在古代，人類對自然現象的理解有限，不明白刮風下雨等天氣現象的原理，也沒有掌握其發生規律。在那個科學知識匱乏的年代，我們的祖先發揮想象力，創造出有關“龍王”的神話故事，賦予“龍王”掌管降水的能力，想象洪澇和干旱等災害是因為“神仙發威”降臨人間，所以每逢氣象災害，人們就通過祈福儀式，以求減少災害給人們帶來的影響。

頻繁的氣候變化給各個地區帶來嚴重的氣象災害影響，比如，2024年入夏以來，在中國的華南地區、長江流域地區發生特大暴雨，洞庭湖決堤，牽動著全國人民的心。8月份在甘肅、四川兩地，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，極端降水頻頻發生，很多地區“干濕轉換”劇烈，處於“水深火熱”之中。

7月21日，鄭州市內，市民在轉移物資。圖片來源：新華社記者 朱祥 攝

那麼，現代科學中的大氣理論，又是怎麼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大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室（LASG）張文霞副研究員等學者與英國氣象局合作，在《科學》（Science）雜志發表題為“人類活動導致過去百年來全球降水變率增強”的研究論文，指出頻繁而劇烈的“干濕轉換”背后，其實是降水變率在變化，而造成這種變化的，正是我們人類自己。

“降水變率增強”意味著什麼？

降水變率是指降水隨時間的波動幅度，常以標准差衡量，包括年降水量、月降水量、日降水量的波動幅度。

降水變率的強弱變化反映了一個地區降水的穩定性或波動性。降水變率越強，降水在時間上的分布越不均勻，水資源供給越不穩定，出現“濕期更濕、干期更干”的現象，“干濕轉換”更加劇烈，一個地區可能在某個時期經歷更長時間或者更強的極端干旱，而在隨后一段時間內卻遭遇異常多雨，這種多變性就是降水變率增加的體現。

降水變率的強弱變化直接影響到社會和生態系統的氣候可恢復力（Climate Resilience），是應對氣候變化必須考慮的重要環節。比如，極端降水會造成城市內澇，毀壞城市基礎設施。

盡管根據氣候模式預估，全球降水變率將隨著未來增溫而增強，但人類活動是否已經改變了降水變率，目前尚無証據，對此，最新的研究給出了清晰的回答。

該研究利用所有可以公開獲取的逐日降水觀測資料，揭示了自1900年以來，在觀測資料充足的地區，全球約75%的陸地上降水變率已經增強，特別是歐洲、澳大利亞和北美東部，增強趨勢尤為顯著，全球平均逐日降水變率增長速度為1.2%/10年。

2021年諾貝爾物理學獎獲得者克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）提出最優指紋法，採用該方法進行檢測歸因研究后發現，降水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的增加。

溫室氣體排放引起大氣增溫，大氣增暖后持水能力增加，即大氣中容納的水汽含量增加，這就是經典的克勞修斯—克拉伯龍方程（Clausius–Clapeyron relation）。因此，當降水發生時，即使降水系統的動力條件不變，大氣水汽含量的增加也會使降水強度更大，從而使降水變率增強。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水變率，稱為“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”對降水變率的影響存在很強的年代際特征和區域差異。

如何應對“降水變率增強”？

這項研究通過嚴謹的觀測分析、物理過程診斷和檢測歸因，為觀測中降水變率的增強提供了全面的認識，指出了人類活動對於降水變率的影響，為多尺度水循環增強提供了重要的新証據。

極端事件之間劇烈和快速的轉換印証了“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、生態系統功能、陸地生態系統碳匯等。

未來，這種降水變率的變化和影響將在增暖背景下持續增強，而變暖狀況是降水變率重要的影響因素。我國面臨水資源壓力和“旱澇”雙重夾擊，未來“龍王擺爛”帶來的風險，將給我們的災害風險管理、水資源調控帶來新的挑戰。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“防患於未然”。

作者：中國科學院大氣物理研究所潘容筠、張文霞

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