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为什么随着气候变暖,极端降雨越来越多?

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 Emma Chou • 2018-11-23 14:02:33 来源:前瞻网 E2822G0
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一场倾盆大雨从9月13日开始,当时飓风“佛罗伦萨”中心离北卡罗来纳州海岸数百公里。随着巨大的风暴向陆地蔓延,官方下令超过150万人撤离,并警告可能造成“危及生命”的危险。 9月15日,“佛罗伦萨”终于撞向美国,在那里它放慢了移动速度,并带来了更强一轮降雨。在一些地方,暴雨持续了四天不停歇。

当飓风全部结束时,“佛罗伦萨”的降雨量已经创纪录,包括在北卡罗来纳州伊丽莎白镇的近一米的降雨量,造成了灾难性的洪水。除了数十人死亡,风暴造成了数百亿美元的损失。即使是现在,几个月后,该地区还在努力恢复中。

“佛罗伦萨”如何让蓬勃发展的地区转瞬就岌岌可危的故事,很快就变得更加熟悉。气候科学家预计,随着全球气温上升,极端风暴将导致更多降雨。大气越温暖,它所能容纳的水分就越多,这意味着风暴会变得更加潮湿。甚至在“佛罗伦萨”登陆之前,纽约石溪大学的一个研究小组就预测,飓风带来的最强降雨将比人类没有使地球变暖的情况下多带来至少50%的降水。

极端降雨,连同洪水、山体滑坡和其他造成的破坏,是全球最致命的天气事件。今年,印度喀拉拉邦的暴雨造成470多人死亡,日本西南部的洪水导致200多人死亡。在美国,洪水、强风暴和热带气旋占11个自然灾害中的9个,迄今为止已经造成了10亿美元损失。但是,预测未来最严重的降雨可能会如何变化已经非常困难,因为科学家们无法在计算机模型中轻松模拟这些风暴。

现在,许多研究团队在理解全球极端降水的未来方面正在取得进展,这得益于具有高分辨率的模型,可以提供对风暴如何演变的深入了解。一些最复杂的预测表明,随着地球变暖,更多的降雨将会发生在严重的间歇性风暴中,而不是那种能维持农作物生长的温和风雨或阵雨中。其他研究表明,雷暴组织自身的方式可能会发生根本性的变化,从而导致更大、更强的风暴,这可能意味着更多的洪水。

如果温室气体排放继续增加,飓风“佛罗伦萨”、印度灾难以及其他灾难性的倾盆大雨都可能成为未来的一部分。 “所有迹象都表明,接下来的20年将比过去20年更糟糕。”科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心(NCAR)的大气科学家Angeline Pendergrass说, “如果我们继续这么做下去,那么到本世纪末,情况就会完全疯了。”

更多水分

在喀拉拉邦,这一切始于6月和7月的潮湿天气,并在接下来的一个月加速。 8月的前20天比平时多降雨164%。整个州,随着地面塌陷,山体滑坡席卷城镇和建筑物,超过100万人逃离家园。

在这种情况下,天气可能不是唯一的问题。有些人批评当地官员没有更好地管理当地水坝背后的积水。但是,在夏季季风期间,洪水最终可追溯到比平常更猛烈的风暴。

而且很明显,这些风暴比以前承载更多的水分。空气中的水分根据温度而变化:将空气加热1°C,就可以容纳大约7%的水。政府间气候变化专门委员会得出结论认为,由于人为引起的气候变化,世界上许多地区的降水量已经增加。

“这只是基础物理学,”阿什维尔北卡罗来纳州立大学的大气科学家Kenneth Kunkel说。 “大量降雨的大风暴受到大气中水蒸气量的限制。随着我们增加大气中的水汽,我们就增加了这些极端降水事件中的降雨量。“

但事实证明,是降水的问题比这复杂得多。雷暴本质上是一个由向上移动的风组成的塔,这些风通过吸收附近的暖空气来提供能量。当空气上升到足够高的时候,就会冷却并凝结成雨。风暴可以产生自己的天气,比如在地面附近形成冷气团,从而引发更多的对流。气候变化会放大这些影响,导致上升气流变得更强、更宽,从而从周边地区吸入更多的温暖空气,导致更多降雨。

这种情况显然发生在飓风哈维身上,这是美国历史上降雨最多的风暴,去年8月在淹没了休斯顿和德克萨斯州南部的大部分地区,造成经济损失高达1250亿美元。三项独立的研究得出结论,哈维最严重的降雨不能简单地通过大气中水蒸气的增加来解释。气候变化使它更加潮湿。

在NCAR,Pendergrass正在与全球气候模型合作,确定这可能对未来的极端事件意味着什么,尤其是它们可能发生的地方。她分析了气候变化如何改变大气中的热量和能量流动,从而改变了降水在全球的传播方式。

去年,她和她的同事报告了三次计算机模拟,显示如果在本世纪剩余时间内温度上升,几乎所有陆地区域的降水量可能会变得更加多变。换句话说,天气会变得更加疯狂:在几乎所有大陆上,潮湿时期会让位于干燥时期更加不稳定,反之亦然。

现在,她已经深入研究了降水的不均匀性,即细雨和倾盆大雨之间的差异。她和瑞士苏黎世联邦理工学院的大气科学家Reto Knutti分析了1999年至2014年间的全球降雨量记录。研究中所有地区的中值显示,一年一半的降雨只需要12天就能降下来。“那些被认为极端的东西对总降水量的贡献很大,比我的许多同事可能意识到的还要大。”她说。

展望气候模型,研究人员发现这种不均匀性会增加。如果未来温室气体排放继续快速增加,一半的额外降雨将发生在一年中最潮湿的六天。

这意味着更多的洪水,以及随之而来的危险。Pendergrass一直在与科罗拉多州丹佛市的水资源管理人员进行交谈,想知道他们会有多大的洪水以此来准备他们的水坝。她说其他领域也应该做好准备。她和Knutti上个月在《地球物理研究快报》上写道:“社会需要采取措施,在大部分时间里应对少量变化,以及一些降雨量大得多的事件,而不是假设会有更多降雨。”

另一组模拟强调了社会需要如何准备这些潮湿和干燥之间的波动。这项工作由大气科学家Zachary Zobel领导,当时他在伊利诺伊大学厄本那-香槟分校工作,采用全球气候模型,通常每100公里计算一次条件,并迫使其达到更高的分辨率,仅12公里。 “你需要尽可能高的空间分辨率,”Zobel说,他目前在马萨诸塞州法尔茅斯的伍兹霍尔研究中心工作。在12公里的分辨率下,该模型可以揭示大气中对模拟风暴很重要的小规模现象。但是Zobel的模型需要大量的计算能力,所以团队只关注美国大陆,而不是全球。即使使用超级计算机,模型也需要一年多的时间才能完成计算。但最终,研究人员详细研究了如果温室气体排放在2094年之前持续保持高位,美国的不同地区如何受到温度和降水极值的影响。

茂盛或崩溃

科学家发现极端降水事件将在该国大部分地区增加。他们还发现了未来模式的一些较大变化,例如在由西向东喷射气流的位置,控制着美国中部大部分地区的天气。

之所以出现这种变化,是因为北极目前的变暖速度快于中纬度地区,因此两个地区之间的温差较小。作为回应,喷射气流在模拟中向北移动,从墨西哥湾带来温暖潮湿的空气。结果是,美国大部分玉米和小麦作物种植的中西部各州,在播种时节每年春季可能会出现更严重的风暴。同时,该模型表明干旱期将会延长。

“这真的归结为,要么茂盛,要么崩溃的降水模式。” Zobel说,“这将使农民如何种植作物的工作变得复杂。” 这项研究成果上个月发表在《地球的未来》杂志上。

对于安德烈亚斯·普林(Andreas Prein)而言,犹记得2002年的夏季大雨席卷了整个中欧。普林在奥地利军队服役,他的部队被派遣到奥地利北部遭受洪水蹂躏的地区,那里的小溪变成洪流,损失达到30亿欧元(34亿美元)。 “看到小溪流可以造成这样的破坏真是令人震惊。”普林说,“太让人难以置信了。”

今天,普林是NCAR的一名大气科学家,也是新型高分辨率气候模型的领导者。该研究旨在以比Zobel更高的分辨率模拟未来的气候。它的计算范围缩小到4公里或更小,这在计算力上非常昂贵,只能在相对较小的区域内完成。

4公里是至关重要的,因为它是个别风暴演变并通过对流增强的维度。该领域被称为允许对流的气候建模,它允许研究人员更加逼真地模拟风暴。这些计算类似于天气预报员预测第二天或第二天风暴将如何发展。 “但我们想要模拟几十年到几个世纪。”普林说,“它基本上复制了天气预报的功能,但时间跨度要长得多。”

正在进行的工作中,英国的研究人员已经在2.2公里的分辨率下进行了欧洲范围的气候模拟,并发现了一些关于未来风暴的警告信号。英国埃克塞特气象科学家,气候科学家伊丽莎白·肯恩说:“目前,在整个欧洲大部分地区,出现极端天气的季节主要是夏季。” 在模拟全球变暖的过程中,夏季的暴雨会越来越大,极端事件会在今年晚些时候发生。这表明官员们可能需要做更多的准备来应对冬季风暴带来的洪水。

飓风是另一个主要问题。加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的Christina Patricola和Michael Wehner使用对流许可模型研究了2005年卡特里娜飓风和2017年的艾尔玛和玛利亚飓风。他们发现气候变化导致这些风暴中的降雨增加了9%,并且未来其后变暖几乎肯定意味着来自类似飓风的更极端降雨。

到目前为止,NCAR运行的最大对流许可模拟之一,以4千米的分辨率覆盖了美国大陆。它实际上是两个模拟,一个模拟过去,另一个模拟未来。第一个模拟了2000年10月到2013年9月之间的全球气候,以测试该模型如何准确再现那些年中发生的事情。 “我们一开始就就像做天气预报一样,然后我们13年都没有停下来。”普林说。

第二次模拟研究了本世纪末的类似时期,结合了社会继续高速生产温室气体所预期的因素。

通过比较这两者,科学家可以梳理出增加温室气体水平的可能影响。由于模拟的分辨率如此之高,它们可以捕捉到未来个别风暴可能形成和演变的方式

在这些模型的许多发现中,到本世纪末,强烈的美国雷暴频率将增加三倍以上,其最大降雨量将增加15-40%。风暴也会变得更大,几乎是暴雨降临地区的两倍。这对洪水风险有重大影响。 “如果你想到一个大的雷暴在一个城市地区移动,与风暴覆盖城市集水区的一半或全部,它会产生很大的不同。”普林说。

他和他在NCAR的同事正在开发第二套模拟,他们希望在未来几个月内开始运行。它将模拟向北延伸到加拿大,目的是研究经常在美国中西部上空掠过的强雷暴是否会在未来进入加拿大。这项工作还将涵盖持续20年而不是13年,科学家们希望这将使他们能够捕捉到不断变化的天气模式的趋势。

无论发生了什么,几乎可以肯定的是,这一切都不容错过。在阳光普照的早晨,坐在NCAR的办公室里,Pendergrass拿出一幅图,上面显示了计算机模拟的未来可能会出现何种极端降水。 “到目前为止,我们看到的东西与即将到来的相比要小得多。”她说,“那真是太可怕了。”

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