北京
本文转自：人民网-科普中国
在古代，人类对自然现象的理解有限，不明白刮风下雨等天气现象的原理，也没有掌握其发生规律。在那个科学知识匮乏的年代，我们的祖先发挥想象力，创造出有关“龙王”的神话故事，赋予“龙王”掌管降水的能力，想象洪涝和干旱等灾害是因为“神仙发威”降临人间，所以每逢气象灾害，人们就通过祈福仪式，以求减少灾害给人们带来的影响。
频繁的气候变化给各个地区带来严重的气象灾害影响，比如，2024年入夏以来，在中国的华南地区、长江流域地区发生特大暴雨，洞庭湖决堤，牵动着全国人民的心。8月份在甘肃、四川两地，也发生了多起泥石流灾害，这样的情况仿佛是“龙王”在“摸鱼”和“亢奋”之间来回摇摆，极端降水频频发生，很多地区“干湿转换”剧烈，处于“水深火热”之中。
7月21日，郑州市内，市民在转移物资。图片来源：新华社记者 朱祥 摄
那么，现代科学中的大气理论，又是怎么解释这种频繁发生的极端天气现象呢？近日，中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）张文霞副研究员等学者与英国气象局合作，在《科学》（Science）杂志发表题为“人类活动导致过去百年来全球降水变率增强”的研究论文，指出频繁而剧烈的“干湿转换”背后，其实是降水变率在变化，而造成这种变化的，正是我们人类自己。
“降水变率增强”意味着什么？
降水变率是指降水随时间的波动幅度，常以标准差衡量，包括年降水量、月降水量、日降水量的波动幅度。
降水变率的强弱变化反映了一个地区降水的稳定性或波动性。降水变率越强，降水在时间上的分布越不均匀，水资源供给越不稳定，出现“湿期更湿、干期更干”的现象，“干湿转换”更加剧烈，一个地区可能在某个时期经历更长时间或者更强的极端干旱，而在随后一段时间内却遭遇异常多雨，这种多变性就是降水变率增加的体现。
降水变率的强弱变化直接影响到社会和生态系统的气候可恢复力（Climate Resilience），是应对气候变化必须考虑的重要环节。比如，极端降水会造成城市内涝，毁坏城市基础设施。
尽管根据气候模式预估，全球降水变率将随着未来增温而增强，但人类活动是否已经改变了降水变率，目前尚无证据，对此，最新的研究给出了清晰的回答。
该研究利用所有可以公开获取的逐日降水观测资料，揭示了自1900年以来，在观测资料充足的地区，全球约75%的陆地上降水变率已经增强，特别是欧洲、澳大利亚和北美东部，增强趋势尤为显著，全球平均逐日降水变率增长速度为1.2%/10年。
2021年诺贝尔物理学奖获得者克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）提出最优指纹法，采用该方法进行检测归因研究后发现，降水变率的增强可归因于工业化以来，人类活动排放的温室气体的增加。
温室气体排放引起大气增温，大气增暖后持水能力增加，即大气中容纳的水汽含量增加，这就是经典的克劳修斯—克拉伯龙方程（Clausius–Clapeyron relation）。因此，当降水发生时，即使降水系统的动力条件不变，大气水汽含量的增加也会使降水强度更大，从而使降水变率增强。这个过程就是大气增温的热力效应。
另一方面，大气环流的变化也会影响降水变率，称为“动力作用”。需要强调的是，由于大气环流对全球增温的响应很复杂，且受到气候系统内部变率的重要影响，“动力作用”对降水变率的影响存在很强的年代际特征和区域差异。
如何应对“降水变率增强”？
这项研究通过严谨的观测分析、物理过程诊断和检测归因，为观测中降水变率的增强提供了全面的认识，指出了人类活动对于降水变率的影响，为多尺度水循环增强提供了重要的新证据。
极端事件之间剧烈和快速的转换印证了“极端事件复合性”这一新特征。这不仅对当前的气候预测系统提出了新的挑战，而且还将产生一系列社会和生态影响，包括水资源供给、社会和基础设施的气候恢复力、生态系统功能、陆地生态系统碳汇等。
未来，这种降水变率的变化和影响将在增暖背景下持续增强，而变暖状况是降水变率重要的影响因素。我国面临水资源压力和“旱涝”双重夹击，未来“龙王摆烂”带来的风险，将给我们的灾害风险管理、水资源调控带来新的挑战。因此，社会各界亟需加强风险应对和灾害防治能力，同时，公众也要提高风险意识，重视气象灾害预报预警，做到“防患于未然”。
作者：中国科学院大气物理研究所潘容筠、张文霞
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