2021年09月07日 10:58
【科學快訊】
也許你已經察覺到，今夏的氣候，在全球範圍內都有點「不正常」——河南鄭州發生極端強降雨，幾成澤國，繼而湖北隨州隨縣又遇極端強降水。放眼全球，七月份的德國也同樣遭遇了破紀錄的暴雨。
體感上，我們無疑會感覺到異常降水頻率的增多，但事實果真如此嗎？我們可以從哪些尺度上衡量降水是否異常？
首先，從「變率」說起
有關極端天氣的報道並不罕見，如此看來，每年都發生的極端天氣，也太不「極端」了吧？
想要解決這個問題，我們先從天氣氣候的「變率」說起。
變率，是指天氣或氣候可能的波動或振蕩範圍，通常可以用標准差來表示，而降水變率，就是用以表示降水量波動程度的統計量。例如，昨天下雨了但今天沒下，這便是降水在天氣尺度上的變率；厄爾尼諾次年夏季長江中下遊易發生洪澇，降雨比常年偏多，即為降水在年際尺度上的變率。變率與極端事件密切相關，變率越大，通常意味著極端事件的強度越強。
大家在新聞媒體上看到的「N年一遇」類表述，在氣候學上的學名叫「重現期」（return period），這是一個統計學概念，可以認為是事件發生概率的倒數。
通常而言，強度越強的極端事件，其發生概率越低，重現期也就越長。天氣氣候變率越大，強極端事件發生頻率越高。
未來降雨：不患寡而患不均
一天下完一年的雨，很多人想象一下會覺得難以置信，但這種情況不但有可能，而且會越來越頻繁——
因為降水變率正在增強。
7月河南強降水過程的顯著特點是短時降雨強、降雨極端性突出。鄭州局地3小時最大降雨量達333mm，超過其年平均總降雨量的一半，二七區侯寨氣象站日降雨量692.2mm，超過鄭州年平均降水總量。
無論是「3小時下完全年一半的雨」，還是「一天下完一年的雨」，背後反映的都是降雨在天氣尺度上的變率增強，即降雨在時間上的不均勻性。
為什麼要關注天氣尺度上的降水變率呢？因為無論是連續性的或對流性的降水，都直接和天氣尺度的天氣系統相聯系。就算是大範圍較長時間的降水也是由一次次天氣尺度系統所形成，或為一次天氣尺度系統長期停滯所形成。因此天氣尺度系統是分析預報降水首先要關心的。
很顯然，同樣是641mm的全年總降水（鄭州），在365天裏均勻地下完，和集中在幾小時內一股腦兒地傾盆而下，二者的致災性差之千裏。令人擔憂的是，美國科學家們利用氣候變化模型研究發現，如果我們在未來采取一種無政策干預的高溫室氣體排放情景（RCP8.5，該情景下總輻射強迫在2100年達到8.5W m-2），至本世紀末（2085-2100年），全球增加的降水會有一半集中在6天之內下完。
無獨有偶，另一項針對歐洲暴雨的研究發現，在氣候變暖的背景下，帶來狂風暴雨的對流系統的移動速度將會減緩，這意味著風暴在某地的滯留時間增長，進而造成局地的強降水和洪澇災害，前段時間德國的洪澇災害就是一個典型的例子。
全球變暖的背景下，降水變率在天氣尺度上的增加意味著天氣的波動範圍更大，那麼，除了天氣尺度變率的變化，其他尺度的降水變率又將如何變化呢？
中國科學院大氣物理研究所的張文霞副研究員在一項近期發表於Science Advances的研究工作表明，隨著氣候增暖，全球濕潤區（主要包括熱帶、大部分季風區、中高緯地區）在因總降水量增多而變得更濕潤的同時，降水變率也將增加。 ；
我們知道，相同氣壓下，大氣能容納的水汽總量和氣溫密切相關，更暖的大氣可以「包容」更多的水汽。隨著全球變暖，氣溫逐漸上升，大氣也將變得越來越濕潤，有更多的水汽可以轉化為降水，因而未來地球上的總降水將會變得更加「豐盈」。
但與此同時，降水在時間上的分配也將變得更為不均勻，從天氣到年際的多時間尺度上，降水的變率都將隨著增暖幅度的增加而增加，這意味著降水在幹濕時期間的波動將更為劇烈，未來地球將面臨著更加頻繁的旱澇災害。
從下圖中我們可以看到，未來降水會呈現出四種可能的變化：地球上絕大部分地區（包括三分之二的陸地地區）將會變濕且降水變率增強（藍色區域）；同時還有其他地區則會面臨變幹且降水變率增強（綠色區域）、變濕且降水變率減弱（紅色區域）、變幹且降水變率減弱的情況（棕色區域）。
氣候變暖背景下全球降水的變化類型，大部分地球由藍色主導，即總降水增多、降水變率增強（漢化自引文1）
研究還指出，全球每增溫1℃，全球平均的降水變率將增加約5%，這一速率約為平均降水變化的2倍。
降水為何「情緒波動」大？
我們知道，降雨是由上升的空氣把水汽帶到高空、水汽因溫度下降液化成雲滴雨滴而形成的，空氣的運動（大氣環流）和大氣中的水汽含量是決定降水變化的兩個主要因素。
該研究指出，在未來全球變暖的背景下，大氣水汽含量增加，有更多的水汽可以支撐極端降水的發生，因而降水的變率將會增強；與此同時，水汽和環流之間的相互作用也會加強降水變率，例如，更多的水汽在凝結時將釋放更多的潛熱，這些能量將進一步加強上升運動，在這種正反饋機制下，降水變率進一步增強。如果我們僅僅考慮水汽的變化，未來降水變率將在全球較為均勻地增強，但由於增暖背景下大氣環流的變率將減弱，在水汽和環流的共同影響下，最終全球降水將呈現如上圖所示的4種變化型。
降水總量和變率變化的不同組合，將在不同地區造成不同類型的水文、農業和生態影響。例如，在降水總量和變率均增大的地區，整體而言雨水充沛，但易發生極端降水和洪澇事件，給水利系統帶來更大的考驗。而生活在降水總量減少但變率增大地區的人們，可能同時面臨淡水資源短缺和更頻繁的極端洪澇和幹旱事件。降水總量增多同時變率減弱可能是我們最喜聞樂見的一種變化型，這意味著未來的雨水不僅豐盈，還會以一種「潤物細無聲」的方式滋養著大地，遺憾的是，全球幾乎沒有地區屬於這一類變化型。 ；
值得注意的是，我國大部分地區的降水變化型式屬於「更濕潤且波動更大」，意味著降水的極端性將增強，須引起我們的廣泛重視。
總而言之，未來的地球不缺降水，但大氣中更多的水汽會經曆更大的「情緒波動」，勢必帶來更加劇烈的幹濕對比和洪澇災害，這與近二十年來我們所經曆的幹旱與洪澇事件均頻繁發生的事實是一致的。在增暖背景下，降水變率的變化將影響社會和生態系統的氣候恢複力，也對氣候變化的應對工作提出了新的挑戰。
未來已來，做出改變為時不晚
2021年8月9日北京時間16：00，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）舉行新聞發布會，正式發布了IPCC第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學基礎》。
報告指出，人類活動引起的氣候變化正在影響全球每個地區的極端天氣和氣候，持續的全球變暖將進一步加強全球水循環，包括其變率、全球季風降水和幹濕事件的嚴重程度。整個氣候系統近期變化的規模，和目前氣候系統許多方面的狀況，在過去幾個世紀乃至幾千年裏都前所未有，且在未來幾個世紀到幾千年裏都是不可逆的。
電影《流浪地球》中有這樣一段台詞：「最初，沒有人在意這場災難，這不過是一場山火，一次旱災，一個物種滅絕，一座城市的消失，直到這場災難與我們每個人都息息相關……」無論你是否在意，未來已來，地球已發出警告，變化正在發生——
「The bad news is dangerous climate change has arrived。 ；
The good news is we can prevent it from getting worse。」 ；
減少使用一次性餐具、循環使用辦公用紙、充分利用購物袋等塑料制品、低碳出行……這些話題看似老生常談，但如果我們每個人都能認識到地球正在發生的變化，從自身開始做出改變，每個人看似微不足道的努力，匯集起來將是數十億人類的力量。「種一棵樹最好的時間是十年前，其次就是現在」，尊重事實，做出改變，為時不晚。
圖片來源：veer圖庫
參考文獻：
<1>Zhang Wenxia， Kalli Furtado， Peili Wu， Tianjun Zhou*， Robin Chadwick， Charline Marzin， John Rostron， David Sexton。
2021。
Increasing precipitation variability on daily-to-multiyear timescales in a warmer world。
Science Advances。
DOI： 10.1126/sciadv.abf8021。
<2>Pendergrass， A。
G。， & Knutti， R。
（2018）。
The uneven nature of daily precipitation and its change。
Geophysical Research Letters， 45， 11，980– 11，988。
https：//doi.org/10.1029/2018GL080298
<3>Kahraman， A。， Kendon， E。
J。， Chan， S。， & Fowler， H。
J。
（2021）。
Quasi‐stationary intense rainstorms spread across Europe under climate change。
Geophysical Research Letters， e2020GL092361。
作者單位：
張文霞 中國科學院大氣物理研究所
趙 寅 中國氣象科學研究院
