来源：中国气象
作为冬季极端天气的代表，炸弹气旋常常给美国、加拿大等地带来狂风暴雪等多重影响。早在11月中下旬，美国和加拿大西海岸多地就曾遭遇炸弹气旋袭击，造成电线杆倒塌、大规模停电、水陆交通受阻。
炸弹气旋如此强大的破坏力从何而来？其发生的成因、机理有哪些？科学界针对炸弹气旋的相关研究进展如何？本期科普看台一探究竟。
风暴来袭 何为炸弹气旋？
当地时间11月19日，一个形成于东北太平洋的强大温带气旋，袭击了美国西部和加拿大西部，该气旋在短时间内经历了爆发式增强，属于典型的爆发性气旋，也就是人们常说的“炸弹气旋”。
11月20日2时，北美炸弹气旋达到最强时刻。实线为平均海平面气压，红点为炸弹气旋中心位置，填色为地表风速（米/秒）。绘图：肖雪
再分析数据显示，本次的炸弹气旋在11月18日生成于东北太平洋，随后快速加强东移，在其中心移动至距北美西海岸1500公里附近后，路径转为东北，并于11月20日2时达到最小的中心气压946百帕，此后维持准静止状态，其中心位于美国西海岸1000公里以内，本次气旋于11月23日消散，整个生命周期主要活跃于洋面上。
此次炸弹气旋带来强风暴雨，重创了美国俄勒冈州和加利福尼亚州以及加拿大不列颠哥伦比亚省沿海地区，温哥华岛上超过10万用户断电，部分地区的渡轮服务被迫暂停，对当地居民的生产生活造成了巨大影响。
近年来，东北太平洋海温呈现显著升高趋势，升高的海温会增强海表向大气的感热通量，从而有助于增强近地表正位温扰动；同时还会造成更多的洋面水汽蒸发，从而使得气旋所伴随的降水凝结潜热释放增强，上述两个因子都有助于炸弹气旋强度的增强，而炸弹气旋的强度越强，所造成的灾害也越重。
炸弹气旋是一种快速增强的低气压系统，作为冬季极端天气的代表，其形成过程与飓风截然不同，这主要表现在两类涡旋系统对斜压性的依赖方面，炸弹气旋是典型的斜压系统，而飓风的斜压性则弱得多（变性为温带气旋之前）。在北美地区，炸弹气旋通常是由冷空气与大西洋上的暖湿空气相遇而形成的。其实，从数据上形容炸弹气旋或许更为直截了当，即当风暴的中心气压在24小时内相对于北纬60度纬线急剧下降超过24百帕时，就被称为炸弹气旋。
这是一个非常快的发展速度，由于气旋的发展十分迅速，因此带来的影响（大风、暴雪等）像“炸弹”一样具有破坏性，因此，此类气旋便被冠以“炸弹气旋”的名号，事实上此类气旋并不会爆炸，只是发展十分迅速，破坏力相当强。
炸弹气旋因其突发性和破坏性，成为气象学的重要研究对象，对于这种极端天气现象的预测和应对，是保障人们生命财产安全的关键，当下，随着气候变化的加剧，对这类天气事件的监测和防范也变得更加重要。
冷暖交汇 破坏力有多大？
提起炸弹气旋，不禁让人联想到好莱坞大片中的巨大爆炸场面。虽然这种气象现象与实际爆炸无关，但它引发的自然“冲击波”真实且惊人，足以让人类感受到大自然的无穷威力。
炸弹气旋的“孕育”需要复杂的气象条件。首先，冷暖空气的剧烈交汇是其形成的关键。当极地冷空气南下，与海洋上的暖湿空气相遇时，二者之间剧烈的温差使气流变得极不稳定，“点燃”了气旋形成与发展的引信。与此同时，高空急流则为其发展提供了强有力的“助推器”，通过在高空抽离气旋中心的空气，形成强烈的上升运动，使地面气压迅速下降。此外，海洋暖流也为气旋发展提供了稳定的热量和水汽支持，特别是在冬季的太平洋沿岸地区，其是气旋爆发式增强的“燃料”。这些因素的协同作用，使炸弹气旋发展为一种极具威胁的天气现象。
在卫星云图上，炸弹气旋常以螺旋状云带呈现，其空间尺度一般在数千公里，与飓风不相上下，甚至还要更大一些。一旦形成，其破坏力惊人。
炸弹气旋的瞬时风速常可达到飓风级别，掀翻建筑物、摧毁电力设施，并卷起巨浪冲击沿海地区。与此同时，常伴随暴雨或暴雪，强降雨引发洪水，厚重的积雪则可能触发雪崩，对生命财产造成巨大威胁。更为严重的是，其对交通和能源系统的冲击同样不可小觑。在极端天气条件下，航班取消、道路封闭和电力中断屡见不鲜。例如，2018年1月，名为“格雷森”的炸弹气旋袭击美国东部，暴风雪席卷多个州，引发沿海洪水，经济损失高达数十亿美元，造成全美至少22人死亡。而2010年，欧洲的风暴“西拉”肆虐北海沿岸，导致数十人死亡，是该地区近年来最严重的炸弹气旋之一。
炸弹气旋的高发区域包括北美东部沿海、北大西洋、欧洲西北部及北太平洋等中纬度地区。这些地区具备冷暖空气频繁交汇、高空急流活跃、海洋暖流充足等条件，为炸弹气旋提供了理想的生成环境。
相比之下，由于我国地形复杂、山脉众多，极地冷空气在南下过程中受到阻挡，同时东部沿海海域水温较低，气旋所需能量不足，因此，炸弹气旋在我国沿海地区较为少见。
炸弹气旋的频繁出现不仅揭示了复杂的气象动力学机制，也进一步凸显了气候变化对全球大气环流变化的深远影响。在全球变暖的背景下，海洋温度持续上升，冷暖气流对比愈加剧烈，高空急流的异常活动可能使炸弹气旋变得更加活跃。正因如此，加强气象监测、完善预警机制、增强灾害应对能力，已成为全社会共同面临的重要课题。随着气候变化持续加剧，科学界也在警告，炸弹气旋的频次和强度或将进一步增加。如何在全球层面加强应对，开展跨国合作，进行气象监测与数据共享，同时推动绿色能源转型以缓解全球变暖，将成为各国需要共同面对的严峻挑战。
背后机制 科学探索与谜题
自1980年气象学家首次对炸弹气旋做出定义后，气象学界开始针对此种现象进行研究与分析。
为了揭示炸弹气旋背后的奥秘，科学家主要使用动力学定量诊断和数值敏感性试验两大研究工具，目前的研究主要聚焦在它的形成机制、预测和预警以及其与气候变化的潜在关联上。
炸弹气旋本质上是温带气旋，其发展的一个主要机理是斜压不稳定。在斜压环境下，由于大气层中存在水平温度梯度，大气扰动能从温差中得到能量并迅速增强，发展为强大的气旋，这与正压不稳定截然不同，后者是一种由风速剪切引发的动力学不稳定，不依赖于温度梯度。正是因为斜压环境下较强的能量汲取，炸弹气旋表现出特有的快速增强特征，在温带地区的冬季尤为常见。
炸弹气旋背后隐藏着一套精妙的大气物理机制。研究显示，炸弹气旋的形成需要多种因素的共同作用——对流层高层由于对流层顶折叠所造成的强正位涡异常，类似于高空“漩涡”驱动下的风暴增强；中低层的凝结潜热释放也发挥关键作用，随着空气中的水汽凝结，释放出的热量会促进气旋低层气压的下降，带动气流的强烈上升运动；而低层的暖温度平流和近地表的感热加热，则为气旋快速发展“添柴加火”。值得注意的是，这些因子在不同的炸弹气旋中的相对重要性可能有所不同，有的气旋以高层因子为主，有的则由中层或低层因子驱动。
炸弹气旋卫星云图 来源：中央气象台
尽管研究人员对炸弹气旋的发生机制已经有了较深入的了解，但要精准预测其发生和发展，仍有诸多难题待解。炸弹气旋的快速发展过程具有高度非线性特征，发展速度快，对预报时效要求高，预报模式的模拟结果与真实观测常存在较大差异。且因为炸弹气旋的生成通常受特定地理区域和气候带影响，跨区域的统一预测模型难以建立。再加上炸弹气旋往往伴随强降水、剧烈的温度波动以及狂风暴雪等不确定的极端天气事件，如何提高对这些天气事件的预测精度也是一个重要课题。
此外，全球变暖导致极端天气事件发生更加频繁和剧烈，但对炸弹气旋的影响还不明确，需要进一步研究气候变化背景下炸弹气旋的频率、强度和路径变化趋势，评估气候变化可能带来的风险和挑战。
近日，北美受炸弹气旋袭击地区出现了大规模断电、水陆交通受阻以及人员伤亡，足可见炸弹气旋的巨大破坏力。研究人员除了专注于提升预测能力，还要探索如何减轻其带来的社会经济影响。相关领域的延伸研究还包括电力、交通、建筑的抗灾和应对措施，应急管理和救援方案等。
未来，炸弹气旋的研究方向将更加多元化和综合化。研究人员正在开发更精确的预测模型，将大气、海洋和陆地系统的相互作用纳入研究内容，结合机器学习和大数据技术，提高对炸弹气旋的预测精度。
在应对炸弹气旋这一复杂天气系统的道路上，跨学科合作和国际合作将变得尤为重要，通过数据共享和技术协作，可以更高效地解开科学谜团，为全球范围内的防灾减灾提供支撑。
北半球冬季气旋分类
作为一种大气环流系统，气旋在地球的大气舞台上扮演着关键角色。北半球的冬季会出现多种气旋，主要有热带气旋、温带气旋等。
热带气旋主要包括台风、热带低压等，如台风凤仙0226（2002年12月）、强热带风暴帕布1901（2019年1月）等，虽然它们的发生频次和强度比暖季大大下滑，但仍需提高警惕。
相比热带气旋，在冬季，温带气旋的活动更为活跃。在东亚地区，青藏高原上生成的高原涡、四川盆地及其周边地区生成的西南涡、长江中游附近生成的大别山涡、我国东北及其上游地区生成的东北冷涡，以及西风带中一些温带气旋（未达到炸弹气旋的强度）与切断低压等，都是冬季常见的气旋系统。
北极涡旋作为一种存在于极地高空的冷性大型涡旋系统，是北半球冬季常见的温带气旋之一。在终日苦寒的北极，对流层的空气冷却、下沉，冷气团的中心愈冷愈沉，最终盘踞下来，且自身随着地转偏向力而旋转。虽然说北极涡旋主体一般会停留在靠近北极的陆地，不轻易南下，但有时候，北极对流层中部也可能出现反气旋，一旦极地上空被较为持久的反气旋或暖脊控制，极涡就可能发生分裂，并向南移动，移动方向主要有两个，一个是影响北美，另一个便是“游荡”于亚欧。
北极涡旋南下带来的冷空气，通常会导致大风、降温，在暖湿气流的“配合”下，还会带来降雪。2018年1月，我国中东部地区曾遭遇冷空气侵袭，东北局地出现零下40℃以下的极寒天气；黄淮、江汉、江淮等地出现大雪甚至暴雪，这便是受到了北极涡旋南下的影响。
除了这些温带气旋，台风转温带气旋也是影响北半球天气系统的一种气旋。这种气旋在气象学领域有一个专业名词——台风变性，是指热带气旋离开热带区域后，由于环境条件变化，其性质逐渐从热带气旋转变为温带气旋的过程。这种现象在台风生命史的后期较为常见，特别容易出现在西北太平洋和北大西洋海域。冬季，热带气旋数量较少，所以，这种现象较少。但需要注意的是，这种温带气旋一旦形成，一般强度较强，且维持时间较长，致灾严重。比如，给沿海和中高纬地区带来强风和暴雨；在寒冷季节引发降雪或暴风雪天气；对沿海地区，特别是日本海和东海区域，可能造成风暴潮和海岸侵蚀等。
影响重大的炸弹气旋事件
炸弹气旋广泛发生于大洋上，统计研究表明，炸弹气旋在北半球发生的年频次约为51次，其高频发生月份是秋冬季，太平洋上的发生频次高于大西洋。
近40年来，炸弹气旋并未在发生频次上表现出显著的变化趋势，但是其伴随的地面强风表现出显著增强趋势，尤其是近20年来，炸弹气旋伴随强风的增长趋势是过去的数倍。
历史上，北美地区有很多炸弹气旋致灾的例子，以下是几个有重大影响的炸弹气旋事件——
1978年1月下旬的“大暴风雪”，被列为20世纪美国和加拿大最具影响力的冬季风暴之一。“大暴风雪”主要影响了美国中西部和大湖区，并延伸到部分东北地区。寒冷的极地气流导致气温骤降，人的体感温度达到零下50℃以下，风暴导致70多人死亡、交通瘫痪、人员受困，公众生活受到极大影响。由此引发公众对极端天气的广泛关注，促使气象机构进一步完善暴风雪预警系统。
1993年3月中旬的美国超级风暴是一例极端的炸弹气旋，被认为是20世纪最强的冬季风暴之一。它从墨西哥湾生成，并快速增强为一场覆盖北美东部的超级风暴，在美国东部和中部地区降雪量创下历史纪录，部分地区的积雪深度超过60厘米；本次炸弹气旋直接导致318人死亡，是美国历史上死亡人数最多的冬季风暴之一。
2019年3月13日，美国科罗拉多州南部形成了一个非常强大的低压系统，创下了有史以来的最低气压纪录。该系统达到炸弹气旋的标准，在科罗拉多州东北部、帕尔默分水岭和埃尔帕索县造成了大面积暴风雪。
2021年10月下旬，美国西海岸地区经历了一次极端的炸弹气旋，是太平洋近海观测到的最强气旋之一，这一气压水平接近五级飓风强度。加利福尼亚州的旧金山、萨克拉门托等地出现破纪录的降雨；炸弹气旋在太平洋海域引发巨大浪潮，至少两人因此丧生。
作者： 宛霞 王婉 闫辰宇 张宏伟 路彦
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