◆ 本刊綜合

策劃人語：

極端天氣是困擾人類社會(huì)發(fā)展的自然災(zāi)害之一。我國地處副熱帶和溫帶大陸東岸季風(fēng)氣候區(qū)，夏季雨水豐沛，海陸影響顯著。2021年，受南海夏季風(fēng)、印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)的影響，我國東部雨季呈階段性和轉(zhuǎn)折性變化特征，導(dǎo)致南北方降水極不穩(wěn)定。

2021年7月20日，河南省多地出現(xiàn)了歷史罕見的特大暴雨極端天氣，其中大部分地區(qū)累計(jì)降水量超過500毫米。在這次特大暴雨過程中，鄭州等19個(gè)國家氣象站日降水量均突破了建站以來的歷史極值，此次降雨過程累計(jì)雨量多、降雨強(qiáng)度大，極端性非常突出。

2021年8月11—12日，湖北省多地遭受短時(shí)強(qiáng)降雨襲擊。其中襄陽宜城市最大降水量達(dá)484毫米，系當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠淼淖畲笾?，宜城市共?4座水庫超汛限。湖北省氣象局將重大氣象災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)提升為Ⅲ級(jí)。

2021年10月2—7日，暴雨突襲山西省多個(gè)縣市，18個(gè)縣市降水量超過200毫米，累計(jì)降水量最大為285.2毫米。其中降水量以及累計(jì)降水量均超過同期歷史極值。

從河南到山西，我國北方地區(qū)接連出現(xiàn)汛情，多地降水量突破極值，而南方地區(qū)持續(xù)受副熱帶高壓影響，較往年降水量少，出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，東部季風(fēng)區(qū)則呈“北澇南旱”的狀態(tài)。除此之外，全球范圍的各種極端氣候?yàn)?zāi)害事件頻繁上演。

極端天氣為何越來越常見？“南旱北澇”與“南澇北旱”是否有跡可循？暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警到底難在哪里？讓我們共同關(guān)注與每個(gè)地球人都息息相關(guān)的天氣變化。

——方郁芝 秦銀銀

極端天氣為何越來越常見

圖1 1961—2021年夏季全國平均氣溫（℃）歷年變化（圖/國家氣候中心）

全球每年有超過500萬人的死亡與氣候變化導(dǎo)致的異常寒冷或炎熱天氣有關(guān)，全球每年有9.4%的死亡人口可歸因于“非適宜”的溫度。隨著全球變暖的加劇，這一趨勢(shì)可能進(jìn)一步惡化。

世界氣象組織數(shù)據(jù)顯示，2020年全球平均氣溫較1850至1900年期間高出1.2攝氏度。氣溫每升高1攝氏度，大氣中的水分就會(huì)增加7%，進(jìn)而導(dǎo)致更多暴雨天氣的形成，而水分蒸發(fā)流失的地區(qū)將變得更加干燥。加之熱帶風(fēng)暴成為更高級(jí)別颶風(fēng)的幾率每十年增加8%，被野火燒毀的森林面積也會(huì)翻倍。

據(jù)國家氣候中心研究，1951年以來我國平均溫度和極端溫度都呈顯著升高的趨勢(shì)，強(qiáng)度更強(qiáng)、更加頻繁、持續(xù)時(shí)間更長。然而，任何極端天氣事件的發(fā)生是許多因素共同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。

世界氣象組織為此做出解釋——近期北半球的天氣受到急流影響，當(dāng)大氣中的暖空氣團(tuán)和冷空氣團(tuán)相遇時(shí)就會(huì)形成急流，急流變慢時(shí)會(huì)變成波浪狀，暖空氣被帶到北方，冷空氣被帶到南方，在一段時(shí)間內(nèi)形成阻斷模式，分別導(dǎo)致熱浪或洪水的發(fā)生。

德國觀察發(fā)布的《全球氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)2020》顯示，在過去20年中，全球近50萬例死亡與1.2萬余起極端天氣事件相關(guān)，經(jīng)濟(jì)損失總計(jì)約3.54萬億美元。極端異常氣候帶來的是全球水資源、生態(tài)系統(tǒng)、糧食安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等多層次、全方面的沖擊。“幾十年一遇”甚至“百年一遇”的極端天氣，正變得越來越常見。

氣候變化將對(duì)人類的生活產(chǎn)生巨大影響。受全球變暖影響，北極地區(qū)氣候變暖的速度是全球其他地區(qū)的兩倍。2020年，北極海冰覆蓋范圍達(dá)到史上第二低值，作為地球的“空調(diào)”，冰川消融的影響更是全球性的。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告指出，20世紀(jì)50年代以來，人類活動(dòng)導(dǎo)致了一半以上的全球變暖。人類活動(dòng)排放的二氧化碳等溫室氣體，極有可能是造成全球變暖的主因。絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，降低進(jìn)一步溫度波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的最簡單方法就是減少化石燃料的使用，并停止森林砍伐。

2016年正式實(shí)施的《巴黎協(xié)定》成為繼《京都議定書》后第二份有法律約束力的全球氣候協(xié)議，為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)作出了安排。其長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2攝氏度以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5攝氏度以內(nèi)。

應(yīng)對(duì)氣候變化是全人類的共同事業(yè)，擺脫全球氣候變化影響更是道阻且長。而要提高全社會(huì)氣候韌性，減緩未來氣候變化，減排是治本之策。

“南旱北澇”與“南澇北旱”是否有跡可循

圖2 7月26日，受連日持續(xù)降雨影響，南水北調(diào)中線水源地丹江口水庫今年首次開閘泄洪（圖/新華社）

2020年，我國長江流域發(fā)生了1998年以來最嚴(yán)重的汛情，降水量一躍成為1961年以來同期降水量最多的年份。近30年來長江流域和東北-華北兩地的降水格局交替性重現(xiàn)。2019年9月，發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的一篇論文提出：1萬年來，我國東北地區(qū)存在500年準(zhǔn)周期的降水變化，這一變化還影響了該地區(qū)的人口和文化變遷。

圖3 2021年6月1日至8月31日云黔川渝氣象干旱面積變化（圖/國家氣候中心）

研究通過對(duì)中國東北地區(qū)約一萬年來瑪珥湖年紋層花粉記錄和考古遺址碳14概率密度的分析，發(fā)現(xiàn)花粉記錄的季風(fēng)氣候變化和碳14概率密度揭示的人類活動(dòng)，都存在約500年周期變化，季風(fēng)氣候驅(qū)動(dòng)的周期性暖濕、冷干與人類活動(dòng)的強(qiáng)、弱以及史前文化的盛衰變化幾乎同步。

在東北地區(qū)史前六個(gè)文化繁盛期中，除了紅山文化對(duì)應(yīng)了千年尺度的中全新世適宜期外，其他都明確地對(duì)應(yīng)著500年周期的暖濕期。研究認(rèn)為，疊加在全新世氣候變化背景上的500年周期，深刻影響了東北亞地區(qū)史前文化的演替和發(fā)展，氣候變化的500年周期與太陽活動(dòng)引發(fā)的厄爾尼諾——南方濤動(dòng)的頻率變化關(guān)系密切。

這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了史前人類活動(dòng)、文化演替與周期性自然氣候變化之間存在密切關(guān)系，且進(jìn)一步表明，在東亞季風(fēng)區(qū)，溫暖濕潤的自然氣候更有利于史前人類文化、文明的繁盛發(fā)展。

探尋季風(fēng)變化規(guī)律

為了驗(yàn)證東北地區(qū)500年周期研究的可重復(fù)性和普遍性，科研人員檢索了大量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，不僅在東北、黃海，還在南方的長江流域發(fā)現(xiàn)了500年準(zhǔn)周期降水的地質(zhì)記錄。經(jīng)進(jìn)一步對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，長江流域和東北地區(qū)的500年周期在相位上并不同步。

近半個(gè)世紀(jì)以來，我國東部季風(fēng)區(qū)降水正在經(jīng)歷由“北澇南旱”過渡到“南澇北旱”的氣候狀態(tài)。然而，現(xiàn)今我國季風(fēng)區(qū)降水的演化格局是在地質(zhì)歷史時(shí)期的長期演化下形成的。由于自然氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性和模擬預(yù)估的不確定性，以及人類器測(cè)溫度記錄也僅有不足百年的歷史，因此要客觀地認(rèn)識(shí)百年來季風(fēng)氣候變化的過程和規(guī)律，需要從更長時(shí)間尺度的自然氣候變化歷史中去了解：近萬年來的東亞季風(fēng)變化，是否受到千、百年尺度自然周期影響？如今氣候格局的演變，是否疊加了自然周期的氣候過程？

我國南北降水變化不同步

我國地質(zhì)與物理研究員分別在東北地區(qū)和長江流域地區(qū)選擇了沉積連續(xù)、高精度定年和高分辨率的古氣候記錄：一條為東北瑪珥湖年紋層花粉記錄，另一條為長江中游地區(qū)洞穴石筍磁性礦物記錄。通過分析這兩條記錄發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)和長江中游地區(qū)存在不同步的千、百年季風(fēng)降水變化。

東北地區(qū)孢粉記錄反映距今9260年以來東北地區(qū)溫帶落葉闊葉林的建群植物櫟屬花粉種類的變化，揭示出適應(yīng)強(qiáng)夏季風(fēng)降水的櫟屬植物存在千年尺度和500年準(zhǔn)周期性變化。石筍磁性礦物記錄揭示出距今8580年以來長江中游地區(qū)的季風(fēng)降水變化，在千年尺度變化過程中，兩個(gè)地區(qū)存在明顯反向變化模式。而在500年周期相位上，長江中游地區(qū)較東北地區(qū)滯后。

結(jié)合最近幾十年的觀測(cè)記錄和這項(xiàng)研究的結(jié)果，我國東部季風(fēng)區(qū)南北方降水，在千年、百年、幾十年再到年際尺度上似乎都不同步。但需要注意的是，我國南北方500年氣候周期是疊加在全新世氣候總體變化趨勢(shì)上的。因此，年際尺度的氣候變化必然也是逐一疊加在幾十年、百年再到千年的氣候過程中的。

厄爾尼諾南方濤動(dòng)是幕后推手

如果把厄爾尼諾南方濤動(dòng)比作一枚硬幣，那么厄爾尼諾和拉尼娜就是硬幣的正反面。在厄爾尼諾年，赤道東太平洋的海溫異常升高，赤道西太平洋海溫偏低，引起西太平洋副高控制的反氣旋向南偏移，導(dǎo)致東亞季風(fēng)顯著偏弱，夏季降水集中在長江中下游地區(qū)，而我國東北和華北地區(qū)降水偏少。

圖4 受厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，印度遭受干旱，一農(nóng)民坐在干涸的土地上

圖5 2016年1月25日，智利太平洋岸比尼亞德爾馬，巨浪拍擊海岸

相反，在拉尼娜年，赤道西太平洋海溫異常升高，赤道東太平洋海溫偏低，導(dǎo)致了西太平洋副高控制的反氣旋向北偏移，驅(qū)動(dòng)?xùn)|亞季風(fēng)明顯增強(qiáng)，夏季降水在我國東北和華北地區(qū)顯著增加，而長江中下游流域降水又明顯減少。也就是說，是厄爾尼諾南方濤動(dòng)控制了季風(fēng)雨帶在我國季風(fēng)區(qū)南北方的移動(dòng)。

無論在什么時(shí)間尺度上，我國東部季風(fēng)區(qū)南北方出現(xiàn)的降水差異現(xiàn)象，都可歸因于年際尺度的厄爾尼諾或拉尼娜事件頻率的增加。

根據(jù)我國東部季風(fēng)區(qū)降水在年際到千年尺度上的過程和規(guī)律，在500年自然氣候周期的背景趨勢(shì)下，本世紀(jì)初東北和華北地區(qū)已經(jīng)結(jié)束了大約200多年的季風(fēng)降水增加的過程，未來將進(jìn)入下一個(gè)200多年的季風(fēng)降水減弱的過程。而長江中下游地區(qū)季風(fēng)降水將開始逐漸增加，未來百年或?qū)⒂瓉砀迂S沛的季風(fēng)降水。

暴雨預(yù)報(bào)難在哪

暴雨事件在全球大氣科學(xué)研究領(lǐng)域是熱點(diǎn)也是難點(diǎn)。面對(duì)來勢(shì)洶洶的暴雨，要詳盡研究其發(fā)生原因仍需持久攻關(guān)，探究困擾全球氣象界的暴雨預(yù)報(bào)難題是重中之重。我國的暴雨災(zāi)害遍及大江南北、城市鄉(xiāng)村，既有大范圍流域性洪澇，又有中小尺度局地暴雨造成的災(zāi)害，極端性暴雨天氣也頻頻出現(xiàn)。暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制顯得尤為重要。

多年來，得益于日漸完善的氣象觀測(cè)系統(tǒng)、高分辨率數(shù)值模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展以及諸多先進(jìn)科研成果的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，我國暴雨研究和預(yù)報(bào)不斷取得進(jìn)步。但在本質(zhì)上，大氣運(yùn)動(dòng)的混沌性決定了天氣預(yù)報(bào)必然會(huì)有一定程度的誤差，同時(shí)暴雨因其局地性、突發(fā)性和活動(dòng)規(guī)律多變等特征，其形成機(jī)制迄今尚未被研究透徹，依然是全世界氣象領(lǐng)域的一道難題。

利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品，并結(jié)合預(yù)報(bào)員自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是我國暴雨預(yù)報(bào)的主要手段。近年來，雖然數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式分辨率逐步提升，但通常來說，極端事件發(fā)生概率非常小。研究發(fā)現(xiàn)，盡管有些極端暴雨出現(xiàn)時(shí)環(huán)流形勢(shì)整體穩(wěn)定、清晰，但受中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的作用，其尺度波及范圍較窄且生命周期較短，當(dāng)前的數(shù)值預(yù)報(bào)模式很難將其準(zhǔn)確清晰地表達(dá)出來。

圖5 1961—2021年夏季我國平均降水量（毫米）歷年變化（圖/國家氣候中心）

暴雨研究和預(yù)報(bào)一直是我國氣象工作者的主攻難點(diǎn)之一。早在20世紀(jì)初期，我國科學(xué)家就開始致力于暴雨研究，經(jīng)過近百年發(fā)展，我國在暴雨理論、暴雨分析和預(yù)報(bào)方面取得了重大進(jìn)展。中國氣象、水文部門從歷史中空前大暴雨與大洪水事件中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從全國層面加強(qiáng)對(duì)暴雨的研究，暴雨研究也逐步從天氣尺度轉(zhuǎn)向中尺度天氣，暴雨預(yù)報(bào)由經(jīng)驗(yàn)定性向定量化方向轉(zhuǎn)變。

除了數(shù)值模式改進(jìn)和研發(fā)客觀預(yù)報(bào)方法外，專家預(yù)報(bào)員對(duì)暴雨預(yù)報(bào)能力的精準(zhǔn)提升和服務(wù)同樣關(guān)鍵。現(xiàn)階段專家型預(yù)報(bào)員需要對(duì)暴雨形成過程具備敏銳的洞察力，從海量觀測(cè)和預(yù)報(bào)信息中，分析預(yù)報(bào)關(guān)鍵影響系統(tǒng)及其與未來暴雨發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和降水量的關(guān)聯(lián)，及早發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)偏差，凝練關(guān)鍵預(yù)報(bào)因子，借助各類現(xiàn)代化預(yù)報(bào)技術(shù)，最終形成對(duì)重大暴雨過程的正確預(yù)報(bào)意見。

面對(duì)暴雨這一科學(xué)難題，氣象業(yè)務(wù)科研部門與大氣科學(xué)研究專家學(xué)者將密切配合持續(xù)開展攻關(guān)。然而，提高人民群眾科學(xué)素養(yǎng)，強(qiáng)化決策者的防災(zāi)、減災(zāi)意識(shí)和能力，深入了解暴雨預(yù)報(bào)如何做出、難度在哪兒、風(fēng)險(xiǎn)多大，才能更好地利用氣象預(yù)報(bào)預(yù)警做好各項(xiàng)準(zhǔn)備和安排。

我們賴以生存的這個(gè)星球，有風(fēng)和日麗、月朗星稀，亦有驚濤駭浪，地動(dòng)山搖。任何一個(gè)天氣現(xiàn)象的形成都有其氣象學(xué)的成因，如果將其中的每一個(gè)數(shù)值置于更廣闊的變化周期，也不過是規(guī)律里的一粒塵埃，變化中的一個(gè)瞬間。

未來很長一段時(shí)間，人類或?qū)⒚媾R更多、更大的極端天氣的考驗(yàn)，保護(hù)地球家園，每一個(gè)地球人都義不容辭。

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