气候变暖背景下,全球降水越来越“任性”

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专家顾问:

中国工程院院士 丁一汇

中国科学院大气物理研究所副研究员 张文霞

中国科学院大气物理研究所研究员 周天军

国家气候中心气候服务室高级工程师 肖潺

今年以来,极端天气气候事件的“触角”伸向了全球多个地区,破纪录的暴雨、干旱等在世界各地频频“造访”,全球降水模式可能正在重新“洗牌”。

受季风雨季影响,孟加拉国博格拉地区遭遇洪涝灾害。图为9 月6 日,当地被洪水包围的房屋。图/新华网

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降水波动更加剧烈

当前,美国西部处于史上罕见的极度干旱之中,其最大的两座水库米德湖和鲍威尔湖的水位创下历史新低,有“西南部生命线”之称的科罗拉多河各个水库的蓄水量只有库容量的40%。

自7月开始,欧洲多地持续暴雨引发洪涝灾害,冲毁大量房屋和道路。在德国受灾最严重的西部地区,24小时降水量相当于以往年份两个月的平均降水量,造成百年一遇的洪水。日本静冈县和神奈川县等地普降大雨,从静冈县到神奈川县的大范围地区创下有记录以来降水量最高值。其中,九州地区72小时降水量创历史纪录,达832.5毫米。

此外,7月17日以来,中国河南出现持续性强降水天气,多地遭受暴雨、大暴雨甚至特大暴雨侵袭。其中,郑州1小时降水量达201.9毫米,超过了我国(未含港澳台数据)有气象记录以来小时雨强的极值。

气候变化正在加剧全球降水分布不平衡。全球增暖后,大气持水能力增加,全球水循环将持续增强。在全球尺度上,这表现为总降水量增加和降水极端性增强,某些地区极端降水事件可能提前发生。水循环的另一个重要特性是其波动性,但以往却鲜有关注。最新研究发现,全球每增温1℃,全球平均降水变率,也就是降水事件可能的波动或振荡范围将增加约5%,这一速率约为平均降水变化的2倍,由此造成的气候风险明显增加。

从全球尺度上来看,降水变化的总体空间格局呈现出“干者越干、湿者越湿”的变化趋势。从时间上看,在天气尺度到月、季节内和年际等各个时间尺度上,降水变率均将随全球增温而增加。从空间上看,全球湿润区(主要包括热带海洋、大部分季风区、中高纬地区)降水变率将会增加,约有三分之二的陆地将面临“更湿润且波动更大”的水文状况。

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主导降水波动的“无形之手”

气候变暖是如何让降水的波动幅度变得更大的呢?

降水的变化受两种过程控制,一是热力作用,即大气中的水汽状况;二是动力作用,即大气环流状况。

从降水的形成机理来看,水汽是形成降水的基本要素。随着地球变得越来越热,由海洋和陆面蒸发的水汽增加,这些水汽会在大气环流的作用下降落到局部地区形成降水,当与飑线、低涡、台风等天气系统相伴时则可能形成极端降水。

根据理论推断,全球每升温1℃,大气中可容纳的水汽含量约增加7%。卫星和探空观测数据显示,过去几十年来全球尺度上对流层大气水汽含量呈显著增加的长期趋势。根据气候模式预估,水汽将随着未来的增暖而增加,正是这些增加的水汽主导了更加剧烈的降水波动。

与大气水汽含量增加有关的热力作用尽管主导了降水变率的增加,但其作用在全球的空间分布上较为均匀。要判断降水变率的空间格局变化,也就是具体哪个区域的降水波动增强,还需要考虑大气环流和降水系统的影响,即动力作用。换句话说,降水变率局地和区域的变化在很大程度上取决于大气环流和降水系统的变化,而其中大气环流形势的变化则更为复杂,涉及各种时间尺度上的环流系统,比如厄尔尼诺-南方涛动、北大西洋涛动、季风等。

具体而言,不同时间尺度上的降水变率与特定的天气或环流系统有关。在为期几天的天气尺度上,降水变率增加意味着与冷涡、锋面活动、台风等有关的异常降水将更剧烈;在月至季节尺度上,这意味着与季风、梅雨等过程有关的降水波动将增强;在年际尺度上,这意味着与厄尔尼诺-南方涛动等过程有关的降水波动幅度将增大。

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与“任性”的降水共存

大气是一个高度复杂的混沌系统,牵一发而动全身,人类向大气中排放的每一份温室气体都可能变成扇动这个系统的“蝴蝶翅膀”,而暴雨等极端天气气候事件就是气候系统对此作出的反应,也是大自然传递给人类的“危险信号”。如果说人类文明是在茫茫大海中行驶的一叶扁舟,而天气气候是海上的波浪,那么现在这些波浪正变得越来越凶猛,这叶扁舟被越来越频发的惊涛骇浪剧烈地摇晃着。未来,与“任性”的降水波动共存或将成为一种常态。

“我国在因总降水量呈增多趋势而变得更为湿润的同时,降水的波动性也将显著增强,从而面临更湿润且波动更大的水文状况,导致降水的分配在时间上更不均匀、旱涝事件之间的波动更为剧烈。”张文霞说。

事实上,1961年以来,我国小雨日数减少了13%,暴雨日数增加了10%,大城市百年一遇的小时降水量重现期显著缩短。同时,区域性干旱正在不断加重。本世纪以来,中等以上干旱日数东北增加37%,华北增加16%,西南增加10%。

降水波动性增强有可能使得旱期更旱、涝期更涝,水资源分布更加不均,给农业生产等带来不利影响。这时,提升极端降水预报预测能力就变得尤为关键。

针对极端降水,目前国际上模式发展最前沿和极具挑战性的方向之一就是公里尺度的对流解析(又称“风暴解析”)模式模拟。与当前阶段大多数模式通过参数化方案来描述对流过程相比,这类模式有望实现极端降水模拟能力的跳跃式提升。

为了应对更剧烈的降水波动,从基础设施建设到水资源管理,从城市规划到重大工程建设,都需要将“气候恢复力”这个因素考虑进去。对于城市建设而言,由于大多数基础设施都是针对原来的气候条件修建的,因此需提升基础设施和生态系统应对极端天气气候的能力,比如强化城市水系的调蓄功能、增强排涝系统能力、加强防洪工程体系建设等,并加强其气候恢复力(即灾后恢复能力)建设。

“不可回避的是,全球持续变暖将进一步加剧全球水循环,包括其变率、全球季风降水以及干湿事件的强度。应对气候变化,在关注极端降水的同时,也要关注降水变率的变化。”周天军说。

在未来很长一段时间内,全球降水波动将变得更加剧烈,原来发生概率偏低的极端降水事件在一些地区将可能提前发生。如果各国不加速减排,尽早实现碳中和目标,那么人类文明这只在海上漂浮的小船可能就像驶向冰山的“泰坦尼克号”一样,进入天气和气候领域的未知之境,面临更强极端事件日益提前发生和加剧的风险。过去无法挽回,未来可以改变,我们今天的行动,决定着地球气候的未来。

来源:中国气象数据

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