关注极端天气，别让地球去『流浪』

2021-12-16本刊综合

发明与创新 2021年46期

关键词：降水暴雨天气

◆ 本刊综合

策划人语：

极端天气是困扰人类社会发展的自然灾害之一。我国地处副热带和温带大陆东岸季风气候区，夏季雨水丰沛，海陆影响显著。2021年，受南海夏季风、印度季风和东亚季风的影响，我国东部雨季呈阶段性和转折性变化特征，导致南北方降水极不稳定。

2021年7月20日，河南省多地出现了历史罕见的特大暴雨极端天气，其中大部分地区累计降水量超过500毫米。在这次特大暴雨过程中，郑州等19个国家气象站日降水量均突破了建站以来的历史极值，此次降雨过程累计雨量多、降雨强度大，极端性非常突出。

2021年8月11—12日，湖北省多地遭受短时强降雨袭击。其中襄阳宜城市最大降水量达484毫米，系当地有气象记录以来的最大值，宜城市共有44座水库超汛限。湖北省气象局将重大气象灾害应急响应提升为Ⅲ级。

2021年10月2—7日，暴雨突袭山西省多个县市，18个县市降水量超过200毫米，累计降水量最大为285.2毫米。其中降水量以及累计降水量均超过同期历史极值。

从河南到山西，我国北方地区接连出现汛情，多地降水量突破极值，而南方地区持续受副热带高压影响，较往年降水量少，出现持续高温天气，东部季风区则呈“北涝南旱”的状态。除此之外，全球范围的各种极端气候灾害事件频繁上演。

极端天气为何越来越常见？“南旱北涝”与“南涝北旱”是否有迹可循？暴雨预报预警到底难在哪里？让我们共同关注与每个地球人都息息相关的天气变化。

——方郁芝秦银银

极端天气为何越来越常见

图1 1961—2021年夏季全国平均气温（℃）历年变化（图/国家气候中心）

全球每年有超过500万人的死亡与气候变化导致的异常寒冷或炎热天气有关，全球每年有9.4%的死亡人口可归因于“非适宜”的温度。随着全球变暖的加剧，这一趋势可能进一步恶化。

世界气象组织数据显示，2020年全球平均气温较1850至1900年期间高出1.2摄氏度。气温每升高1摄氏度，大气中的水分就会增加7%，进而导致更多暴雨天气的形成，而水分蒸发流失的地区将变得更加干燥。加之热带风暴成为更高级别飓风的几率每十年增加8%，被野火烧毁的森林面积也会翻倍。

据国家气候中心研究，1951年以来我国平均温度和极端温度都呈显著升高的趋势，强度更强、更加频繁、持续时间更长。然而，任何极端天气事件的发生是许多因素共同驱动的结果。

世界气象组织为此做出解释——近期北半球的天气受到急流影响，当大气中的暖空气团和冷空气团相遇时就会形成急流，急流变慢时会变成波浪状，暖空气被带到北方，冷空气被带到南方，在一段时间内形成阻断模式，分别导致热浪或洪水的发生。

德国观察发布的《全球气候风险指数2020》显示，在过去20年中，全球近50万例死亡与1.2万余起极端天气事件相关，经济损失总计约3.54万亿美元。极端异常气候带来的是全球水资源、生态系统、粮食安全、社会经济系统等多层次、全方面的冲击。“几十年一遇”甚至“百年一遇”的极端天气，正变得越来越常见。

气候变化将对人类的生活产生巨大影响。受全球变暖影响，北极地区气候变暖的速度是全球其他地区的两倍。2020年，北极海冰覆盖范围达到史上第二低值，作为地球的“空调”，冰川消融的影响更是全球性的。

联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告指出，20世纪50年代以来，人类活动导致了一半以上的全球变暖。人类活动排放的二氧化碳等温室气体，极有可能是造成全球变暖的主因。绝大多数科学家认为，降低进一步温度波动风险的最简单方法就是减少化石燃料的使用，并停止森林砍伐。

2016年正式实施的《巴黎协定》成为继《京都议定书》后第二份有法律约束力的全球气候协议，为2020年后全球应对气候变化行动作出了安排。其长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

应对气候变化是全人类的共同事业，摆脱全球气候变化影响更是道阻且长。而要提高全社会气候韧性，减缓未来气候变化，减排是治本之策。

“南旱北涝”与“南涝北旱”是否有迹可循

图2 7月26日，受连日持续降雨影响，南水北调中线水源地丹江口水库今年首次开闸泄洪（图/新华社）

2020年，我国长江流域发生了1998年以来最严重的汛情，降水量一跃成为1961年以来同期降水量最多的年份。近30年来长江流域和东北-华北两地的降水格局交替性重现。2019年9月，发表在《自然·通讯》杂志上的一篇论文提出：1万年来，我国东北地区存在500年准周期的降水变化，这一变化还影响了该地区的人口和文化变迁。

图3 2021年6月1日至8月31日云黔川渝气象干旱面积变化（图/国家气候中心）

研究通过对中国东北地区约一万年来玛珥湖年纹层花粉记录和考古遗址碳14概率密度的分析，发现花粉记录的季风气候变化和碳14概率密度揭示的人类活动，都存在约500年周期变化，季风气候驱动的周期性暖湿、冷干与人类活动的强、弱以及史前文化的盛衰变化几乎同步。

在东北地区史前六个文化繁盛期中，除了红山文化对应了千年尺度的中全新世适宜期外，其他都明确地对应着500年周期的暖湿期。研究认为，叠加在全新世气候变化背景上的500年周期，深刻影响了东北亚地区史前文化的演替和发展，气候变化的500年周期与太阳活动引发的厄尔尼诺——南方涛动的频率变化关系密切。

这些发现不仅揭示了史前人类活动、文化演替与周期性自然气候变化之间存在密切关系，且进一步表明，在东亚季风区，温暖湿润的自然气候更有利于史前人类文化、文明的繁盛发展。

探寻季风变化规律

为了验证东北地区500年周期研究的可重复性和普遍性，科研人员检索了大量的文献数据库，不仅在东北、黄海，还在南方的长江流域发现了500年准周期降水的地质记录。经进一步对比后发现，长江流域和东北地区的500年周期在相位上并不同步。

近半个世纪以来，我国东部季风区降水正在经历由“北涝南旱”过渡到“南涝北旱”的气候状态。然而，现今我国季风区降水的演化格局是在地质历史时期的长期演化下形成的。由于自然气候系统的复杂性和模拟预估的不确定性，以及人类器测温度记录也仅有不足百年的历史，因此要客观地认识百年来季风气候变化的过程和规律，需要从更长时间尺度的自然气候变化历史中去了解：近万年来的东亚季风变化，是否受到千、百年尺度自然周期影响？如今气候格局的演变，是否叠加了自然周期的气候过程？

我国南北降水变化不同步

我国地质与物理研究员分别在东北地区和长江流域地区选择了沉积连续、高精度定年和高分辨率的古气候记录：一条为东北玛珥湖年纹层花粉记录，另一条为长江中游地区洞穴石笋磁性矿物记录。通过分析这两条记录发现，东北地区和长江中游地区存在不同步的千、百年季风降水变化。

东北地区孢粉记录反映距今9260年以来东北地区温带落叶阔叶林的建群植物栎属花粉种类的变化，揭示出适应强夏季风降水的栎属植物存在千年尺度和500年准周期性变化。石笋磁性矿物记录揭示出距今8580年以来长江中游地区的季风降水变化，在千年尺度变化过程中，两个地区存在明显反向变化模式。而在500年周期相位上，长江中游地区较东北地区滞后。

结合最近几十年的观测记录和这项研究的结果，我国东部季风区南北方降水，在千年、百年、几十年再到年际尺度上似乎都不同步。但需要注意的是，我国南北方500年气候周期是叠加在全新世气候总体变化趋势上的。因此，年际尺度的气候变化必然也是逐一叠加在几十年、百年再到千年的气候过程中的。

厄尔尼诺南方涛动是幕后推手

如果把厄尔尼诺南方涛动比作一枚硬币，那么厄尔尼诺和拉尼娜就是硬币的正反面。在厄尔尼诺年，赤道东太平洋的海温异常升高，赤道西太平洋海温偏低，引起西太平洋副高控制的反气旋向南偏移，导致东亚季风显著偏弱，夏季降水集中在长江中下游地区，而我国东北和华北地区降水偏少。

图4 受厄尔尼诺现象的影响，印度遭受干旱，一农民坐在干涸的土地上

图5 2016年1月25日，智利太平洋岸比尼亚德尔马，巨浪拍击海岸

相反，在拉尼娜年，赤道西太平洋海温异常升高，赤道东太平洋海温偏低，导致了西太平洋副高控制的反气旋向北偏移，驱动东亚季风明显增强，夏季降水在我国东北和华北地区显著增加，而长江中下游流域降水又明显减少。也就是说，是厄尔尼诺南方涛动控制了季风雨带在我国季风区南北方的移动。

无论在什么时间尺度上，我国东部季风区南北方出现的降水差异现象，都可归因于年际尺度的厄尔尼诺或拉尼娜事件频率的增加。

根据我国东部季风区降水在年际到千年尺度上的过程和规律，在500年自然气候周期的背景趋势下，本世纪初东北和华北地区已经结束了大约200多年的季风降水增加的过程，未来将进入下一个200多年的季风降水减弱的过程。而长江中下游地区季风降水将开始逐渐增加，未来百年或将迎来更加丰沛的季风降水。

暴雨预报难在哪

暴雨事件在全球大气科学研究领域是热点也是难点。面对来势汹汹的暴雨，要详尽研究其发生原因仍需持久攻关，探究困扰全球气象界的暴雨预报难题是重中之重。我国的暴雨灾害遍及大江南北、城市乡村，既有大范围流域性洪涝，又有中小尺度局地暴雨造成的灾害，极端性暴雨天气也频频出现。暴雨预报预警机制显得尤为重要。

多年来，得益于日渐完善的气象观测系统、高分辨率数值模式预报系统的发展以及诸多先进科研成果的业务化应用，我国暴雨研究和预报不断取得进步。但在本质上，大气运动的混沌性决定了天气预报必然会有一定程度的误差，同时暴雨因其局地性、突发性和活动规律多变等特征，其形成机制迄今尚未被研究透彻，依然是全世界气象领域的一道难题。

利用数值天气预报模式产品，并结合预报员自身的知识经验是我国暴雨预报的主要手段。近年来，虽然数值天气预报模式分辨率逐步提升，但通常来说，极端事件发生概率非常小。研究发现，尽管有些极端暴雨出现时环流形势整体稳定、清晰，但受中小尺度对流系统的作用，其尺度波及范围较窄且生命周期较短，当前的数值预报模式很难将其准确清晰地表达出来。

图5 1961—2021年夏季我国平均降水量（毫米）历年变化（图/国家气候中心）

暴雨研究和预报一直是我国气象工作者的主攻难点之一。早在20世纪初期，我国科学家就开始致力于暴雨研究，经过近百年发展，我国在暴雨理论、暴雨分析和预报方面取得了重大进展。中国气象、水文部门从历史中空前大暴雨与大洪水事件中吸取经验教训，从全国层面加强对暴雨的研究，暴雨研究也逐步从天气尺度转向中尺度天气，暴雨预报由经验定性向定量化方向转变。

除了数值模式改进和研发客观预报方法外，专家预报员对暴雨预报能力的精准提升和服务同样关键。现阶段专家型预报员需要对暴雨形成过程具备敏锐的洞察力，从海量观测和预报信息中，分析预报关键影响系统及其与未来暴雨发生时间、地点和降水量的关联，及早发现天气系统预报偏差，凝练关键预报因子，借助各类现代化预报技术，最终形成对重大暴雨过程的正确预报意见。

面对暴雨这一科学难题，气象业务科研部门与大气科学研究专家学者将密切配合持续开展攻关。然而，提高人民群众科学素养，强化决策者的防灾、减灾意识和能力，深入了解暴雨预报如何做出、难度在哪儿、风险多大，才能更好地利用气象预报预警做好各项准备和安排。

我们赖以生存的这个星球，有风和日丽、月朗星稀，亦有惊涛骇浪，地动山摇。任何一个天气现象的形成都有其气象学的成因，如果将其中的每一个数值置于更广阔的变化周期，也不过是规律里的一粒尘埃，变化中的一个瞬间。

未来很长一段时间，人类或将面临更多、更大的极端天气的考验，保护地球家园，每一个地球人都义不容辞。