，在沒有全球變暖的情況下，這個季節會比近年來美國通常經歷的冬天更冷。然而，當冰凍的低溫和刺骨的寒風持續數日時，人們很難不去想為什麼情況必須如此寒冷。但是，如果你能讓你的大腦保持足夠的清醒來保持好奇心，答案會讓你對支配我們地球的天氣系統有有趣的瞭解。
威斯康星大學麥迪遜分校的大氣科學家安德烈婭·洛佩茲·朗說：“思考美國中部地區甚至墨西哥灣沿岸各州如何獲得冷空氣，不僅僅是思考當地正在發生的事情。你必須真正放大視野，從大局著眼。”
這種大局觀以北極地區為中心，並由兩種大氣現象驅動。第一種是極地急流，這是一股巨大的氣流，在全球北緯 50 度至 60 度之間的低海拔對流層中環繞地球，對流層也是大多數天氣展開的大氣層。極地急流以北是較冷的空氣；以南是較暖的空氣。
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當極地急流或多或少均勻地繞北極地區流動時，美國大陸和其他中緯度地區保持相對溫暖，因為它將冷空氣困在北部。但是，當急流蜿蜒曲折，在環繞地球時向北和向南漂移時，令人牙齒打顫的冷空氣會偷偷向南移動更遠，導致當地氣溫急劇下降，這就是有時被稱為“北極寒流”的現象。
極地急流全年存在，並且可以單獨引起冬季寒潮。但在冬季，第二種大氣現象——被稱為極地渦旋——也加入了進來。這種位於地球表面上方 10 英里以上的寒冷空氣漩渦，每年在北半球最冷的月份都會增強。即使極地渦旋的活動並非涉及所有冷空氣爆發，但這兩種大氣現象也可能以導致特別寒冷時期的方式相互作用。
在正常情況下，極地渦旋緊密地圍繞北極旋轉，使在極地渦旋下方和南部吹過的極地急流保持相當平穩。“如果極地渦旋不受干擾，一切正常，它會快速、安靜地旋轉——[而且]冷空氣靠近旋轉中心，”大氣和環境研究公司的氣候科學家猶大·科恩說。
但有時極地渦旋會變得混亂——減速、漂移甚至分裂成兩部分——這種不穩定的氣團會導致極地急流在其路徑上形成特別大的曲折，從而使極其寒冷的天氣比平時更向南侵襲。例如，2021 年 2 月就出現了這種情況，當時德克薩斯州的冰凍溫度持續了八天以上，導致大範圍停電，並造成 200 多人死亡。
無論極地渦旋是否促成了特定的冷空氣爆發，或者該事件僅僅是極地急流的作用，這些寒冷時期有時會伴隨冬季降水。“要形成一場真正的大雪暴，需要很多要素到位，”洛佩茲·朗說。當然，其中一個因素是寒冷，但另一個因素是可以凍結成雪的水蒸氣。
有趣的是，南半球也有極地渦旋，但該系統不會經歷北半球渦旋的擾動。“這些事件永遠不會發生在南極洲上空，”斯坦福大學的大氣科學家阿迪蒂·舍沙德里說。
南半球不存在這些極地渦旋擾動，而南半球也有自己的極地渦旋和極地急流，這可能指向對北半球現象成因的解釋。南極位於南極洲大陸，周圍環繞著南大洋。相比之下，在北部，北冰洋海冰被陸地和海洋交替環繞：北美洲、大西洋、歐亞大陸、太平洋。地球大氣在陸地和海洋上的行為方式不同，從而在北半球產生大規模的大氣波，當環境條件一致時，這些大氣波有能力擾亂極地渦旋，從而引發更極端的冷空氣爆發。
正如氣候變化影響地球上的其他一切一樣，它也在以一些明顯的方式以及一些科學家仍在努力理解的方式，促成冷空氣爆發。研究人員表示，可以肯定的是，冬季正在變得更加溫和，極端寒冷現象的發生頻率正在降低，不如 20 世紀中葉那樣常見。
模型尚不清楚氣候變化是否正在使極地渦旋擾動更加頻繁。科恩指出，自 2000 年以來，當北極地區的變暖速度加快時，極端寒冷天氣變得更加頻繁——他認為這與融化的冰層正在塑造大氣的方式有關。“在這個北極地區變化的時期，極端冬季天氣和嚴重冬季天氣出人意料地具有韌性，”他說。