天气小观：北极负震荡剧烈，未来一周第三波冷空气南下
现在开始要准备进入深秋，慢慢的要迈入初冬；
台湾原本由夏季系统主导的天气会转为冬季系统主导，
在夏季，剧烈天气主要由中小尺度天气系统影响，如台风。
在冬季，剧烈天气主要由大尺度或行星尺度天气系统影响，如：寒流。
因此，现在主要观察偏向大尺度或行星尺度的大气系统。
一开始就必须要看北极涡旋，
今年入秋以来，北极涡旋持续偏心，
主中心位于北亚大陆高空，导致西伯利亚非常寒冷，
但北极海冰面积少的很严重，
可能是有史以来最少的。原因当然是暖化效应以及目前反圣婴现象的表现。
今年北极涡旋岌岌可危，北极负震荡这么剧烈，北极涡旋强度发展慢，
且在秋天，北亚毕竟不如北极区的永夜环境好。
通常要到11月下旬以后，永夜区扩大，北亚大陆的冷气团发展环境才会优于北极区。
目前北极涡旋中心百帕高度场15600米，对比于去年同时期的15300米来说，
还落后两个等级。当然，更比不上目前南半球准备进入夏季，
现在的南极涡旋还有15100米般强烈。
今年北极涡旋如果持续异常偏心(中心偏离极区)，
对北半球冬季也将产生影响，
因为北极涡旋的源头就是全球三胞环流的第三环流-极区环流(polar cell)的下沉气流。
大气环流形成的主要因素就是日照不均，低纬度受太阳辐射强，极地辐射很弱。
因此，可区分出大气三胞环流：
1.Hadley cell(哈德雷环流)：赤道热空气上升到高空往两极流出，
然而受到柯氏力偏转，使气流无法到达两极，
同时气流至纬度30度左右开始变冷下沉回地面，
再由地面返回赤道。
因此，Hadley cell主要为低纬度的大气环流。
2.Ferrel cell(费尔环流)：从哈德雷环流下沉到地面的气流，一部分往赤道返回，
另一部分向极地流，同时遇到高纬度的冷空气南下，
被迫抬升到高空，因此促成中纬度的大气环流。
3.polar cell(极区环流)：极区受太阳辐射微弱，地面严寒形成地面层的极地冷气团，
当费尔环流地面气流往高纬度流时，遇上极地冷气团，
气流被迫抬升到高空，一部分往极区流的时候，
受柯氏力影响(极区的柯氏力作用最强)，
形成逆时钟旋转的超大“漩涡” (极涡)，中心气流下沉。
因此，对北半球而言，polar cell将大气汇集于北极高空，
形成一个逆时针强劲旋转的北极涡旋，北极涡旋中心气流下沉，
下沉气流处的地面层形成厚度浅薄的极地高压(就像台风的高空气流处形成辐射高压)，
因为只是对应地面层浅薄高压，
因此一般不会称北极高压(就像台风高空气流幅散处也不会称为赤道高压/热带高压)。
然而，北极涡旋越强，地面高压也愈强。(就像台风越强，高空幅散越良好)因此，
当北极涡旋强，北极地面高压比周围气压高，此时北极震荡AO指数为正，
冷空气锁在北极；反之，当北极涡旋弱，北极震荡指数为负，北极冷空气外泄。
而今年10月以来，北极涡旋直接跑到北亚高空，北极地面高压弱，
北亚地面高压强(先前西伯利亚冷高压1050百帕)，
因此，出现剧烈的负北极震荡，模式预报仍持续中。
撇开反圣婴现象影响，
事实上，冷空气本来就无法永远锁在极区，即便极涡再强也一样，
因为高气压强度受制于地球自转，
也就是高气压的负涡度值不能大于地球自转度
(也就是地球自转产生的涡度绝对值)，
否则高压就会崩溃，气流崩流而出。
因此，
地面冷高压再强也无法强过地球的自转度，
一旦高压强到某一个极限(负涡度值上升到某个极限)，
除地球自转度的限制外，周遭的大气环境影响因子也会使高压崩溃，
冷空气向外奔流而出，造成寒潮爆发。
在北半球，北极气团向外奔流而出的时候，在北美大槽与东亚大槽导引下，
通常一支经加拿大而下，另一支则从西伯利亚西北方奔向贝加尔湖，
两支地面冷高压的前方分别形成冰岛低压与阿留申低压，
强烈的温带气旋也容易引来美东与东亚的寒流。
至于为何高压有极限值，可从大气涡度来看其物理的限制，
涡度是流体力学中很重要的物理概念，描述的是流体旋转情况；
气象学中考虑的流体就是大气，涡度就是描述大气旋转情况。
涡度符号：ζ
速度符号：V
带方向速度(速度)： ->
V
定义：涡度就是速度的旋度
-> ->
ζ = ▽ X V
▽ 是具有方向性物理量(向量)的微分符号
在一维空间中， d ^
▽ = 一 i
dx
{ 省略表示：▽ = d/dx i }
在二维空间中， ∂ ^ ∂ ^
▽ = 一 i + 一 j
∂x ∂y
{ 省略表示：▽ = ∂/∂x i + ∂/∂y j }
在三维空间中， ∂ ^ ∂ ^ ∂ ^
▽ = 一 i + 一 j + 一 k
∂x ∂y ∂z
{ 省略表示：▽ = ∂/∂x i + ∂/∂y j + ∂/∂z k }
虽然▽是向量的微分符号，但也可以对纯量(只有大小，没有方向的物理量)直接作用。
▽对不同物理量的作用下，会得到不同的物理意义。
▽对纯量场f直接作用，▽f会得到f的梯度，即 ∂f/∂x i + ∂f/∂y j (二维空间)
▽与向量场f内积(‧)，
其中向量f在二维空间x,y方向表示fx i + fy j，
则▽‧f会得到f的散度，即 ∂fx/∂x + ∂fy/∂y
▽与向量场f外积(Ⅹ)，在数学上f必须是三维空间的向量，
因为内积和外积在数学上的定义分别为：
1.两向量a,b的内积为一纯量：
大小=(向量a的长度)*(向量b的长度)*cos(向量a和向量b的夹角，此夹角介于0~180度)
2.两向量a,b的外积为一向量：
此向量长度=(向量a的长度)*(向量b的长度)*sin(向量a和向量b的夹角，介于0~180度)
此向量方向=垂直向量a，也垂直于向量b，
依右手定则决定方向。(外积次序颠倒，方向就会颠倒)
因此，外积在数学上必须在三维空间下才有意义。
再回到▽与向量f外积(Ⅹ)，
三维空间f在x,y,z方向表示fx i + fy j + fz k，
则 ▽Ⅹf会得到f的旋度，即
(∂fx/∂x + ∂fy/∂y) i + (∂fx/∂x + ∂fy/∂y) j
再回到▽与向量f外积(Ⅹ)，
三维空间f在x,y,z方向表示fx i + fy j + fz k，
则 ▽Ⅹf会得到f的旋度，即
(∂fz/∂y - ∂fy/∂z) i + (∂fx/∂z - ∂fz/∂x) j + (∂fy/∂x - ∂fx/∂y) k
用行列式表示
| i j k |
▽ f = | ∂/∂x ∂/∂y ∂/∂z |
| fx fy fz |
因此，▽作用下，可得到基本的三个物理意义：
▽f = ∂f/∂x i + ∂f/∂y j + ∂f/∂z k ，为f(纯量场)的梯度
▽‧f = ∂fx/∂x + ∂fy/∂y + ∂f/∂z k ，为f(向量场)的散度
▽Ⅹf = (∂fz/∂y - ∂fy/∂z) i +
(∂fx/∂z - ∂fz/∂x) j +
(∂fy/∂x - ∂fx/∂y) k ，为f(向量场)的旋度
重新回到涡度的定义：
ζ = ▽ X V ，ζ为涡度场(向量)，V为速度场(向量)
三维空间速度V = Vx i + Vy j +Vz k
ζ = (∂Vz/∂y - ∂Vy/∂z) i +
(∂Vx/∂z - ∂Vz/∂x) j +
(∂Vy/∂x - ∂Vx/∂y) k ，为V(速度场)的旋度
想要直观来体会气象学上的涡度，则上式重新改写为
ζ = ( ∂Vz/∂y i - ∂Vz/∂x j ) +
( ∂Vx/∂z j - ∂Vx/∂y k ) +
( ∂Vy/∂x k - ∂Vy/∂z i )
再假设 速度场V= f(x,y) i + f(x,y) j + 0 k
则 涡度 ζ = ( ∂Vy/∂x - ∂Vx/∂y ) k 变成一维空间
这就是在气象学上，讨论平面大气系统的涡度定义
横轴座标x为地球经度的变化(经向)，
纵轴座标y为地球纬度的变化(纬向)，
横向Vx为经向(x)速度，
纵向Vy为纬向(y)速度，
在北半球，可由右手定则决定涡度 ζ正负，顺时钟为负，逆时钟为正。
接着可以直观体会气象学上的涡度
ζ值 = ∂Vy/∂x - ∂Vx/∂y
∂Vy/∂x：Vy是否会随x轴位置不同而变化
∂Vx/∂y：Vx是否会随y轴位置不同而变化
假设Vy=-x ， Vx=y
则V = y i - x j + 0 k
1.在位置x=0 y=0处，没有速度
2.在位置 x=1， y=0 ，则气流速度为 V =-j
3.在位置 x=0， y=1 ，则气流速度为 V = i
| x=0， y=1
| -> V=i
|
|
| x=1， y=0