極端天氣頻發(fā)地球怎么了？

高登義

2021年7月20日，河南省遭遇極端強降雨，暴雨中心鄭州幾成澤國。7月20日8時至21日8時，鄭州市內(nèi)24小時降雨量達到624.1毫米，超過2019年全年的降水量（509.5毫米），最大降水強度創(chuàng)歷史最高，為201.9毫米/時，超過1975年的“758特大暴雨”（198.5毫米/時），相當于有150個西湖的水于一小時內(nèi)傾倒在鄭州大地上，導致城市內(nèi)澇，災情嚴重。

2021年7月河南特大暴雨是怎么形成的？一般說來，凡是特大災害天氣，其直接原因都是大氣環(huán)流異常。這次河南特大暴雨的直接原因是北半球大氣環(huán)流異常，以及具有形成暴雨或特大暴雨的天氣條件。

什么叫“大氣環(huán)流異?！蹦兀吭谙募?，在北半球500百帕（即海拔5500米左右的等壓面）上，大氣環(huán)流有4～5個波，氣流自西向東運動。如果這些波動比較均勻地運動，即可說大氣環(huán)流正常。在此情況下，很難出現(xiàn)災害天氣。但如果這些波動不是均勻地自西向東運動，甚至在某地方有較長時間停留，那大氣環(huán)流就不正常了。

我國著名天氣學家、天氣預報權(quán)威陶詩言院士曾帶領(lǐng)中國科學院大氣物理所一批專門研究暴雨的科學家，就暴雨的形成原因與預報問題撰寫了多篇論文，提出了暴雨形成的三個基本條件。丁一匯院士總結(jié)陶詩言院士研究暴雨形成的三個條件是：“大形勢穩(wěn)定”“水汽的輸送與輻合”和“對流不穩(wěn)定能量的釋放和再生”。

第一個條件是“大形勢穩(wěn)定”。何謂“大形勢穩(wěn)定”？丁院士解釋說，“當兩個天氣尺度的降水系統(tǒng)相遇時，它們的移動速度減慢或停滯少動”“使得在這地區(qū)內(nèi)有多次中尺度降水系統(tǒng)發(fā)生，或有某個中尺度系統(tǒng)持久維持”。這里提到的“天氣尺度”就是水平尺度為500～1000千米范圍的天氣波動。這次鄭州極強暴雨的原因之一正是“大形勢穩(wěn)定”：北半球500百帕上大氣環(huán)流異常，而不是比較勻速地自西向東移動，也即天氣尺度系統(tǒng)在某處停滯不前了。

一旦大氣環(huán)流異常，災害性天氣就來了。例如，河南此次特大暴雨，就是由于西太平洋副熱帶高壓強盛。該高壓從海上向我國大陸西進，并穩(wěn)定少動，恰巧停滯在河南的東側(cè)。與此同時，在此高壓南側(cè)正好有一個臺風“煙花”。副熱帶高壓南沿的偏東氣流把“煙花”臺風的暖濕氣流輸送到大陸上，與西北移動來的冷渦相遇。如此長時間的冷暖空氣對峙，必然形成特大暴雨（見下圖）。

2021年7月河南特大暴雨環(huán)流形勢圖

河南省遭遇極端強降雨，暴雨中心鄭州幾成澤國

“副熱帶高壓輸送煙花臺風的暖濕水汽”，這便是丁院士總結(jié)的形成暴雨的三個條件之二：“水汽的輸送與輻合”。何謂“水汽的輸送與輻合”？丁院士解釋，當某地空氣柱內(nèi)的含水量形成的可降水量不超過75毫米時，要形成暴雨（日降水量50～100毫米）或大暴雨（日降水量100～200毫米）等，就必須有外部輸送來的水汽，才能夠繼續(xù)下雨。

這次鄭州的特大暴雨，其外來水汽輸送得力于副熱帶高壓南部偏東氣流把“煙花”臺風的暖濕水汽輸送到河南，正好符合丁院士總結(jié)的“水汽的輸送與輻合”條件。

形成暴雨的第三個條件是，“對流不穩(wěn)定能量的釋放和再生”。什么意思呢？當某地生成強對流云降雨后，大氣從不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定，就不會再下雨。此時，若該區(qū)域內(nèi)存在低空暖濕氣流和上層微弱的冷氣流，則該區(qū)域內(nèi)的大氣又會重新不穩(wěn)定，這樣就又可能繼續(xù)降雨。? 由此可見，7月河南特大暴雨的直接原因是北半球大氣環(huán)流異常，并同時具有了形成暴雨或特大暴雨的上述三個條件。

1.大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定。西太平洋副熱帶高壓和大陸高壓分別穩(wěn)定維持在日本海和我國西北地區(qū)，導致兩者之間的低值天氣系統(tǒng)在黃淮地區(qū)停滯少動，造成河南中西部長時間出現(xiàn)降水天氣。

2.水汽條件充沛。7月中旬河南處于副高邊緣，對流不穩(wěn)定能量充足，18日臺風“煙花”生成并向我國靠近。受臺風外圍和副高南側(cè)的偏東氣流引導，大量水汽向我國內(nèi)陸地區(qū)輸送，為河南強降雨提供了充沛的水汽來源。

3.地形降水效應顯著。太行山區(qū)、伏牛山區(qū)特殊地形對偏東氣流的抬升輻合效應，使得強降水區(qū)在河南省西部、西北部沿山地區(qū)穩(wěn)定少動，地形迎風坡前降水增幅明顯。

4.對流“列車效應”明顯。在穩(wěn)定天氣形勢下，中小尺度對流天氣系統(tǒng)反復在伏牛山前地區(qū)發(fā)展并向鄭州方向移動，形成“列車效應”，引起局地極端強降水。

“列車效應”是指長時間的降水并不是因為一塊穩(wěn)定不動的降雨云團造成，而是對流系統(tǒng)反復生成發(fā)展，使很多降水云團先后經(jīng)過同一個地方，造成同一地區(qū)出現(xiàn)長時間降水的情況?！傲熊囆笔嵌虝r強降水與暴雨之間重要的聯(lián)系橋梁。

從7月河南特大暴雨，筆者聯(lián)想到近來我國長江流域的龍卷風、北京的冰雹，以及2021年夏天美洲的酷熱（49 ℃以上的地面氣溫），歐洲的暴雨，2020年冬與2021年春的酷寒……北半球災害性天氣頻繁出現(xiàn)，其根本原因應該與全球氣候變暖（尤其是北極地區(qū)氣候變暖）有密切關(guān)系。

科學家認為，北半球災害性天氣的頻率會大大增加。

首先，冷暖突變非常明顯。比如，在2021年6月29日，北美地區(qū)的加拿大和美國西北部的氣溫出現(xiàn)歷史新高，大部分地區(qū)地面氣溫達到46～49 ℃，高溫天氣致使數(shù)百人死亡。2019年秋天，美洲又酷寒，氣溫降至-20～-30 ℃。與此同時，還伴有暴風雪，造成數(shù)百人失去生命。

那么，這種酷熱酷寒是如何形成的呢？

北極，是指北緯66度34分以北的地區(qū)。在北極的高空，也就是離地面30～50千米的位置，存在著一個被稱為“北極冷渦”的天氣系統(tǒng)，北半球的冷空氣基本都堆積在這個冷渦里，可以說它是北半球冷空氣的老巢。當冷渦里的冷空氣非常強時，它的運動基本上是緯向的，即冷空氣自西相對平直地向東運動，不大容易向南深入到低緯度地區(qū)，因此原本不容易帶來寒潮災害。

2021年夏季籠罩在北美上空的“熱穹頂”造成持續(xù)高溫（示意圖）

不均勻變暖帶來北極圈附近的南北向環(huán)流

北極冷渦（模擬圖）會給其掃過的地區(qū)帶來嚴寒

但最近100年以來，由于北極地區(qū)變暖，陸地升溫遠遠大于海洋地區(qū)，在北極地區(qū)形成了溫度分布的極大差異，使得北極圈附近的環(huán)流變得曲曲折折，向南北延伸，即變成準南北向的環(huán)流。一旦形成這種環(huán)流，北極圈的冷空氣就有機會大舉順勢南下，帶來寒潮災害天氣。

現(xiàn)在，由于全球變暖，海表溫度增加，給副熱帶高壓的增強提供了條件。當副熱帶高壓移動到陸地時，會改變那里的氣溫。副熱帶高壓中的空氣是向下運動的，即氣象學所說的“下沉氣流”，這使得地面上接受太陽輻射而產(chǎn)生的熱量難以向上流動，地面熱量得不到釋放，就造成氣溫越來越高。

這就是副熱帶高壓給陸面上帶來的酷熱。如果氣候的變化超過了正常波動的上限或者下限，就會出現(xiàn)極端天氣氣候事件。

近幾年來，我們切身感受到了極端天氣的變化。過去長江以北基本上沒有出現(xiàn)過龍卷風，北京城區(qū)過去是沒有冰雹的。但是，最近幾年來，長江流域多次出現(xiàn)龍卷風，北京城區(qū)幾次出現(xiàn)冰雹。

德國被洪水淹沒的工廠

俄羅斯的森林火災

這些異?，F(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在我國。近來，從德國洪水泛濫，到俄羅斯遠東地區(qū)森林火災，再到北美高溫和干旱，全球近期極端天氣頻頻發(fā)生，令科學界為之擔憂。

總之，當今北半球頻繁出現(xiàn)的多種天氣異常現(xiàn)象，其直接原因是北半球大氣環(huán)流異常，其根本原因應該與全球變暖（特別是北極變暖）密切相關(guān)。城市災害性天氣除了與氣候變暖有關(guān)，也與人類活動有關(guān)。比如，城市的擴建是城市災害性天氣頻發(fā)的重要原因之一。又比如，樓房的布局和空調(diào)的大量使用等改變了城市的空氣流動方式和熱量分布，造成冰雹、局地暴雨等異常的天氣現(xiàn)象。

目前，國際社會應對全球變暖的主要措施是“碳減排”。我國正在進行的“碳達峰”和“碳中和”等行動，都是應對氣候變化的重要舉措。