為什麼隨著氣候變暖，極端降雨越來越多？

一場傾盆大雨從9月13日開始，當時颶風「佛羅倫薩」中心離北卡羅來納州海岸數百公里。隨著巨大的風暴向陸地蔓延，官方下令超過150萬人撤離，並警告可能造成「危及生命」的危險。 9月15日，「佛羅倫薩」終於撞向美國，在那裡它放慢了移動速度，並帶來了更強一輪降雨。在一些地方，暴雨持續了四天不停歇。

當颶風全部結束時，「佛羅倫薩」的降雨量已經創紀錄，包括在北卡羅來納州伊麗莎白鎮的近一米的降雨量，造成了災難性的洪水。除了數十人死亡，風暴造成了數百億美元的損失。即使是現在，幾個月後，該地區還在努力恢復中。

「佛羅倫薩」如何讓蓬勃發展的地區轉瞬就岌岌可危的故事，很快就變得更加熟悉。氣候科學家預計，隨著全球氣溫上升，極端風暴將導致更多降雨。大氣越溫暖，它所能容納的水分就越多，這意味著風暴會變得更加潮濕。甚至在「佛羅倫薩」登陸之前，紐約石溪大學的一個研究小組就預測，颶風帶來的最強降雨將比人類沒有使地球變暖的情況下多帶來至少50%的降水。

極端降雨，連同洪水、山體滑坡和其他造成的破壞，是全球最致命的天氣事件。今年，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、強風暴和熱帶氣旋佔11個自然災害中的9個，迄今為止已經造成了10億美元損失。但是，預測未來最嚴重的降雨可能會如何變化已經非常困難，因為科學家們無法在計算機模型中輕鬆模擬這些風暴。

現在，許多研究團隊在理解全球極端降水的未來方面正在取得進展，這得益於具有高解析度的模型，可以提供對風暴如何演變的深入了解。一些最複雜的預測表明，隨著地球變暖，更多的降雨將會發生在嚴重的間歇性風暴中，而不是那種能維持農作物生長的溫和風雨或陣雨中。其他研究表明，雷暴組織自身的方式可能會發生根本性的變化，從而導致更大、更強的風暴，這可能意味著更多的洪水。

如果溫室氣體排放繼續增加，颶風「佛羅倫薩」、印度災難以及其他災難性的傾盆大雨都可能成為未來的一部分。 「所有跡象都表明，接下來的20年將比過去20年更糟糕。」科羅拉多州博爾德市國家大氣研究中心(NCAR)的大氣科學家Angeline Pendergrass說， 「如果我們繼續這麼做下去，那麼到本世紀末，情況就會完全瘋了。」

更多水分

在喀拉拉邦，這一切始於6月和7月的潮濕天氣，並在接下來的一個月加速。 8月的前20天比平時多降雨164%。整個州，隨著地面塌陷，山體滑坡席捲城鎮和建築物，超過100萬人逃離家園。

在這種情況下，天氣可能不是唯一的問題。有些人批評當地官員沒有更好地管理當地水壩背後的積水。但是，在夏季季風期間，洪水最終可追溯到比平常更猛烈的風暴。

而且很明顯，這些風暴比以前承載更多的水分。空氣中的水分根據溫度而變化：將空氣加熱1°C，就可以容納大約7%的水。政府間氣候變化專門委員會得出結論認為，由於人為引起的氣候變化，世界上許多地區的降水量已經增加。

「這只是基礎物理學，」阿什維爾北卡羅來納州立大學的大氣科學家Kenneth Kunkel說。 「大量降雨的大風暴受到大氣中水蒸氣量的限制。隨著我們增加大氣中的水汽，我們就增加了這些極端降水事件中的降雨量。「

但事實證明，是降水的問題比這複雜得多。雷暴本質上是一個由向上移動的風組成的塔，這些風通過吸收附近的暖空氣來提供能量。當空氣上升到足夠高的時候，就會冷卻並凝結成雨。風暴可以產生自己的天氣，比如在地面附近形成冷氣團，從而引發更多的對流。氣候變化會放大這些影響，導致上升氣流變得更強、更寬，從而從周邊地區吸入更多的溫暖空氣，導致更多降雨。

這種情況顯然發生在颶風哈維身上，這是美國歷史上降雨最多的風暴，去年8月在淹沒了休斯頓和德克薩斯州南部的大部分地區，造成經濟損失高達1250億美元。三項獨立的研究得出結論，哈維最嚴重的降雨不能簡單地通過大氣中水蒸氣的增加來解釋。氣候變化使它更加潮濕。

在NCAR，Pendergrass正在與全球氣候模型合作，確定這可能對未來的極端事件意味著什麼，尤其是它們可能發生的地方。她分析了氣候變化如何改變大氣中的熱量和能量流動，從而改變了降水在全球的傳播方式。

去年，她和她的同事報告了三次計算機模擬，顯示如果在本世紀剩餘時間內溫度上升，幾乎所有陸地區域的降水量可能會變得更加多變。換句話說，天氣會變得更加瘋狂：在幾乎所有大陸上，潮濕時期會讓位於乾燥時期更加不穩定，反之亦然。

現在，她已經深入研究了降水的不均勻性，即細雨和傾盆大雨之間的差異。她和瑞士蘇黎世聯邦理工學院的大氣科學家Reto Knutti分析了1999年至2014年間的全球降雨量記錄。研究中所有地區的中值顯示，一年一半的降雨只需要12天就能降下來。「那些被認為極端的東西對總降水量的貢獻很大，比我的許多同事可能意識到的還要大。」她說。

展望氣候模型，研究人員發現這種不均勻性會增加。如果未來溫室氣體排放繼續快速增加，一半的額外降雨將發生在一年中最潮濕的六天。

這意味著更多的洪水，以及隨之而來的危險。Pendergrass一直在與科羅拉多州丹佛市的水資源管理人員進行交談，想知道他們會有多大的洪水以此來準備他們的水壩。她說其他領域也應該做好準備。她和Knutti上個月在《地球物理研究快報》上寫道：「社會需要採取措施，在大部分時間裡應對少量變化，以及一些降雨量大得多的事件，而不是假設會有更多降雨。」

另一組模擬強調了社會需要如何準備這些潮濕和乾燥之間的波動。這項工作由大氣科學家Zachary Zobel領導，當時他在伊利諾伊大學厄本那-香檳分校工作，採用全球氣候模型，通常每100公里計算一次條件，並迫使其達到更高的解析度，僅12公里。 「你需要儘可能高的空間解析度，」Zobel說，他目前在馬薩諸塞州法爾茅斯的伍茲霍爾研究中心工作。在12公里的解析度下，該模型可以揭示大氣中對模擬風暴很重要的小規模現象。但是Zobel的模型需要大量的計算能力，所以團隊只關注美國大陸，而不是全球。即使使用超級計算機，模型也需要一年多的時間才能完成計算。但最終，研究人員詳細研究了如果溫室氣體排放在2094年之前持續保持高位，美國的不同地區如何受到溫度和降水極值的影響。

茂盛或崩潰

科學家發現極端降水事件將在該國大部分地區增加。他們還發現了未來模式的一些較大變化，例如在由西向東噴射氣流的位置，控制著美國中部大部分地區的天氣。

之所以出現這種變化，是因為北極目前的變暖速度快於中緯度地區，因此兩個地區之間的溫差較小。作為回應，噴射氣流在模擬中向北移動，從墨西哥灣帶來溫暖潮濕的空氣。結果是，美國大部分玉米和小麥作物種植的中西部各州，在播種時節每年春季可能會出現更嚴重的風暴。同時，該模型表明乾旱期將會延長。

「這真的歸結為，要麼茂盛，要麼崩潰的降水模式。」 Zobel說，「這將使農民如何種植作物的工作變得複雜。」 這項研究成果上個月發表在《地球的未來》雜誌上。

對於安德烈亞斯·普林(Andreas Prein)而言，猶記得2002年的夏季大雨席捲了整個中歐。普林在奧地利軍隊服役，他的部隊被派遣到奧地利北部遭受洪水蹂躪的地區，那裡的小溪變成洪流，損失達到30億歐元(34億美元)。 「看到小溪流可以造成這樣的破壞真是令人震驚。」普林說，「太讓人難以置信了。」

今天，普林是NCAR的一名大氣科學家，也是新型高解析度氣候模型的領導者。該研究旨在以比Zobel更高的解析度模擬未來的氣候。它的計算範圍縮小到4公里或更小，這在計算力上非常昂貴，只能在相對較小的區域內完成。

4公里是至關重要的，因為它是個別風暴演變並通過對流增強的維度。該領域被稱為允許對流的氣候建模，它允許研究人員更加逼真地模擬風暴。這些計算類似於天氣預報員預測第二天或第二天風暴將如何發展。 「但我們想要模擬幾十年到幾個世紀。」普林說，「它基本上複製了天氣預報的功能，但時間跨度要長得多。」

正在進行的工作中，英國的研究人員已經在2.2公里的解析度下進行了歐洲範圍的氣候模擬，並發現了一些關於未來風暴的警告信號。英國埃克塞特氣象科學家，氣候科學家伊麗莎白·肯恩說：「目前，在整個歐洲大部分地區，出現極端天氣的季節主要是夏季。」 在模擬全球變暖的過程中，夏季的暴雨會越來越大，極端事件會在今年晚些時候發生。這表明官員們可能需要做更多的準備來應對冬季風暴帶來的洪水。

颶風是另一個主要問題。加利福尼亞勞倫斯伯克利國家實驗室的Christina Patricola和Michael Wehner使用對流許可模型研究了2005年卡特里娜颶風和2017年的艾爾瑪和瑪利亞颶風。他們發現氣候變化導致這些風暴中的降雨增加了9%，並且未來其後變暖幾乎肯定意味著來自類似颶風的更極端降雨。

到目前為止，NCAR運行的最大對流許可模擬之一，以4千米的解析度覆蓋了美國大陸。它實際上是兩個模擬，一個模擬過去，另一個模擬未來。第一個模擬了2000年10月到2013年9月之間的全球氣候，以測試該模型如何準確再現那些年中發生的事情。 「我們一開始就就像做天氣預報一樣，然後我們13年都沒有停下來。」普林說。

第二次模擬研究了本世紀末的類似時期，結合了社會繼續高速生產溫室氣體所預期的因素。

通過比較這兩者，科學家可以梳理出增加溫室氣體水平的可能影響。由於模擬的解析度如此之高，它們可以捕捉到未來個別風暴可能形成和演變的方式

在這些模型的許多發現中，到本世紀末，強烈的美國雷暴頻率將增加三倍以上，其最大降雨量將增加15-40%。風暴也會變得更大，幾乎是暴雨降臨地區的兩倍。這對洪水風險有重大影響。 「如果你想到一個大的雷暴在一個城市地區移動，與風暴覆蓋城市集水區的一半或全部，它會產生很大的不同。」普林說。

他和他在NCAR的同事正在開發第二套模擬，他們希望在未來幾個月內開始運行。它將模擬向北延伸到加拿大，目的是研究經常在美國中西部上空掠過的強雷暴是否會在未來進入加拿大。這項工作還將涵蓋持續20年而不是13年，科學家們希望這將使他們能夠捕捉到不斷變化的天氣模式的趨勢。

無論發生了什麼，幾乎可以肯定的是，這一切都不容錯過。在陽光普照的早晨，坐在NCAR的辦公室里，Pendergrass拿出一幅圖，上面顯示了計算機模擬的未來可能會出現何種極端降水。 「到目前為止，我們看到的東西與即將到來的相比要小得多。」她說，「那真是太可怕了。」

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