“一天下完一年的雨”,这事儿未来可能更频繁

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“一天下完一年的雨”,这事儿未来可能更频繁

3周前 · 大众科普

近日,南方多地遭受持续性较强降水天气过程。广东、福建、广西等地部分地区出现了中到大雨,局地暴雨或大暴雨。

(以上图片来源于央广网)

(以上图片来源于桂林晚报)

在关注灾情的同时,我们也听到了一些灾区群众的疑惑“太奇怪了”“从来没下过这么大雨”,比如:

在体感上,我们无疑会感觉到异常降水频率的增多,但事实果真如此吗?我们可以从哪些尺度上衡量降水是否异常?

首先,从“变率”说起

有关极端天气的报道并不罕见,如此看来,每年都发生的极端天气,也太不“极端”了吧?

想要解决这个问题,我们先从天气气候的“变率”说起。

变率,是指天气或气候可能的波动或振荡范围,通常可以用标准差来表示,而降水变率,就是用以表示降水量波动程度的统计量。例如,昨天下雨了但今天没下,这便是降水在天气尺度上的变率;厄尔尼诺次年夏季长江中下游易发生洪涝,降雨比常年偏多,即为降水在年际尺度上的变率。变率与极端事件密切相关,变率越大,通常意味着极端事件的强度越强。

大家在新闻媒体上看到的“N 年一遇”类表述,在气候学上的学名叫“重现期”(return period),这是一个统计学概念,可以认为是事件发生概率的倒数。

通常而言,强度越强的极端事件,其发生概率越低,重现期也就越长。天气气候变率越大,强极端事件发生频率越高。

未来降雨:不患寡而患不均

一天下完一年的雨,很多人想象一下会觉得难以置信,但这种情况不但有可能,而且会越来越频繁——

因为降水变率正在增强。

2021 年 7 月河南强降水过程的显著特点是短时降雨强、降雨极端性突出。当时郑州局地 3 小时最大降雨量达 333mm,超过其年平均总降雨量的一半,二七区侯寨气象站日降雨量 692.2mm,超过郑州年平均降水总量。

无论是“3 小时下完全年一半的雨”,还是“一天下完一年的雨”,背后反映的都是降雨在天气尺度上的变率增强,即降雨在时间上的不均匀性。

为什么要关注天气尺度上的降水变率呢?因为无论是连续性的或对流性的降水,都直接和天气尺度的天气系统相联系。就算是大范围较长时间的降水也是由一次次天气尺度系统所形成,或为一次天气尺度系统长期停滞所形成。因此天气尺度系统是分析预报降水首先要关心的。

很显然,同样是 641mm 的全年总降水(郑州),在 365 天里均匀地下完,和集中在几小时内一股脑儿地倾盆而下,二者的致灾性差之千里。令人担忧的是,美国科学家们利用气候变化模型研究发现,如果我们在未来采取一种无政策干预的高温室气体排放情景(RCP8.5,该情景下总辐射强迫在 2100 年达到 8.5W m-2),至本世纪末(2085~2100 年),全球增加的降水会有一半集中在 6 天之内下完。

无独有偶,另一项针对欧洲暴雨的研究发现,在气候变暖的背景下,带来狂风暴雨的对流系统的移动速度将会减缓,这意味着风暴在某地的滞留时间增长,进而造成局地的强降水和洪涝灾害,2021 年夏季德国的洪涝灾害就是一个典型的例子。

图片来源:veer 图库

全球变暖的背景下,降水变率在天气尺度上的增加意味着天气的波动范围更大,那么,除了天气尺度变率的变化,其他尺度的降水变率又将如何变化呢?

中国科学院大气物理研究所的张文霞副研究员在一项发表于Science Advances 的研究工作表明,随着气候增暖,全球湿润区(主要包括热带、大部分季风区、中高纬地区)在因总降水量增多而变得更湿润的同时,降水变率也将增加。

我们知道,相同气压下,大气能容纳的水汽总量和气温密切相关,更暖的大气可以“包容”更多的水汽。随着全球变暖,气温逐渐上升,大气也将变得越来越湿润,有更多的水汽可以转化为降水,因而未来地球上的总降水将会变得更加“丰盈”。

但与此同时,降水在时间上的分配也将变得更为不均匀,从天气到年际的多时间尺度上,降水的变率都将随着增暖幅度的增加而增加,这意味着降水在干湿时期间的波动将更为剧烈,未来地球将面临着更加频繁的旱涝灾害。

从下图中我们可以看到,未来降水会呈现出四种可能的变化:地球上绝大部分地区(包括三分之二的陆地地区)将会变湿且降水变率增强(蓝色区域);同时还有其他地区则会面临变干且降水变率增强(绿色区域)、变湿且降水变率减弱(红色区域)、变干且降水变率减弱的情况(棕色区域)。

气候变暖背景下全球降水的变化类型,大部分地区由蓝色主导,即总降水增多、降水变率增强(汉化自引文 1)

研究还指出,全球每增温 1℃,全球平均的降水变率将增加约 5%,这一速率约为平均降水变化的 2 倍。

降水为何“情绪波动”大?

我们知道,降雨是由上升的空气把水汽带到高空、水汽因温度下降液化成雨滴而形成的,空气的运动(大气环流)和大气中的水汽含量是决定降水变化的两个主要因素。

该研究指出,在未来全球变暖的背景下,大气水汽含量增加,有更多的水汽可以支撑极端降水的发生,因而降水的变率将会增强;与此同时,水汽和环流之间的相互作用也会加强降水变率,例如,更多的水汽在凝结时将释放更多的潜热,这些能量将进一步加强上升运动,在这种正反馈机制下,降水变率进一步增强。

如果我们仅仅考虑水汽的变化,未来降水变率将在全球较为均匀地增强,但由于增暖背景下大气环流的变率将减弱,在水汽和环流的共同影响下,最终全球降水将呈现如上图所示的4种变化型。

降水总量和变率变化的不同组合,将在不同地区造成不同类型的水文、农业和生态影响。例如,在降水总量和变率均增大的地区,整体而言雨水充沛,但易发生极端降水和洪涝事件,给水利系统带来更大的考验。

而生活在降水总量减少但变率增大地区的人们,可能同时面临淡水资源短缺和更频繁的极端洪涝和干旱事件。降水总量增多同时变率减弱可能是我们最喜闻乐见的一种变化型,这意味着未来的雨水不仅丰盈,还会以一种“润物细无声”的方式滋养着大地,遗憾的是,全球几乎没有地区属于这一类变化型。

值得注意的是,我国大部分地区的降水变化型式属于“更湿润且波动更大”,意味着降水的极端性将增强,须引起我们的广泛重视。

总而言之,未来的地球不缺降水,但大气中更多的水汽会经历更大的“情绪波动”,势必带来更加剧烈的干湿对比和洪涝灾害,这与近二十年来我们所经历的干旱与洪涝事件均频繁发生的事实是一致的。在增暖背景下,降水变率的变化将影响社会和生态系统的气候恢复力,也对气候变化的应对工作提出了新的挑战。

未来已来,做出改变为时不晚

在 2021 年发布的 IPCC 第六次评估报告第一工作组报告《气候变化 2021:自然科学基础》中指出,人类活动引起的气候变化正在影响全球每个地区的极端天气和气候,持续的全球变暖将进一步加强全球水循环,包括其变率、全球季风降水和干湿事件的严重程度。

整个气候系统近期变化的规模,和目前气候系统许多方面的状况,在过去几个世纪乃至几千年里都前所未有,且在未来几个世纪到几千年里都是不可逆的。

电影《流浪地球》中有这样一段台词:“最初,没有人在意这场灾难,这不过是一场山火,一次旱灾,一个物种灭绝,一座城市的消失,直到这场灾难与我们每个人都息息相关……”无论你是否在意,未来已来,地球已发出警告,变化正在发生——

减少使用一次性餐具、循环使用办公用纸、充分利用购物袋等塑料制品、低碳出行……这些话题看似老生常谈,但如果我们每个人都能认识到地球正在发生的变化,从自身开始做出改变,每个人看似微不足道的努力,汇集起来将是数十亿人类的力量。“种一棵树最好的时间是十年前,其次就是现在”,尊重事实,做出改变,为时不晚。

参考文献

[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.

策划制作

来源丨科学大院(ID:kexuedayuan)

作者丨张文霞 中国科学院大气物理研究所

赵寅 中国气象科学研究所

责编丨何通

审校丨徐来、林林

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