原文作者：Alexandra Witze

2018年9月13日，當颶風佛羅倫薩（Hurricane Florence）的中心還遠在北卡羅來納州海岸數(shù)百公里開外時，傾盆大雨已經(jīng)打起了頭陣。隨著颶風一步步逼近陸地，當?shù)毓賳T要求150萬人撤離，并發(fā)出“危及生命”的危害預警。9月15日，佛羅倫薩終于“襲擊”美國本土，強度減弱的同時，也帶來更大的降雨。部分地區(qū)的暴風驟雨持續(xù)了整整四天。

2017年的颶風哈維（Hurricane Harvey）創(chuàng)造了降雨記錄。

來源：Jonathan Bachman/Reuters

佛羅倫薩創(chuàng)造了破紀錄的降雨量（北卡羅來納州伊麗莎白鎮(zhèn)的降雨量將近1米），多地遭受嚴重的洪澇災害。數(shù)十人死亡，造成的經(jīng)濟損失達到幾百億美元。即便是幾個月后，這些地區(qū)也尚未從災害中完全恢復過來。

然而，佛羅倫薩把蓬勃發(fā)展的地區(qū)“拉下水”的故事，我們或許還會看到更多。氣候?qū)W家預計，隨著全球氣溫上升，極端風暴將導致更多降雨。大氣越溫暖，能夠鎖住的水分越多，風暴也就更潮濕。在颶風佛羅倫薩登陸之前，紐約石溪大學的一支團隊就預測，因為氣候變暖，這場颶風導致的最嚴重的降雨，其降雨量比氣候沒有變暖的情況至少增加50%。

極端降雨——連同洪水、山體滑坡和其它連帶災害——是全球最致命的氣候事件。去年，印度喀拉拉邦的暴雨造成470多人死亡，日本西南部的洪水導致200多人死亡。在美國，洪水、強風暴和熱帶氣旋占11場自然災害中的9場，到文章發(fā)表為止已經(jīng)造成超過10億美元的經(jīng)濟損失。然而，由于科學家無法在計算機模型中輕易模擬這些風暴，預測未來的災難性降雨會如何變化一直是一件極為困難的事。

目前，許多研究團隊在理解全球極端降水未來走勢方面，都取得了進展。這得益于高分辨率的模型，能夠?qū)︼L暴的演變進行深入分析。

一些復雜的預測表明，隨著全球變暖，更多的降雨將來自大型間歇性風暴，而非那種能夠利于維持作物生長的溫和型降雨。其它研究顯示，雷暴的產(chǎn)生方式可能發(fā)生根本性改變，導致更大更強的風暴，這可能意味著，洪水災害會更加頻繁。

如果溫室氣體持續(xù)排放，那么未來的情況，從颶風佛羅倫薩、印度災害以及其它災難性的降雨中，便可略見一斑了。科羅拉多博爾德市國家空氣研究中心（NCAR）的大氣學家Angeline Pendergrass說：“所有跡象都表明，未來20年會比過去20年更糟糕。而且，如果我們繼續(xù)現(xiàn)在的行徑，到這個世紀末，一切就完了?！?/span>

濕潤的空氣

在喀拉拉邦，一切都始于潮濕的6月和7月，接下來的8月情況愈發(fā)嚴重：前20天降雨比往年多了164%。在整個邦，由于濕地崩塌，山體滑坡席卷城鎮(zhèn)，樓房倒塌嚴重。超過100萬人逃離了自己的家園。

天氣或許還不是這起災難里的唯一問題。有人批評當?shù)毓賳T未能及時處理水壩背后的積水。但這場洪水追根溯源，可以追溯到夏季季風期間比往年更嚴重的風暴。

去年，印度喀拉拉邦的洪災導致數(shù)百人失去生命。

來源: AFP/Getty

而且很明顯，這些風暴比以前承載著更多的水分?？諝庵械乃蛛S溫度而變化：空氣每升溫一度，可以多容納大約7%的水分。政府間氣候變化專門委員會得到的結(jié)論是，由于人為導致的氣候變暖，全世界許多地區(qū)的降水量已經(jīng)在增加。

“這是很簡單的物理學原理，”北卡羅來納州立大學的大氣學家Kenneth Kunkel說，“大型風暴導致的降水量受到空氣中水汽含量的限制。而隨著我們增加了空氣中的水汽，極端降水事件中的降雨量也就增大了?！?/span>

不過，降水比這復雜的多。雷暴實質(zhì)上是一個向上移動的風塔，通過吸入周圍的暖空氣來“喂養(yǎng)”自己。當空氣升得足夠高時，它會冷卻并凝結(jié)成雨。風暴能夠生成自己的氣象，例如在地面附近產(chǎn)生冷空氣池，從而引發(fā)更多的對流。氣候變化會放大這些影響，導致上升氣流越來越強，范圍越來越廣。上升氣流從周邊吸入更多的暖空氣，降水也就隨之增多。

颶風哈維就是這樣的情況。2017年8月，颶風哈維襲擊美國，給休斯頓和得克薩斯南部造成了1250億美元的經(jīng)濟損失，是美國歷史上降雨最強的一次風暴。三項獨立研究表明，哈維之所以能夠帶來如此強的降雨，不僅僅是空氣中的水汽含量增加的緣故，更因為氣候變暖使空氣濕度增加。

目前，Pendergrass正在NCAR研究各種全球氣候模型，以確定這可能對未來的極端天氣事件意味著什么——尤其是，極端天氣事件可能發(fā)生的地方。她分析了氣候變化如何改變大氣中熱量和能量的流動，進而改變降水在全球的分布。

2017年，她和同事就三次計算機模擬做了報告。他們在報告中指出，如果在本世紀剩余時間內(nèi)，氣溫持續(xù)上升，那么幾乎所有陸地區(qū)域的降水都會更加“任性”。換句話說，天氣會更瘋狂，在幾乎所有大陸，潮濕時期和干燥時期的轉(zhuǎn)換將失去規(guī)律。

眼下，Pendergrass正在深入研究降水的不均勻性，也就是微風細雨和狂風暴雨之間的區(qū)別。她和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的大氣學家Reto Knutti一道，分析了1999年到2014年間的全球降水記錄。在所研究的所有地區(qū)中，12天是達到全年一半降水量的天數(shù)中位數(shù)。“極端天氣對總降水量的影響非常大，超乎我的很多同事的想象?！盤endergrass說。

在利用氣候模型分析未來時，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種不均勻性會加劇。如果溫室氣體排放速度不減，那么額外降雨量中的一半都將在一年中最潮濕的6天內(nèi)發(fā)生。

這就意味著會有更多洪水——以及隨之而來的危險（參見“大雨”）。Pendergrass和科羅拉多州丹佛市的水資源管理人員進行了交談，他們想知道需要怎樣鞏固堤壩來防止將來的洪水。

Pendergrass說，其它地區(qū)也應當準備起來。她18年10月在《地球物理學研究快報》（Geophysical Research Letters）上撰文表示：“整個社會需要采取措施來應對大多數(shù)情況下的小變化，以及一些帶來較多降雨的天氣事件，而不是一味假設以后降雨會更多?！?/span>

來源：E. M. Fischer & R. Knutti Nature Clim. Change 5, 560–564 (2015).

另一組模擬強調(diào)了社會應如何應對潮濕與干燥之間的波動。這項工作由當時在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的大氣學家Zachary Zobel領導，他采用一個通常用于測算每100公里氣候情況的全球氣候模型，將其分辨率提高到了12公里?！澳阈枰M可能高的空間分辨率?！盳obel說。他現(xiàn)在在馬薩諸塞州的伍茲霍爾研究中心工作。

在分辨率為12公里的情況下，這一模型可以揭示大氣中對模擬風暴很重要的小尺度現(xiàn)象。不過，因為Zobel的模型需要大量計算能力，所以團隊只研究了美國大陸，未能覆蓋全球。即便是使用超級計算機，該模型也需要大半年的時間才能完成計算。最后，研究人員詳細了解到如果溫室氣體排放量在2094年之前持續(xù)保持在高位的話，美國大陸不同地區(qū)的溫度和降水量將會受到怎樣的影響。

繁榮或蕭條

科學家發(fā)現(xiàn)，美國大多數(shù)地區(qū)的極端降水事件都會增加。他們還發(fā)現(xiàn)，未來的氣候模式會出現(xiàn)一些較大變化，例如由西向東的噴射氣流位置會改變，而這一氣流控制著美國中部大部分地區(qū)的天氣。

之所以出現(xiàn)這種變化，是因為北極目前的變暖速度快于中緯度地區(qū)，導致兩個地區(qū)之間的溫差減小。在模擬中，向北的噴射氣流從墨西哥灣帶來了溫暖潮濕的空氣。結(jié)果是，在主產(chǎn)玉米和小麥等作物的中西部各州，每年春天的播種季節(jié)可能出現(xiàn)更嚴重的風暴。模型還顯示，干燥期也會變長。

這項研究刊登在了18年10月的《地球的未來》（Earth's Future）中。Zobel說：“這種降水模式導致的結(jié)果就是，要么繁榮，要么蕭條。如此，農(nóng)民在種植的時候就更難辦了。”

2002年，呼嘯的夏季暴雨席卷了整個歐洲中部，Andreas Prein覺得那時候未來就已經(jīng)到了。當時的他在奧地利軍隊服役，他所在的部隊被派遣到奧地利北部洪水地區(qū)救災。在那里，小溪變成了洪流，造成的經(jīng)濟損失高達30億歐元（約合34億美元）?！翱吹叫∠茉斐赡菢哟蟮钠茐?，太讓我震驚了，”Prein說，“簡直難以置信?！?/span>

現(xiàn)在，Prien是NCAR的大氣學家，也是新型高分辨率氣候模型的領導者。這項研究的分辨率比Zobel的更高，旨在模擬未來的氣候。其計算精度精確到4公里及以內(nèi)——因為計算能力要求非常高，所以只能對相對較小區(qū)域進行研究。

4公里至關重要，因為它是個別風暴演變并通過對流強化自身的維度。該領域被稱為允許對流的氣候建模，研究人員能夠更逼真地模擬風暴。這些計算類似天氣預報員預測風暴第二天第三天如何發(fā)展。“但我們想要模擬的是幾十年甚至幾個世紀，”Prein說，“它基本上是復制天氣預報員的工作，只不過時間跨度長的多?！?/span>

英國的研究人員正在進行一項工作，他們在2.2公里的分辨率下進行了歐洲范圍內(nèi)的氣候模擬，并發(fā)現(xiàn)了一些關于未來風暴的預警信號。研究團隊成員、英國氣象局的氣候?qū)W家Elizabeth Kendon說：“目前在歐洲大部分地區(qū)，極端天氣主要出現(xiàn)在夏季?！痹谀M的全球變暖過程中，夏季暴雨會更強，極端天氣還會出現(xiàn)在夏季之后。這意味著，政府官員可能需要做更多準備，應對冬季風暴帶來的洪水。

颶風是另一個主要問題。加州勞倫斯伯克利國家實驗室的Christina Patricola和Michael Wehner使用允許對流的模型研究了2005年的卡特里娜颶風和2017年的艾爾瑪及瑪利亞颶風。他們發(fā)現(xiàn)，氣候變化使這些風暴中的降雨增加了9%，而未來的全球變暖，幾乎肯定會導致此類颶風中的降雨更極端。

目前，NCAR運行的最大的允許對流的模擬之一，其分辨率為4公里，覆蓋美國大陸。它實際上是兩套模擬，一套模擬過去，一套模擬未來。前一套模擬的是2000年10月至2013年9月的全球氣候，用以測試該模型如何準確地模擬那些年發(fā)生的事情。“我們做的就是天氣預報，只不過連續(xù)做了13年?！盤rein說。

第二套模擬研究本世紀末的類似時期，納入了如果社會持續(xù)高速排放溫室氣體則可能出現(xiàn)的因素。

通過比較兩套模擬結(jié)果，科學家可以梳理出溫室氣體水平增加可能帶來的影響。由于模擬的分辨率很高，他們還能捕捉到未來個別風暴形成和演變的方式。

許多模型研究發(fā)現(xiàn)，到本世紀末，美國強雷暴發(fā)生的頻率將增加兩倍以上，其最大降水量將增加15-40%。風暴范圍也會更廣，幾乎是受大雨侵襲地區(qū)的兩倍。這將帶來很大的洪水隱患。“當大型雷暴經(jīng)過一個城市區(qū)域時，雷暴是覆蓋城市中心區(qū)的一半還是全部，這會產(chǎn)生很大的不同?！?/span>

Prein和他在NCAR的同事正在籌備第二套模擬試驗，希望在未來幾個月開始運行。這套模擬將向北延伸到加拿大，目的是研究經(jīng)常在美國中西部上方掠過的強雷暴未來是否會進入加拿大。這項工作將覆蓋未來20年（不是13年），科學家們希望這樣能夠讓他們捕捉到不斷變化的天氣模式的長期趨勢。

無論將來會出現(xiàn)什么，幾乎可以肯定的是，我們很難不注意它。在一個陽光明媚的早晨，Pendergrass坐在NCAR的辦公室里，她的電腦模擬展示了未來可能潛伏的極端降水類型，她指著一個數(shù)字說：“我們現(xiàn)在所見到的，只是將來的冰山一角，而這座冰山，太可怕了?！?/span>

Nature|doi:10.1038/d41586-018-07447-1