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edushare 發表於 2014-2-10 17:10

極地渦旋/北美急凍 誰闖的禍

2014/02/10  【聯合報╱本報記者陳皓嬿】

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今年1月初,極地渦旋襲擊北美,圖為民眾走在結冰的密西根湖邊。 (法新社)

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今年一月初,一波來自北極的強大寒潮,讓北美地區極凍,不僅有地方低溫降到攝氏零下三十幾度,伴隨而來的大雪也造成嚴重的交通和電力供給問題,而媒體紛紛報導造成這般惡劣天氣的「元凶」,就是極地渦旋;然而過去幾年,媒體在報導北美寒潮時,卻說成因是北極震盪。

其實這兩個稱呼都不是新名詞,究竟極地渦旋和北極震盪有何差別?氣象專家們表示較一致的看法是,他們是一體兩面的現象,極地渦旋是「高空」的冷空氣快速旋轉現象,北極震盪則是描述「地面」附近的氣壓變化。

首先要有個觀念,就是「地面附近氣壓高,則高空(例如距離地面4、5公里處)的氣壓相對周遭較低」。

中央氣象局預報中心主任鄭明典解釋,由於兩極長期缺乏日照,聚集的都是冷空氣;冷空氣的密度大,沈降在離地面較近的地方,因此地面是高氣壓,但高空的空氣相對稀薄,氣壓比周遭低了許多,因此是低氣壓。

極地渦旋,是盤旋在星球兩極「高空」的低氣壓,當冷空氣溫度極低,高空便形成一個低壓為中心的渦旋(但中心下方接近地面處為高壓),周遭環繞著強烈的、以逆時針方向吹拂的西風,也就是所謂的「高空噴流」。

由於陸地較海洋適合冷空氣發展,所以地球南、北極的極地渦旋形狀不太一樣。南極是一整塊大陸,所以南極的極地渦旋多為一個中心,形狀也較接近圓形。

在北極,亞洲大陸、大西洋、北美洲和太平洋互相交錯,所以北極圈通常有兩個極地渦旋,一個中心位在加拿大上空,一個則在西伯利亞上空,形狀較狹長。

北極震盪則是指「極圈附近和中高緯度地區,靠近『地面』的氣壓強弱消長」,天氣風險管理公司氣象總監賈新興說,北極震盪就像「氣壓翹翹板」,有時北極附近氣壓明顯較高、中高緯度氣壓就相對低,有時北極周圍氣壓低、南邊氣壓就相對高,消長的情況即是「震盪」。

中央大學大氣系教授林沛練表示,北極震盪指數若為正值,就代表北極附近高壓較強,南北氣壓差距大,冷空氣被留在北極無法南下,因此中高緯度地區冬天比較暖。

北極震盪指數若為負值,就代表北極附近的高壓減弱,南北氣壓差距縮小,冷空氣往南下探,南方一些暖空氣也北上,於是周遭的西風強度也減弱,變成一圈帶著南北風、波浪狀的風帶,中高緯度地區也因此出現被「波谷」涵蓋的區域冷、被「波峰」涵蓋的區暖的現象。

賈新興比喻,極地渦旋就像一個冰箱,極渦夠強時,門是關著的,北極震盪指數通常為正;當極渦強度不夠時,門就被打開,冷氣隨之外洩、往南潰散,伴隨北極震盪指數為負,這時冰箱門正前方(波谷)很冷,門的兩邊(波峰)就相對暖許多。

這次美國中、東部正是波峰涵蓋範圍,冷空氣南探所以異常地冷,相較之下,美國西北部和阿拉斯加、俄羅斯地區同一時間正好被波峰覆蓋,反而出現暖冬。

edushare 發表於 2014-2-10 17:11

極地渦旋/渦旋太強 臭氧破洞難補

2014/02/10  【聯合報╱本報記者陳皓嬿】

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南極的臭氧層濃度較周遭稀薄,除了和人類排放的冷凝劑氟氯碳化物,會分解臭氧分子有關之外,極地渦旋也是造成臭氧層破洞的原因之一。

冬天時,如果南極大陸上空的溫度相當低(低於攝氏零下80度),則容易形成極區平流層雲,氟氯碳化物在大氣中經過化學反應後,會形成「氯儲存物質」如硝酸氯或鹽酸等,這些氯儲存物質會被吸附在極區平流層雲中,等到春天來臨,雲一經太陽照射,氯原子便被釋放出來,進而分解臭氧分子。

極地渦旋在當中扮演的角色,一是讓南極上空低溫夠低:極地渦旋強度必須夠強,冷空氣才能被鎖在極圈上方,讓南極上空的溫度能降到攝氏零下80度以下,並產生極區平流層雲。

另一方面,極區的臭氧往往都是從溫暖的熱帶補充而來,如果極地渦旋很強,那強勁的西風將繞著南極團團轉,使得低緯度地區富含臭氧的暖空氣無法進入南極圈,也就無法帶來補給。

極地渦旋和極區平流層雲之間還有著反饋機制,極地渦旋使極區溫度無法上升,而有助於極區平流層雲生成;極區平流層雲能吸收紫外線輻射,使大氣中溫暖的臭氧被分解,極地的氣溫下降,又使極地渦旋更加穩定,這麼一來一往,讓南極上空的臭氧含量,在每年十月左右到達最低點,直到春天來臨,極地渦旋瓦解,臭氧量才慢慢回升。

北極臭氧洞沒南極嚴重,因為北極的平流層溫度很少低於攝氏零下80度,另一方面因為北極的極地渦旋存在時間較短,通常在陽光出現前就已潰散,讓南方富含臭氧的空氣得以進來補充。

edushare 發表於 2014-2-10 17:12

極地渦旋/極端氣候肆虐 多元能源救命

2014/02/10  【聯合報╱本報記者陳皓嬿】

極地渦旋南下,為美國、加拿大帶來寒天凍地的大風雪,受到風雪影響,許多人只能待在家、把暖氣越開越強,全國用電需求大增的同時,電力公司卻受到極大的威脅。美國富比士雜誌認為,這次風暴,讓平常擔任主力發電的能源失效,也突顯了多元能源發電的重要性。

富比士雜誌引用電機電子工程學會月刊(IEEE Spectrum)內容,根據美國最大的電網公司PJM Interconnection資料顯示,今年一月六號到八號,也就是極地渦旋影響北美最劇的那段時間,用戶的用電需求創了冬天的新紀錄:141500百萬瓦。

然而達到這個用電新高紀錄的時間點,正是PJM公司「五分之一的發電廠無法運作」的當下,一月八日早上,將近40000百萬瓦的電,因為天氣太冷而「生」不出來。

IEEE月刊表示,低溫讓煤炭結凍、天然氣輸送管線也是,根據統計,燃煤電廠有一半以上都無法運作,柴油機則占到「無法運作第二名寶座」,因為氣溫太低導致無法發動。

不過核電和風力發電,在寒冷風大的環境下倒是運作得頗為順暢。根據哈佛商業週刊報導,新英格蘭州的核能發電廠在一月七號下午的供電量,占當地總供電量的29%,而平時占總供電量一半的天然氣發電,當時發電量只占全部的27%。

而北極渦旋帶來的強風,也讓風機貢獻許多電力,美國風能協會統計,寒潮侵襲美國上西部時,MISO電網的風機輸出約8000百萬瓦的電,在一般情況下可供應六百萬戶人家使用,而一月六號內布拉斯加州的風機則輸出近300百萬瓦的電,占當地總電力需求的13%。

清大工程與系統科學系教授曾繁根分析,煤除了低溫會結凍外,其占的體積大,消耗速度卻很快,冬天運輸系統碰上大風雪,也會讓煤炭斷源;天然氣運輸實為液態,所以也會碰到低溫結凍的問題,像俄羅斯要提供天然氣給西歐國家,沿途管線經過很冷的地方,都要特別加熱才能輸送。

核電由於使用燃料少,加上燃料棒置入反應爐後,可持續運作兩年,較不受天氣和交通狀態影響,且溫度低時,效率還會因系統和環境溫差大,而略為提升;至於風力發電,曾繁根說,基本上只要扇葉沒有被凍住,維持在運動狀態,即使低溫攝氏零下50度,風機仍可運轉發電。

另外,如果地區如冰島有活火山,則在冬天用地表附近的地熱發電,也是不錯的選擇,但像台灣的地熱被埋在數十公里的地面下,要使用地熱能源就困難許多。

總的來說,富比士雜誌再三強調使用多元能源的重要性,否則不管是遇到戰爭或是此等的天然災害,過度依賴單一能源,都可能造成電力供應中斷。

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