關注極端天氣，別讓地球去『流浪』

◆ 本刊綜合

策劃人語：

極端天氣是困擾人類社會發(fā)展的自然災害之一。我國地處副熱帶和溫帶大陸東岸季風氣候區(qū)，夏季雨水豐沛，海陸影響顯著。2021年，受南海夏季風、印度季風和東亞季風的影響，我國東部雨季呈階段性和轉折性變化特征，導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)累計降水量超過500毫米。在這次特大暴雨過程中，鄭州等19個國家氣象站日降水量均突破了建站以來的歷史極值，此次降雨過程累計雨量多、降雨強度大，極端性非常突出。

2021年8月11—12日，湖北省多地遭受短時強降雨襲擊。其中襄陽宜城市最大降水量達484毫米，系當?shù)赜袣庀笥涗浺詠淼淖畲笾担顺鞘泄灿?4座水庫超汛限。湖北省氣象局將重大氣象災害應急響應提升為Ⅲ級。

2021年10月2—7日，暴雨突襲山西省多個縣市，18個縣市降水量超過200毫米，累計降水量最大為285.2毫米。其中降水量以及累計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災害事件頻繁上演。

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？暴雨預報預警到底難在哪里？讓我們共同關注與每個地球人都息息相關的天氣變化。

——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致的異常寒冷或炎熱天氣有關，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，這一趨勢可能進一步惡化。

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，大氣中的水分就會增加7%，進而導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。加之熱帶風暴成為更高級別颶風的幾率每十年增加8%，被野火燒毀的森林面積也會翻倍。

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，強度更強、更加頻繁、持續(xù)時間更長。然而，任何極端天氣事件的發(fā)生是許多因素共同驅動的結果。

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，當大氣中的暖空氣團和冷空氣團相遇時就會形成急流，急流變慢時會變成波浪狀，暖空氣被帶到北方，冷空氣被帶到南方，在一段時間內形成阻斷模式，分別導致熱浪或洪水的發(fā)生。

德國觀察發(fā)布的《全球氣候風險指數(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，經(jīng)濟損失總計約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、社會經(jīng)濟系統(tǒng)等多層次、全方面的沖擊?！皫资暌挥觥鄙踔痢鞍倌暌挥觥钡臉O端天氣，正變得越來越常見。

氣候變化將對人類的生活產(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到史上第二低值，作為地球的“空調”，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第五次評估報告指出，20世紀50年代以來，人類活動導致了一半以上的全球變暖。人類活動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)科學家認為，降低進一步溫度波動風險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年后全球應對氣候變化行動作出了安排。其長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2攝氏度以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5攝氏度以內。

應對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)花粉記錄的季風氣候變化和碳14概率密度揭示的人類活動，都存在約500年周期變化，季風氣候驅動的周期性暖濕、冷干與人類活動的強、弱以及史前文化的盛衰變化幾乎同步。

在東北地區(qū)史前六個文化繁盛期中，除了紅山文化對應了千年尺度的中全新世適宜期外，其他都明確地對應著500年周期的暖濕期。研究認為，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年周期與太陽活動引發(fā)的厄爾尼諾——南方濤動的頻率變化關系密切。

這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了史前人類活動、文化演替與周期性自然氣候變化之間存在密切關系，且進一步表明，在東亞季風區(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。

探尋季風變化規(guī)律

為了驗證東北地區(qū)500年周期研究的可重復性和普遍性，科研人員檢索了大量的文獻數(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年準周期降水的地質記錄。經(jīng)進一步對比后發(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。

近半個世紀以來，我國東部季風區(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)今我國季風區(qū)降水的演化格局是在地質歷史時期的長期演化下形成的。由于自然氣候系統(tǒng)的復雜性和模擬預估的不確定性，以及人類器測溫度記錄也僅有不足百年的歷史，因此要客觀地認識百年來季風氣候變化的過程和規(guī)律，需要從更長時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，揭示出適應強夏季風降水的櫟屬植物存在千年尺度和500年準周期性變化。石筍磁性礦物記錄揭示出距今8580年以來長江中游地區(qū)的季風降水變化，在千年尺度變化過程中，兩個地區(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。

結合最近幾十年的觀測記錄和這項研究的結果，我國東部季風區(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。

厄爾尼諾南方濤動是幕后推手

如果把厄爾尼諾南方濤動比作一枚硬幣，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，導致東亞季風顯著偏弱，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，導致了西太平洋副高控制的反氣旋向北偏移，驅動東亞季風明顯增強，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控制了季風雨帶在我國季風區(qū)南北方的移動。

無論在什么時間尺度上，我國東部季風區(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下，本世紀初東北和華北地區(qū)已經(jīng)結束了大約200多年的季風降水增加的過程，未來將進入下一個200多年的季風降水減弱的過程。而長江中下游地區(qū)季風降水將開始逐漸增加，未來百年或將迎來更加豐沛的季風降水。

暴雨預報難在哪

暴雨事件在全球大氣科學研究領域是熱點也是難點。面對來勢洶洶的暴雨，要詳盡研究其發(fā)生原因仍需持久攻關，探究困擾全球氣象界的暴雨預報難題是重中之重。我國的暴雨災害遍及大江南北、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害，極端性暴雨天氣也頻頻出現(xiàn)。暴雨預報預警機制顯得尤為重要。

多年來，得益于日漸完善的氣象觀測系統(tǒng)、高分辨率數(shù)值模式預報系統(tǒng)的發(fā)展以及諸多先進科研成果的業(yè)務化應用，我國暴雨研究和預報不斷取得進步。但在本質上，大氣運動的混沌性決定了天氣預報必然會有一定程度的誤差，同時暴雨因其局地性、突發(fā)性和活動規(guī)律多變等特征，其形成機制迄今尚未被研究透徹，依然是全世界氣象領域的一道難題。

利用數(shù)值天氣預報模式產(chǎn)品，并結合預報員自身的知識經(jīng)驗是我國暴雨預報的主要手段。近年來，雖然數(shù)值天氣預報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)時環(huán)流形勢整體穩(wěn)定、清晰，但受中小尺度對流系統(tǒng)的作用，其尺度波及范圍較窄且生命周期較短，當前的數(shù)值預報模式很難將其準確清晰地表達出來。

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）

暴雨研究和預報一直是我國氣象工作者的主攻難點之一。早在20世紀初期，我國科學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、暴雨分析和預報方面取得了重大進展。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)驗教訓，從全國層面加強對暴雨的研究，暴雨研究也逐步從天氣尺度轉向中尺度天氣，暴雨預報由經(jīng)驗定性向定量化方向轉變。

除了數(shù)值模式改進和研發(fā)客觀預報方法外，專家預報員對暴雨預報能力的精準提升和服務同樣關鍵?，F(xiàn)階段專家型預報員需要對暴雨形成過程具備敏銳的洞察力，從海量觀測和預報信息中，分析預報關鍵影響系統(tǒng)及其與未來暴雨發(fā)生時間、地點和降水量的關聯(lián)，及早發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)預報偏差，凝練關鍵預報因子，借助各類現(xiàn)代化預報技術，最終形成對重大暴雨過程的正確預報意見。

面對暴雨這一科學難題，氣象業(yè)務科研部門與大氣科學研究專家學者將密切配合持續(xù)開展攻關。然而，提高人民群眾科學素養(yǎng)，強化決策者的防災、減災意識和能力，深入了解暴雨預報如何做出、難度在哪兒、風險多大，才能更好地利用氣象預報預警做好各項準備和安排。

我們賴以生存的這個星球，有風和日麗、月朗星稀，亦有驚濤駭浪，地動山搖。任何一個天氣現(xiàn)象的形成都有其氣象學的成因，如果將其中的每一個數(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，變化中的一個瞬間。

未來很長一段時間，人類或將面臨更多、更大的極端天氣的考驗，保護地球家園，每一個地球人都義不容辭。

延伸閱讀

災難現(xiàn)場的“救援神器”

在防汛救災體系中，除了人力援持外，無人機、水面救生機器人、動力舟橋等也被廣泛應用到救災行動中，成為新時代的救援神器。

應急救災型無人機：提供應急通信保障

翼龍-2H應急救災型無人機主要針對災害探查、應急通信保障等任務研制，可定向恢復50平方公里的移動公網(wǎng)通信，建立覆蓋15 000平方公里的音、視頻通信網(wǎng)絡。針對災區(qū) “三斷”情況，通過融合空中組網(wǎng)、高點中繼等技術，實現(xiàn)圖像、語音、數(shù)據(jù)上下貫通橫向互聯(lián)。為災區(qū)人民報告災情、報送平安、及時恢復移動公網(wǎng)信號，打通應急通信保障生命線。

圖7 翼龍-2H應急救災型無人機

天樞-A8系留無人機：提供照明、值守等應急保障

天樞-A8系留無人機是國內唯一能在50—300米高空作業(yè)的平臺型產(chǎn)品，它能搭載各種載荷并提供持續(xù)性作業(yè)，最高可實現(xiàn)在300米高空穩(wěn)定懸停，續(xù)航能力超24小時，可為災區(qū)提供包括照明、值守、通信等應急保障。

水面救生機器人：遙控施救

水面救生機器人是一款遠程遙控操作的智能化救援設備，自重13kg，空載速度3m/s，載人（80kg）速度1.5m/s；拖拽力大，可承重150kg，最遠可實現(xiàn)500米超遠距離遙控。如遇險情，只需將救生機器人拋擲水面，即可快速、精準航行至落水人員身邊。全程可實現(xiàn)遙控施救。

圖8 水面救生機器人

應急動力舟橋：搭建救援通道

應急動力舟橋是目前國內最先進的水上救援裝備之一，可實現(xiàn)快速架設浮橋和結合漕渡門橋，組合成各種形式的浮式結構，保障人員和大型裝備通行，有效解決涉水搶險難題。

應急排水搶險車：治理城市內澇

應急排水搶險車是城市排水的重要裝備，適用于城市道路、隧道、無電源地區(qū)排水及消防應急供水防汛救災?？蛇h程控制子母式“龍吸水”，每小時可排積水達3000立方米，并能將積水排至2千米之外，是治理城市內澇的“神器”。此外，該車還能通過200米范圍內的遙控控制實現(xiàn)高速排水，在搶險救援中發(fā)揮舉足輕重的作用。

在科技賦能下，越來越多的抗洪搶險利器被投入防汛救災的“戰(zhàn)場”中，各式各樣的“智能+”抗洪技術正廣泛被運用到抗洪搶險中，為高效調度和應急處置提供了科學依據(jù)，能有效提高預警搶險的機動性和時效性。