編者按：

炎炎盛夏，雷雨多發(fā)，進入汛期以來，我國多地遭遇持續(xù)強降雨天氣。6月24日，長沙遭遇強降水天氣，單小時總降水量達7.68億立方米，約為54個西湖，打破全省最大日雨量紀錄；7月6日至7日，山東平邑、泗水降水量分別達到306.9毫米、249.7毫米，一場雨超當地常年整個7月全月的降水量。

圖片來源：微博@青蜂俠Bee

7月7日至8日，鄭州遭受嚴重暴雨，鄭州居民進入“看?！蹦Ｊ?，多地交通受阻，地質災害風險增加。

在關注多地遭遇強降雨天氣的同時，也有一些網友表示疑惑，“太奇怪了”“從來沒下過這么大雨”。在體感上，我們無疑會感覺到異常降水頻率的增多，但事實果真如此嗎？我們可以從哪些尺度上衡量降水是否異常？今天，就帶你了解“降水變率”這個概念，提高對氣候變化的認識。

Part.1

首先，從“變率”說起

有關極端天氣的報道并不罕見，如此看來，每年都發(fā)生的極端天氣，也太不“極端”了吧？想要解決這個問題，我們先從天氣氣候的“變率”說起。

變率，是指天氣或氣候可能的波動或振蕩范圍，通常可以用標準差來表示，而降水變率，就是用以表示降水量波動程度的統計量。例如，昨天下雨了但今天沒下，這便是降水在天氣尺度上的變率；厄爾尼諾次年夏季長江中下游易發(fā)生洪澇，降雨比常年偏多，即為降水在年際尺度上的變率。

變率與極端事件密切相關，變率越大，通常意味著極端事件的強度越強。大家在新聞媒體上看到的“N年一遇”類表述，在氣候學上的學名叫“重現期”（return period），這是一個統計學概念，可以認為是事件發(fā)生概率的倒數。通常而言，強度越強的極端事件，其發(fā)生概率越低，重現期也就越長。天氣氣候變率越大，強極端事件發(fā)生頻率越高。

Part.2

未來降雨：不患寡而患不均

一天下完一年的雨，很多人想象一下會覺得難以置信，但這種情況不但有可能，而且會越來越頻繁——因為降水變率正在增強。2021年7月河南強降水過程的顯著特點是短時降雨強、降雨極端性突出。當時鄭州局地3小時最大降雨量達333mm，超過其年平均總降雨量的一半，二七區(qū)侯寨氣象站日降雨量692.2mm，超過鄭州年平均降水總量。

無論是“3小時下完全年一半的雨”，還是“一天下完一年的雨”，背后反映的都是降雨在天氣尺度上的變率增強，即降雨在時間上的不均勻性。為什么要關注天氣尺度上的降水變率呢？因為無論是連續(xù)性的或對流性的降水，都直接和天氣尺度的天氣系統相聯系。就算是大范圍較長時間的降水也是由一次次天氣尺度系統所形成，或為一次天氣尺度系統長期停滯所形成。因此天氣尺度系統是分析預報降水首先要關心的。

很顯然，同樣是641mm的全年總降水（鄭州），在365天里均勻地下完，和集中在幾小時內一股腦兒地傾盆而下，二者的致災性差之千里。令人擔憂的是，美國科學家們利用氣候變化模型研究發(fā)現，如果我們在未來采取一種無政策干預的高溫室氣體排放情景（RCP8.5，該情景下總輻射強迫在2100年達到8.5W m-2），至本世紀末（2085-2100年），全球增加的降水會有一半集中在6天之內下完。

無獨有偶，另一項針對歐洲暴雨的研究發(fā)現，在氣候變暖的背景下，帶來狂風暴雨的對流系統的移動速度將會減緩，這意味著風暴在某地的滯留時間增長，進而造成局地的強降水和洪澇災害，2021年夏季德國的洪澇災害就是一個典型的例子。

圖片來源：veer圖庫

全球變暖的背景下，降水變率在天氣尺度上的增加意味著天氣的波動范圍更大，那么，除了天氣尺度變率的變化，其他尺度的降水變率又將如何變化呢？中國科學院大氣物理研究所的張文霞副研究員在一項發(fā)表于Science Advances的研究工作表明，隨著氣候增暖，全球濕潤區(qū)（主要包括熱帶、大部分季風區(qū)、中高緯地區(qū)）在因總降水量增多而變得更濕潤的同時，降水變率也將增加。

我們知道，相同氣壓下，大氣能容納的水汽總量和氣溫密切相關，更暖的大氣可以“包容”更多的水汽。隨著全球變暖，氣溫逐漸上升，大氣也將變得越來越濕潤，有更多的水汽可以轉化為降水，因而未來地球上的總降水將會變得更加“豐盈”。

但與此同時，降水在時間上的分配也將變得更為不均勻，從天氣到年際的多時間尺度上，降水的變率都將隨著增暖幅度的增加而增加，這意味著降水在干濕時期間的波動將更為劇烈，未來地球將面臨著更加頻繁的旱澇災害。從下圖中我們可以看到，未來降水會呈現出四種可能的變化：地球上絕大部分地區(qū)（包括三分之二的陸地地區(qū)）將會變濕且降水變率增強（藍色區(qū)域）；同時還有其他地區(qū)則會面臨變干且降水變率增強（綠色區(qū)域）、變濕且降水變率減弱（紅色區(qū)域）、變干且降水變率減弱的情況（棕色區(qū)域）。

氣候變暖背景下全球降水的變化類型，大部分地球由藍色主導，即總降水增多、降水變率增強（漢化自引文1）

研究還指出，全球每增溫1℃，全球平均的降水變率將增加約5%，這一速率約為平均降水變化的2倍。

Part.3

降水為何“情緒波動”大？

我們知道，降雨是由上升的空氣把水汽帶到高空、水汽因溫度下降液化成云滴雨滴而形成的，空氣的運動（大氣環(huán)流）和大氣中的水汽含量是決定降水變化的兩個主要因素。

該研究指出，在未來全球變暖的背景下，大氣水汽含量增加，有更多的水汽可以支撐極端降水的發(fā)生，因而降水的變率將會增強；與此同時，水汽和環(huán)流之間的相互作用也會加強降水變率，例如，更多的水汽在凝結時將釋放更多的潛熱，這些能量將進一步加強上升運動，在這種正反饋機制下，降水變率進一步增強。如果我們僅僅考慮水汽的變化，未來降水變率將在全球較為均勻地增強，但由于增暖背景下大氣環(huán)流的變率將減弱，在水汽和環(huán)流的共同影響下，最終全球降水將呈現如上圖所示的4種變化型。

降水總量和變率變化的不同組合，將在不同地區(qū)造成不同類型的水文、農業(yè)和生態(tài)影響。例如，在降水總量和變率均增大的地區(qū)，整體而言雨水充沛，但易發(fā)生極端降水和洪澇事件，給水利系統帶來更大的考驗。而生活在降水總量減少但變率增大地區(qū)的人們，可能同時面臨淡水資源短缺和更頻繁的極端洪澇和干旱事件。

降水總量增多同時變率減弱可能是我們最喜聞樂見的一種變化型，這意味著未來的雨水不僅豐盈，還會以一種“潤物細無聲”的方式滋養(yǎng)著大地，遺憾的是，全球幾乎沒有地區(qū)屬于這一類變化型。值得注意的是，我國大部分地區(qū)的降水變化型式屬于“更濕潤且波動更大”，意味著降水的極端性將增強，須引起我們的廣泛重視。

總而言之，未來的地球不缺降水，但大氣中更多的水汽會經歷更大的“情緒波動”，勢必帶來更加劇烈的干濕對比和洪澇災害，這與近二十年來我們所經歷的干旱與洪澇事件均頻繁發(fā)生的事實是一致的。在增暖背景下，降水變率的變化將影響社會和生態(tài)系統的氣候恢復力，也對氣候變化的應對工作提出了新的挑戰(zhàn)。

Part.4

未來已來，做出改變?yōu)闀r不晚

在2021年發(fā)布的IPCC第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021:自然科學基礎》中指出，人類活動引起的氣候變化正在影響全球每個地區(qū)的極端天氣和氣候，持續(xù)的全球變暖將進一步加強全球水循環(huán)，包括其變率、全球季風降水和干濕事件的嚴重程度。整個氣候系統近期變化的規(guī)模，和目前氣候系統許多方面的狀況，在過去幾個世紀乃至幾千年里都前所未有，且在未來幾個世紀到幾千年里都是不可逆的。

電影《流浪地球》中有這樣一段臺詞：“最初，沒有人在意這場災難，這不過是一場山火，一次旱災，一個物種滅絕，一座城市的消失，直到這場災難與我們每個人都息息相關……”無論你是否在意，未來已來，地球已發(fā)出警告，變化正在發(fā)生——“The bad news is dangerous climate change has arrived.The good news is we can prevent it from getting worse.”減少使用一次性餐具、循環(huán)使用辦公用紙、充分利用購物袋等塑料制品、低碳出行……這些話題看似老生常談，但如果我們每個人都能認識到地球正在發(fā)生的變化，從自身開始做出改變，每個人看似微不足道的努力，匯集起來將是數十億人類的力量?！胺N一棵樹最好的時間是十年前，其次就是現在”，尊重事實，做出改變，為時不晚。

參考文獻:

[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.

來源：科學大院