这雨为何一直在下，越下越大？
原文作者：Alexandra Witze
从大西洋飓风到印度季风，风暴越来越疯狂，越来越任性。
2018年9月13日，当飓风佛罗伦萨（Hurricane Florence）的中心还远在北卡罗来纳州海岸数百公里开外时，倾盆大雨已经打起了头阵。随着飓风一步步逼近陆地，当地官员要求150万人撤离，并发出“危及生命”的危害预警。9月15日，佛罗伦萨终于“袭击”美国本土，强度减弱的同时，也带来更大的降雨。部分地区的暴风骤雨持续了整整四天。
2017年的飓风哈维（Hurricane Harvey）创造了降雨记录。
来源：Jonathan Bachman/Reuters
佛罗伦萨创造了破纪录的降雨量（北卡罗来纳州伊丽莎白镇的降雨量将近1米），多地遭受严重的洪涝灾害。数十人死亡，造成的经济损失达到几百亿美元。即便是几个月后，这些地区也尚未从灾害中完全恢复过来。
然而，佛罗伦萨把蓬勃发展的地区“拉下水”的故事，我们或许还会看到更多。气候学家预计，随着全球气温上升，极端风暴将导致更多降雨。大气越温暖，能够锁住的水分越多，风暴也就更潮湿。在飓风佛罗伦萨登陆之前，纽约石溪大学的一支团队就预测，因为气候变暖，这场飓风导致的最严重的降雨，其降雨量比气候没有变暖的情况至少增加50%。
极端降雨——连同洪水、山体滑坡和其它连带灾害——是全球最致命的气候事件。去年，印度喀拉拉邦的暴雨造成470多人死亡，日本西南部的洪水导致200多人死亡。在美国，洪水、强风暴和热带气旋占11场自然灾害中的9场，到文章发表为止已经造成超过10亿美元的经济损失。然而，由于科学家无法在计算机模型中轻易模拟这些风暴，预测未来的灾难性降雨会如何变化一直是一件极为困难的事。
目前，许多研究团队在理解全球极端降水未来走势方面，都取得了进展。这得益于高分辨率的模型，能够对风暴的演变进行深入分析。
一些复杂的预测表明，随着全球变暖，更多的降雨将来自大型间歇性风暴，而非那种能够利于维持作物生长的温和型降雨。其它研究显示，雷暴的产生方式可能发生根本性改变，导致更大更强的风暴，这可能意味着，洪水灾害会更加频繁。
如果温室气体持续排放，那么未来的情况，从飓风佛罗伦萨、印度灾害以及其它灾难性的降雨中，便可略见一斑了。科罗拉多博尔德市国家空气研究中心（NCAR）的大气学家Angeline Pendergrass说：“所有迹象都表明，未来20年会比过去20年更糟糕。而且，如果我们继续现在的行径，到这个世纪末，一切就完了。”
湿润的空气
在喀拉拉邦，一切都始于潮湿的6月和7月，接下来的8月情况愈发严重：前20天降雨比往年多了164%。在整个邦，由于湿地崩塌，山体滑坡席卷城镇，楼房倒塌严重。超过100万人逃离了自己的家园。
天气或许还不是这起灾难里的唯一问题。有人批评当地官员未能及时处理水坝背后的积水。但这场洪水追根溯源，可以追溯到夏季季风期间比往年更严重的风暴。
去年，印度喀拉拉邦的洪灾导致数百人失去生命。
来源: AFP/Getty
而且很明显，这些风暴比以前承载着更多的水分。空气中的水分随温度而变化：空气每升温一度，可以多容纳大约7%的水分。政府间气候变化专门委员会得到的结论是，由于人为导致的气候变暖，全世界许多地区的降水量已经在增加。
“这是很简单的物理学原理，”北卡罗来纳州立大学的大气学家Kenneth Kunkel说，“大型风暴导致的降水量受到空气中水汽含量的限制。而随着我们增加了空气中的水汽，极端降水事件中的降雨量也就增大了。”
不过，降水比这复杂的多。雷暴实质上是一个向上移动的风塔，通过吸入周围的暖空气来“喂养”自己。当空气升得足够高时，它会冷却并凝结成雨。风暴能够生成自己的气象，例如在地面附近产生冷空气池，从而引发更多的对流。气候变化会放大这些影响，导致上升气流越来越强，范围越来越广。上升气流从周边吸入更多的暖空气，降水也就随之增多。
飓风哈维就是这样的情况。2017年8月，飓风哈维袭击美国，给休斯顿和得克萨斯南部造成了1250亿美元的经济损失，是美国历史上降雨最强的一次风暴。三项独立研究表明，哈维之所以能够带来如此强的降雨，不仅仅是空气中的水汽含量增加的缘故，更因为气候变暖使空气湿度增加。
目前，Pendergrass正在NCAR研究各种全球气候模型，以确定这可能对未来的极端天气事件意味着什么——尤其是，极端天气事件可能发生的地方。她分析了气候变化如何改变大气中热量和能量的流动，进而改变降水在全球的分布。
2017年，她和同事就三次计算机模拟做了报告。他们在报告中指出，如果在本世纪剩余时间内，气温持续上升，那么几乎所有陆地区域的降水都会更加“任性”。换句话说，天气会更疯狂，在几乎所有大陆，潮湿时期和干燥时期的转换将失去规律。
眼下，Pendergrass正在深入研究降水的不均匀性，也就是微风细雨和狂风暴雨之间的区别。她和瑞士苏黎世联邦理工学院的大气学家Reto Knutti一道，分析了1999年到2014年间的全球降水记录。在所研究的所有地区中，12天是达到全年一半降水量的天数中位数。“极端天气对总降水量的影响非常大，超乎我的很多同事的想象。”Pendergrass说。
在利用气候模型分析未来时，研究人员发现，这种不均匀性会加剧。如果温室气体排放速度不减，那么额外降雨量中的一半都将在一年中最潮湿的6天内发生。
这就意味着会有更多洪水——以及随之而来的危险（参见“大雨”）。Pendergrass和科罗拉多州丹佛市的水资源管理人员进行了交谈，他们想知道需要怎样巩固堤坝来防止将来的洪水。
Pendergrass说，其它地区也应当准备起来。她18年10月在《地球物理学研究快报》（Geophysical Research Letters）上撰文表示：“整个社会需要采取措施来应对大多数情况下的小变化，以及一些带来较多降雨的天气事件，而不是一味假设以后降雨会更多。”
来源：E. M. Fischer & R. Knutti Nature Clim. Change 5, 560–564 (2015).
另一组模拟强调了社会应如何应对潮湿与干燥之间的波动。这项工作由当时在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的大气学家Zachary Zobel领导，他采用一个通常用于测算每100公里气候情况的全球气候模型，将其分辨率提高到了12公里。“你需要尽可能高的空间分辨率。”Zobel说。他现在在马萨诸塞州的伍兹霍尔研究中心工作。
在分辨率为12公里的情况下，这一模型可以揭示大气中对模拟风暴很重要的小尺度现象。不过，因为Zobel的模型需要大量计算能力，所以团队只研究了美国大陆，未能覆盖全球。即便是使用超级计算机，该模型也需要大半年的时间才能完成计算。最后，研究人员详细了解到如果温室气体排放量在2094年之前持续保持在高位的话，美国大陆不同地区的温度和降水量将会受到怎样的影响。
繁荣或萧条
科学家发现，美国大多数地区的极端降水事件都会增加。他们还发现，未来的气候模式会出现一些较大变化，例如由西向东的喷射气流位置会改变，而这一气流控制着美国中部大部分地区的天气。
之所以出现这种变化，是因为北极目前的变暖速度快于中纬度地区，导致两个地区之间的温差减小。在模拟中，向北的喷射气流从墨西哥湾带来了温暖潮湿的空气。结果是，在主产玉米和小麦等作物的中西部各州，每年春天的播种季节可能出现更严重的风暴。模型还显示，干燥期也会变长。
这项研究刊登在了18年10月的《地球的未来》（Earth's Future）中。Zobel说：“这种降水模式导致的结果就是，要么繁荣，要么萧条。如此，农民在种植的时候就更难办了。”
2002年，呼啸的夏季暴雨席卷了整个欧洲中部，Andreas Prein觉得那时候未来就已经到了。当时的他在奥地利军队服役，他所在的部队被派遣到奥地利北部洪水地区救灾。在那里，小溪变成了洪流，造成的经济损失高达30亿欧元（约合34亿美元）。“看到小溪能造成那样大的破坏，太让我震惊了，”Prein说，“简直难以置信。”
现在，Prien是NCAR的大气学家，也是新型高分辨率气候模型的领导者。这项研究的分辨率比Zobel的更高，旨在模拟未来的气候。其计算精度精确到4公里及以内——因为计算能力要求非常高，所以只能对相对较小区域进行研究。
4公里至关重要，因为它是个别风暴演变并通过对流强化自身的维度。该领域被称为允许对流的气候建模，研究人员能够更逼真地模拟风暴。这些计算类似天气预报员预测风暴第二天第三天如何发展。“但我们想要模拟的是几十年甚至几个世纪，”Prein说，“它基本上是复制天气预报员的工作，只不过时间跨度长的多。”
英国的研究人员正在进行一项工作，他们在2.2公里的分辨率下进行了欧洲范围内的气候模拟，并发现了一些关于未来风暴的预警信号。研究团队成员、英国气象局的气候学家Elizabeth Kendon说：“目前在欧洲大部分地区，极端天气主要出现在夏季。”在模拟的全球变暖过程中，夏季暴雨会更强，极端天气还会出现在夏季之后。这意味着，政府官员可能需要做更多准备，应对冬季风暴带来的洪水。
飓风是另一个主要问题。加州劳伦斯伯克利国家实验室的Christina Patricola和Michael Wehner使用允许对流的模型研究了2005年的卡特里娜飓风和2017年的艾尔玛及玛利亚飓风。他们发现，气候变化使这些风暴中的降雨增加了9%，而未来的全球变暖，几乎肯定会导致此类飓风中的降雨更极端。
目前，NCAR运行的最大的允许对流的模拟之一，其分辨率为4公里，覆盖美国大陆。它实际上是两套模拟，一套模拟过去，一套模拟未来。前一套模拟的是2000年10月至2013年9月的全球气候，用以测试该模型如何准确地模拟那些年发生的事情。“我们做的就是天气预报，只不过连续做了13年。”Prein说。
第二套模拟研究本世纪末的类似时期，纳入了如果社会持续高速排放温室气体则可能出现的因素。
通过比较两套模拟结果，科学家可以梳理出温室气体水平增加可能带来的影响。由于模拟的分辨率很高，他们还能捕捉到未来个别风暴形成和演变的方式。
许多模型研究发现，到本世纪末，美国强雷暴发生的频率将增加两倍以上，其最大降水量将增加15-40%。风暴范围也会更广，几乎是受大雨侵袭地区的两倍。这将带来很大的洪水隐患。“当大型雷暴经过一个城市区域时，雷暴是覆盖城市中心区的一半还是全部，这会产生很大的不同。”
Prein和他在NCAR的同事正在筹备第二套模拟试验，希望在未来几个月开始运行。这套模拟将向北延伸到加拿大，目的是研究经常在美国中西部上方掠过的强雷暴未来是否会进入加拿大。这项工作将覆盖未来20年（不是13年），科学家们希望这样能够让他们捕捉到不断变化的天气模式的长期趋势。
无论将来会出现什么，几乎可以肯定的是，我们很难不注意它。在一个阳光明媚的早晨，Pendergrass坐在NCAR的办公室里，她的电脑模拟展示了未来可能潜伏的极端降水类型，她指着一个数字说：“我们现在所见到的，只是将来的冰山一角，而这座冰山，太可怕了。”
原文以Why extreme rains are gaining strength as the climate warms为标题
发布在2018年11月20日《自然》新闻特写上
ⓝ
Nature|doi:10.1038/d41586-018-07447-1
版权声明：
本文由施普林格·自然上海办公室负责翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。欢迎转发至朋友圈，如需转载，请邮件Chinapress@nature.com。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
© 2018 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All Rights Reserved
编辑：雾里熊
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 女生冬天穿那么少不冷吗？我找了个男生试了下......
2. 严肃科普：如何区分奥特曼
3. 人类花百年规划设计的铁路网，这些无脑生物26小时就搞定了
5. 一幅图读懂量子力学（Ⅳ）
6. Physics World 评选出2018年度十大科学突破
相关内容
微信扫码咨询专知VIP会员