在古代，人類對自然現象的理解有限，比如對常見的刮風下雨的天氣現象，人類並沒有弄清其中原理也無法操控他們的發生。於是在那個沒有科學的年代，我們的祖先們充分發揮想象力，創造出有關於「龍王」的神話故事。「龍王」被賦予掌管降雨的能力，而各種水浸和幹旱災害則是因為「神仙發威」而災降人間。所以一到發生各種災害的時候，人們就透過各種祈福儀式，減少災難的影響。
隨著氣候變遷，各種氣象災害發生地更加頻繁帶來嚴重影響，比如2024年入夏以來，在中國的華南、長江流域地區發生特大暴雨，洞庭湖決堤，牽動全國人民的心。8月份在甘肅、四川，也發生了多起泥石流災害，這樣的情況仿佛是「龍王」在「摸魚」和「亢奮」之間來回搖擺，極端降雨頻頻發生，很多地區幹濕轉換劇烈，好像已經處於「水深火熱」之中。
而事實上大家都知道龍王是不存在的，那麽現代科學，大氣理論又是怎麽解釋這種頻繁發生的極端天氣現象呢？近日，中國科學院大氣物理研究所LASG國家重點實驗室張文霞副研究員等與英國氣象局學者合作，在Science發表題為「人類活動導致過去百年來全球降雨變率增強」的研究論文，指出頻繁而劇烈的幹濕轉換背後，其實是降雨變率在變化。而造成「擺爛的龍王」的罪魁禍首，正是我們人類自己。
「降雨變率增強」意味著什麽？
降雨變率是指降雨隨時間的波動振幅，包括年降雨量、月降雨量、日降雨量的波動振幅，常以標準差衡量。
降雨變率的強弱變化反映了一個地區降雨的穩定性或波動性。降雨變率越強，則降雨在時間上的分布越不均勻，水資源供給越不穩定，同時「濕期更濕、幹期更幹」，幹濕轉換更加劇烈。表現為，一個地區可能在某個時期經歷更長時間或者更強的極端幹旱，而在隨後一段時間內遭遇異常多雨，這種多變性就是降雨變率增加的體現。
降雨變率的強弱變化直接影響到社會和生態系的氣候可恢復力（climate resilience），是氣候變遷應對工作必須考慮的重要環節。比如，極端降雨造成城市內澇，毀壞基礎設施。
盡管氣候模式預估全球降雨變率將隨著未來增溫而增強，但觀測中人類活動是否已經改變了降雨變率尚無證據。這項最新研究給出了清晰的回答。
該研究利用了所有可以公開獲取的逐日降雨觀測資料，揭示了1900年以來，在觀測資料充足的地區，全球約75%的陸地上降雨變率已經增強，特別是歐洲、澳洲和北美東部趨勢尤為顯著。全球平均的逐日降雨變率增長的速度為1.2%/10年。
基於GHCN-Daily觀測資料的1900-2020年間逐日降雨變率的線性趨勢
（圖片來源：參考文獻1）
采用2021年諾貝爾物理學獎獲得者克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）提出的最優指紋法進行檢測歸因研究後發現，降雨變率的增強可歸因於工業化以來人類活動排放的溫室氣體。
溫室氣體排放引起大氣增溫，大氣增暖後持水能力增加，即大氣中容納的水汽含量增加（這就是經典的克勞修斯—克拉伯龍關系）。因此，當發生降雨時，即使降雨系統的動力條件不變，大氣水汽含量的增加也會使得降雨強度更大，從而使得「降雨變率增強」。這個過程就是大氣增溫的熱力效應。
另一方面，大氣環流的變化也會影響降雨變率，這被稱之為動力作用。需要強調的是，由於大氣環流對全球增溫的響應很復雜、且受到氣候系統內部變率的重要影響，動力作用對降雨變率的影響存在很強的年代際特征和區域差異。
如何應對未來的「降雨變率增強」？
這項研究結合嚴謹的觀測分析、物理過程診斷和檢測歸因，為觀測中降雨變率的增強提供了全面的認識，指出了人類活動對於降雨變率的影響，從而為多尺度水迴圈增強提供了重要的新證據。
極端事件之間的劇烈和快速轉換印證了極端事件復合性這一新特征。這不僅對當前的氣候預測系統提出了新的挑戰，而且還將產生一系列社會和生態影響，包括水資源供給、社會和基礎設施的氣候恢復力、生態系功能、陸地碳匯等等。
在未來，這種降雨變率的變化和造成的影響在增暖背景下將持續和增強，而變暖狀況是降雨變率重要的影響因素。中國面臨水資源壓力，面臨著旱澇的雙重夾擊，未來「龍王擺爛」帶來的風險，給我們的災害風險管理、水資源調控帶來了新挑戰。因此，社會各界亟需加強風險應對和災害防治能力。同時，公眾也要提高風險意識，重視氣象災害預報預警，做到「防範於未然」。
參考文獻：
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Zhang Wenxia, Tianjun Zhou*, Peili Wu. 2024. Anthropogenic amplification of precipitation variability over the past century. Science.
出品：科普中國
作者：潘容筠 張文霞（中國科學院大氣物理研究所）
監制：中國科普博覽
