原文作者：Alexandra Witze
從大西洋颶風(fēng)到印度季風(fēng)，風(fēng)暴越來越瘋狂，越來越任性。
2018年9月13日，當颶風(fēng)佛羅倫薩（Hurricane Florence）的中心還遠在北卡羅來納州海岸數(shù)百公里開外時，傾盆大雨已經(jīng)打起了頭陣。隨著颶風(fēng)一步步逼近陸地，當?shù)毓賳T要求150萬人撤離，并發(fā)出“危及生命”的危害預(yù)警。9月15日，佛羅倫薩終于“襲擊”美國本土，強度減弱的同時，也帶來更大的降雨。部分地區(qū)的暴風(fēng)驟雨持續(xù)了整整四天。
2017年的颶風(fēng)哈維（Hurricane Harvey）創(chuàng)造了降雨記錄。
來源：Jonathan Bachman/Reuters
佛羅倫薩創(chuàng)造了破紀錄的降雨量（北卡羅來納州伊麗莎白鎮(zhèn)的降雨量將近1米），多地遭受嚴重的洪澇災(zāi)害。數(shù)十人死亡，造成的經(jīng)濟損失達到幾百億美元。即便是幾個月后，這些地區(qū)也尚未從災(zāi)害中完全恢復(fù)過來。
然而，佛羅倫薩把蓬勃發(fā)展的地區(qū)“拉下水”的故事，我們或許還會看到更多。氣候?qū)W家預(yù)計，隨著全球氣溫上升，極端風(fēng)暴將導(dǎo)致更多降雨。大氣越溫暖，能夠鎖住的水分越多，風(fēng)暴也就更潮濕。在颶風(fēng)佛羅倫薩登陸之前，紐約石溪大學(xué)的一支團隊就預(yù)測，因為氣候變暖，這場颶風(fēng)導(dǎo)致的最嚴重的降雨，其降雨量比氣候沒有變暖的情況至少增加50%。
極端降雨——連同洪水、山體滑坡和其它連帶災(zāi)害——是全球最致命的氣候事件。去年，印度喀拉拉邦的暴雨造成470多人死亡，日本西南部的洪水導(dǎo)致200多人死亡。在美國，洪水、強風(fēng)暴和熱帶氣旋占11場自然災(zāi)害中的9場，到文章發(fā)表為止已經(jīng)造成超過10億美元的經(jīng)濟損失。然而，由于科學(xué)家無法在計算機模型中輕易模擬這些風(fēng)暴，預(yù)測未來的災(zāi)難性降雨會如何變化一直是一件極為困難的事。
目前，許多研究團隊在理解全球極端降水未來走勢方面，都取得了進展。這得益于高分辨率的模型，能夠?qū)︼L(fēng)暴的演變進行深入分析。
一些復(fù)雜的預(yù)測表明，隨著全球變暖，更多的降雨將來自大型間歇性風(fēng)暴，而非那種能夠利于維持作物生長的溫和型降雨。其它研究顯示，雷暴的產(chǎn)生方式可能發(fā)生根本性改變，導(dǎo)致更大更強的風(fēng)暴，這可能意味著，洪水災(zāi)害會更加頻繁。
如果溫室氣體持續(xù)排放，那么未來的情況，從颶風(fēng)佛羅倫薩、印度災(zāi)害以及其它災(zāi)難性的降雨中，便可略見一斑了?？屏_拉多博爾德市國家空氣研究中心（NCAR）的大氣學(xué)家Angeline Pendergrass說：“所有跡象都表明，未來20年會比過去20年更糟糕。而且，如果我們繼續(xù)現(xiàn)在的行徑，到這個世紀末，一切就完了?！?/span>
濕潤的空氣
在喀拉拉邦，一切都始于潮濕的6月和7月，接下來的8月情況愈發(fā)嚴重：前20天降雨比往年多了164%。在整個邦，由于濕地崩塌，山體滑坡席卷城鎮(zhèn)，樓房倒塌嚴重。超過100萬人逃離了自己的家園。
天氣或許還不是這起災(zāi)難里的唯一問題。有人批評當?shù)毓賳T未能及時處理水壩背后的積水。但這場洪水追根溯源，可以追溯到夏季季風(fēng)期間比往年更嚴重的風(fēng)暴。
去年，印度喀拉拉邦的洪災(zāi)導(dǎo)致數(shù)百人失去生命。
來源: AFP/Getty
而且很明顯，這些風(fēng)暴比以前承載著更多的水分?？諝庵械乃蛛S溫度而變化：空氣每升溫一度，可以多容納大約7%的水分。政府間氣候變化專門委員會得到的結(jié)論是，由于人為導(dǎo)致的氣候變暖，全世界許多地區(qū)的降水量已經(jīng)在增加。
“這是很簡單的物理學(xué)原理，”北卡羅來納州立大學(xué)的大氣學(xué)家Kenneth Kunkel說，“大型風(fēng)暴導(dǎo)致的降水量受到空氣中水汽含量的限制。而隨著我們增加了空氣中的水汽，極端降水事件中的降雨量也就增大了?！?/span>
不過，降水比這復(fù)雜的多。雷暴實質(zhì)上是一個向上移動的風(fēng)塔，通過吸入周圍的暖空氣來“喂養(yǎng)”自己。當空氣升得足夠高時，它會冷卻并凝結(jié)成雨。風(fēng)暴能夠生成自己的氣象，例如在地面附近產(chǎn)生冷空氣池，從而引發(fā)更多的對流。氣候變化會放大這些影響，導(dǎo)致上升氣流越來越強，范圍越來越廣。上升氣流從周邊吸入更多的暖空氣，降水也就隨之增多。
颶風(fēng)哈維就是這樣的情況。2017年8月，颶風(fēng)哈維襲擊美國，給休斯頓和得克薩斯南部造成了1250億美元的經(jīng)濟損失，是美國歷史上降雨最強的一次風(fēng)暴。三項獨立研究表明，哈維之所以能夠帶來如此強的降雨，不僅僅是空氣中的水汽含量增加的緣故，更因為氣候變暖使空氣濕度增加。
目前，Pendergrass正在NCAR研究各種全球氣候模型，以確定這可能對未來的極端天氣事件意味著什么——尤其是，極端天氣事件可能發(fā)生的地方。她分析了氣候變化如何改變大氣中熱量和能量的流動，進而改變降水在全球的分布。
2017年，她和同事就三次計算機模擬做了報告。他們在報告中指出，如果在本世紀剩余時間內(nèi)，氣溫持續(xù)上升，那么幾乎所有陸地區(qū)域的降水都會更加“任性”。換句話說，天氣會更瘋狂，在幾乎所有大陸，潮濕時期和干燥時期的轉(zhuǎn)換將失去規(guī)律。
眼下，Pendergrass正在深入研究降水的不均勻性，也就是微風(fēng)細雨和狂風(fēng)暴雨之間的區(qū)別。她和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的大氣學(xué)家Reto Knutti一道，分析了1999年到2014年間的全球降水記錄。在所研究的所有地區(qū)中，12天是達到全年一半降水量的天數(shù)中位數(shù)?！皹O端天氣對總降水量的影響非常大，超乎我的很多同事的想象?！盤endergrass說。
在利用氣候模型分析未來時，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種不均勻性會加劇。如果溫室氣體排放速度不減，那么額外降雨量中的一半都將在一年中最潮濕的6天內(nèi)發(fā)生。
這就意味著會有更多洪水——以及隨之而來的危險（參見“大雨”）。Pendergrass和科羅拉多州丹佛市的水資源管理人員進行了交談，他們想知道需要怎樣鞏固堤壩來防止將來的洪水。
Pendergrass說，其它地區(qū)也應(yīng)當準備起來。她18年10月在《地球物理學(xué)研究快報》（Geophysical Research Letters）上撰文表示：“整個社會需要采取措施來應(yīng)對大多數(shù)情況下的小變化，以及一些帶來較多降雨的天氣事件，而不是一味假設(shè)以后降雨會更多?！?/span>
來源：E. M. Fischer & R. Knutti Nature Clim. Change 5, 560–564 (2015).
另一組模擬強調(diào)了社會應(yīng)如何應(yīng)對潮濕與干燥之間的波動。這項工作由當時在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的大氣學(xué)家Zachary Zobel領(lǐng)導(dǎo)，他采用一個通常用于測算每100公里氣候情況的全球氣候模型，將其分辨率提高到了12公里?！澳阈枰M可能高的空間分辨率?！盳obel說。他現(xiàn)在在馬薩諸塞州的伍茲霍爾研究中心工作。
在分辨率為12公里的情況下，這一模型可以揭示大氣中對模擬風(fēng)暴很重要的小尺度現(xiàn)象。不過，因為Zobel的模型需要大量計算能力，所以團隊只研究了美國大陸，未能覆蓋全球。即便是使用超級計算機，該模型也需要大半年的時間才能完成計算。最后，研究人員詳細了解到如果溫室氣體排放量在2094年之前持續(xù)保持在高位的話，美國大陸不同地區(qū)的溫度和降水量將會受到怎樣的影響。
繁榮或蕭條
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，美國大多數(shù)地區(qū)的極端降水事件都會增加。他們還發(fā)現(xiàn)，未來的氣候模式會出現(xiàn)一些較大變化，例如由西向東的噴射氣流位置會改變，而這一氣流控制著美國中部大部分地區(qū)的天氣。
之所以出現(xiàn)這種變化，是因為北極目前的變暖速度快于中緯度地區(qū)，導(dǎo)致兩個地區(qū)之間的溫差減小。在模擬中，向北的噴射氣流從墨西哥灣帶來了溫暖潮濕的空氣。結(jié)果是，在主產(chǎn)玉米和小麥等作物的中西部各州，每年春天的播種季節(jié)可能出現(xiàn)更嚴重的風(fēng)暴。模型還顯示，干燥期也會變長。
這項研究刊登在了18年10月的《地球的未來》（Earth's Future）中。Zobel說：“這種降水模式導(dǎo)致的結(jié)果就是，要么繁榮，要么蕭條。如此，農(nóng)民在種植的時候就更難辦了?！?/span>
2002年，呼嘯的夏季暴雨席卷了整個歐洲中部，Andreas Prein覺得那時候未來就已經(jīng)到了。當時的他在奧地利軍隊服役，他所在的部隊被派遣到奧地利北部洪水地區(qū)救災(zāi)。在那里，小溪變成了洪流，造成的經(jīng)濟損失高達30億歐元（約合34億美元）。“看到小溪能造成那樣大的破壞，太讓我震驚了，”Prein說，“簡直難以置信?！?/span>
現(xiàn)在，Prien是NCAR的大氣學(xué)家，也是新型高分辨率氣候模型的領(lǐng)導(dǎo)者。這項研究的分辨率比Zobel的更高，旨在模擬未來的氣候。其計算精度精確到4公里及以內(nèi)——因為計算能力要求非常高，所以只能對相對較小區(qū)域進行研究。
4公里至關(guān)重要，因為它是個別風(fēng)暴演變并通過對流強化自身的維度。該領(lǐng)域被稱為允許對流的氣候建模，研究人員能夠更逼真地模擬風(fēng)暴。這些計算類似天氣預(yù)報員預(yù)測風(fēng)暴第二天第三天如何發(fā)展?！暗覀兿胍M的是幾十年甚至幾個世紀，”Prein說，“它基本上是復(fù)制天氣預(yù)報員的工作，只不過時間跨度長的多?！?/span>
英國的研究人員正在進行一項工作，他們在2.2公里的分辨率下進行了歐洲范圍內(nèi)的氣候模擬，并發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于未來風(fēng)暴的預(yù)警信號。研究團隊成員、英國氣象局的氣候?qū)W家Elizabeth Kendon說：“目前在歐洲大部分地區(qū)，極端天氣主要出現(xiàn)在夏季?！痹谀M的全球變暖過程中，夏季暴雨會更強，極端天氣還會出現(xiàn)在夏季之后。這意味著，政府官員可能需要做更多準備，應(yīng)對冬季風(fēng)暴帶來的洪水。
颶風(fēng)是另一個主要問題。加州勞倫斯伯克利國家實驗室的Christina Patricola和Michael Wehner使用允許對流的模型研究了2005年的卡特里娜颶風(fēng)和2017年的艾爾瑪及瑪利亞颶風(fēng)。他們發(fā)現(xiàn)，氣候變化使這些風(fēng)暴中的降雨增加了9%，而未來的全球變暖，幾乎肯定會導(dǎo)致此類颶風(fēng)中的降雨更極端。
目前，NCAR運行的最大的允許對流的模擬之一，其分辨率為4公里，覆蓋美國大陸。它實際上是兩套模擬，一套模擬過去，一套模擬未來。前一套模擬的是2000年10月至2013年9月的全球氣候，用以測試該模型如何準確地模擬那些年發(fā)生的事情?！拔覀冏龅木褪翘鞖忸A(yù)報，只不過連續(xù)做了13年。”Prein說。
第二套模擬研究本世紀末的類似時期，納入了如果社會持續(xù)高速排放溫室氣體則可能出現(xiàn)的因素。
通過比較兩套模擬結(jié)果，科學(xué)家可以梳理出溫室氣體水平增加可能帶來的影響。由于模擬的分辨率很高，他們還能捕捉到未來個別風(fēng)暴形成和演變的方式。
許多模型研究發(fā)現(xiàn)，到本世紀末，美國強雷暴發(fā)生的頻率將增加兩倍以上，其最大降水量將增加15-40%。風(fēng)暴范圍也會更廣，幾乎是受大雨侵襲地區(qū)的兩倍。這將帶來很大的洪水隱患?！爱敶笮屠妆┙?jīng)過一個城市區(qū)域時，雷暴是覆蓋城市中心區(qū)的一半還是全部，這會產(chǎn)生很大的不同?！?/span>
Prein和他在NCAR的同事正在籌備第二套模擬試驗，希望在未來幾個月開始運行。這套模擬將向北延伸到加拿大，目的是研究經(jīng)常在美國中西部上方掠過的強雷暴未來是否會進入加拿大。這項工作將覆蓋未來20年（不是13年），科學(xué)家們希望這樣能夠讓他們捕捉到不斷變化的天氣模式的長期趨勢。
無論將來會出現(xiàn)什么，幾乎可以肯定的是，我們很難不注意它。在一個陽光明媚的早晨，Pendergrass坐在NCAR的辦公室里，她的電腦模擬展示了未來可能潛伏的極端降水類型，她指著一個數(shù)字說：“我們現(xiàn)在所見到的，只是將來的冰山一角，而這座冰山，太可怕了?！?/span>
原文以Why extreme rains are gaining strength as the climate warms為標題
發(fā)布在2018年11月20日《自然》新聞特寫上
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Nature|doi:10.1038/d41586-018-07447-1
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