作者：Alexandra Witze
2017年飓风哈维的降水记录 来源：Jonathan Bachman/路透社
暴雨始于9月13日，当时飓风佛罗伦萨的中心离北卡罗纳海岸还有数百公里。随着巨大的风暴向陆地移动，当地政府命令150多万居民撤离，并警告暴雨可能危及生命。9月15日，佛罗伦萨终于登陆美国，前进速度有所减缓，带来更强的降雨。在有些地方，倾盆大雨一直持续了4天。
这一切都结束时，佛罗伦萨已经带来创纪录般的降雨量，包括北卡罗来纳州伊丽莎白镇的降雨量接近1米，并引发灾难性洪水，数十人死亡。风暴还造成数百亿的经济损失。即使到现在，几个月后的今天，该地区还在恢复中。
佛罗伦萨使当初繁荣的地区陷入瘫痪的故事已经变得耳熟能详。气候学家预计，随着全球气候变暖，极端风暴将会带来更多的降雨。大气层越温暖，容纳的水分越多，风暴的潮湿度就越高。即使在佛罗伦萨登陆前，纽约石溪大学(Stony Brook University)的一个研究小组就预测，飓风所带来的降雨将比地球未变暖时的情况至少多出一半。
极端降雨，连同洪水，山体滑坡等自然灾害是全球最极端的天气之一。今年，印度喀拉拉邦的暴雨导致470多人死亡；日本西南部的洪水导致200多人死亡。在美国11起自然灾害中，洪水、强风暴和热带龙卷风就占9起，目前为止已造成10亿美元经济损失。但要预测出最严重的强降雨在未来的变化趋势，其难度之大显而易见，因为科学家们无法轻易地用计算机模型来模拟这些风暴。
现在，全球很多研究团队都在预测未来极端降雨方面取得进展，他们借助高分辨率模型，能够洞察风暴的形成过程。其中一些最复杂的预报显示，随着全球变暖，间歇性强风暴将伴随更强的降雨，而不再是浇灌作物般的温和阵雨。其他研究表明，雷暴自身形成原因可能会发生根本上变化，从而导致更大更强的风暴，这也意味着更多的洪水。
如果温室气体排放持续上升，佛罗伦萨、印度暴雨等灾难性暴雨将可能在未来继续出现。科罗拉多州博尔德国家大气研究中心(NCAR)的大气科学家Angeline Pendergrass说，所有的迹象都表明，未来20年将比过去20年的情况更差。如果我们继续现在所做的事情，到本世纪末，一切就会变得完全混乱。
更加潮湿
在喀拉拉邦，从六七月的雨季开始，降雨在接下来的几个月就不断增加。在8月中上旬，降雨比以往多出164%。全州范围内，山体滑坡涌入城镇，楼房因地表被水浸透而倒塌。超过100万居民从房屋中撤离。
这个事件中，天气可能不是唯一的问题。一些人指责当地政府官员对当地水坝后面的积水管理不够完善，但是洪水最终要追溯到夏季季风期间比以往更猛烈的风暴。
今年的洪水夺去了印度喀拉拉邦数百人的生命。 图片来源：美联社/ Getty
我们都清楚，风暴携带的水分比以往更多。空气中的水分变化取决于温度变化：空气温度每升高1摄氏度，空气中的含水量可增加7%。政府间气候变化专门委员会（IPCC）已经得出结论：人为因素致使气候变化，导致世界很多地区都遭遇强降雨。
位于阿什维尔的北卡罗莱纳州立大学的大气科学家Kenneth Kunkel说，这只是简单的物理现象。大风暴所携带的强降雨量受大气层中水蒸气数量的限制。增加大气层中的水蒸气，就可以增加这些极端降水事件的降雨量。
但是事实证明降雨问题要比这更为复杂。一个雷暴本质上是一个向上移动的风塔，这些风通过从附近吸收热气流来提供能量。当空气升高到一定高度就会冷却凝结成雨。风暴可以形成自己天气，例如通过形成附近地表的冷空气团来引发更强烈的对流。气候变化可以强化这些反应，导致上升气流越来越强，辐射范围越来越广，进而从周围吸收热气流越来越多，最终导致降雨越来越多。
显然，这就是飓风哈维的形成过程。飓风哈维是美国历史上最强降雨风暴。去年8月，哈维引发的灾难导致休斯顿大部分地区和南德克萨斯州的损失达1250亿美元。三个独立研究都指出，哈维的强降雨不能简单地解释为空气中水蒸气的增加。气候变化使风暴比以往更加潮湿。
在NCAPR，Pendergrass正在建立全球气候模型来确定这对未来极端天气的意味着什么，尤其是它们可能在哪里出现。她研究了气候变化调控大气层中热气流和能量流动的机制，而这些都对降雨在全球的传播形式有改变。
去年，她和她的同事们在三个计算机模型报告中指出，在本世纪接下来的时间里，气温不断增加，整个陆地地区的降雨就会变得更加捉摸不定。换句话说，天气会变得更加疯狂：在整个陆地地区，雨季旱季之间的变换会更加没有规律可循。
现在，她已在深入研究降雨的不均衡性，也就是小雨和倾盆大雨的区别。她和瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的大气科学家Reto knutti研究了1999年到2014年间的世界降雨记录。半年里仅需要12天的降雨量就达到研究地区的降雨中值。她说，极端天气对总降雨量起着重大的作用，比我许多同事意识到的可能还要大。
展望未来的气候模型，研究者们发现这种降雨的不均一性将增加。如果温室气体在未来的排放持续增加，一半的额外降雨将在一年中最潮湿的6天内发生。
这意味着降雨更多，以及带来的危险（比如哈维风暴）更大。Pendergrass一直与科罗拉多丹佛水利管理人员保持着沟通，因为管理人员们想要知道未来他们的大坝需要准备应对多少洪水。她说其他地区也应该做好准备。她和Knutti上个月在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上报道：与其假设更多的降雨，还不如整个社会做好准备，去应对时不时就发生的小变化，以及很多带来强降雨量的事件。
图片来源：E. M. Fischer & R. Knutti Nature Clim. Change 5, 560–564 (2015)
另一组模型强调了社会应该如何做好应对水旱交替的准备。这项工作由气象学家Zachary Zobel领导。他在伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校时，采用了一个通常每100公里计算一次环境状况的全球气候模型并且提高了它的分辨率，每12公里计算一次。现位于马萨诸塞州法尔茅斯的伍兹霍尔研究中心工作的Zobel说，要尽其所能地提高分辨率。在12公里的分辨率下，模型可以发现大气层中对于模拟风暴至关重要的小范围现象。但是Zobel的模型对计算能力要求很高，所以团队只关注美国大陆地区而不是全球范围。即使使用了高性能计算机，模型也花了一年多的时间来计算，但结果是研究者们详细了解了在温度和降雨量极端状况下，全国不同地区将受到怎样的影响，但前提是温室气体排放持续增长直到2094年。
洪水泛滥或者干旱
科学家们发现极端降雨事件将在全国大部分地区增加。他们还在未来模式中发现更大的变化，例如由西向东激流的位置可以控制美国中部大部分地区的天气。
这种变化出现的原因是北极目前变暖速度比中纬度地区快，所以两个地区的温差较小。相对应的，模拟中显示激流向北涌进，同时激流背后的潮湿气流来自墨西哥湾。所造成的结果是全国大部分玉米和小麦在每年春季播种时节生长时，中西部州将很有可能遭受更强烈的风暴。同时，模型显示干旱持续时间将变长。
Zobel说，这真的归结于洪水泛滥或者干旱的降雨模式。这将为农民种植庄稼带来麻烦。这项研究于上个月发表在《地球的未来》（Earth’s Future）杂志上。
Andreas Prein说，他曾在2002年目击过未来可能的状况。当夏季强降雨浸透中欧地区时，Prein正在奥地利部队服役，他的部队被派去帮助被洪水席卷的北奥地利地区，在这里小溪变成了洪流，经济损失高达30亿欧元（合计34亿美元）。Prein说：“我当时真的很震惊，看到小溪能造成如此大的灾难，简直不可思议。”
Prein现在是NCAR的一名气象学家，也是一种新型高分辨气候模型的领导者。研究旨在以比Zobel所使用的模型分辨率更高的模型模拟未来气候。其计算能力可缩小至4公里或者更少的范围内，同时因其价格昂贵，因此只适用于相对较小的区域。
4公里是一个很重要阈值，因为这是单个风暴通过对流演化形成更剧烈风暴的值。这一领域被称为允许对流的气候模型，它能够让研究人员更加现实地模拟风暴。其计算和天气预报员预测风暴在未来一两天内发展方式相似。Prein说：“但是我们想对未来几十年直到几百年进行模拟预测。这本质上就是模仿天气预报，但是时间跨度要长很多。”
在正在进行的研究中，英国研究人员已经以2.2公里分辨率模拟了欧洲范围内气候，并发现了一些有关未来风暴的警告信号。研究小组成员、英国埃克塞特气象局的气候科学家Elizabeth Kendon说，现阶段欧洲大部分区域中出现极端天气的季节主要是夏季。在全球变暖的模拟中，夏季的暴雨更加猛烈，且今年极端天气将出现在晚些时候。这表明当地政府官员们可能需要做更多的工作来应对冬季风暴带来的洪水。
飓风是另一个重要的担忧。加州劳伦斯伯克利国家实验室的Christina Patricola和Michael Wehner已经利用对流模型对2005年的卡特丽娜和2017年的厄玛和玛丽雅破坏性飓风展开研究。他们发现气候变化使这些风暴中的降雨增加了9%，未来气候变暖势必意味着类似的飓风将携带更多极端降雨。
迄今为止，NCAR是最大的允许对流的模型之一，以4公里的分辨率覆盖了美国大陆。它其实是一对模型，一个向后看，一个向前看。前者模拟2000年10月到2013年9月之间的气候变化，来测试该模型还原那些年发生的事情的准确性。Prein说，“我们开始时好似在做天气预报，在这13年里，我们都没有暂停过我们所做的事。”
后者着眼于一个类似于本世纪末的阶段，包含社会继续以高速度排放温室气体所预期的因素。
通过比较这两个模型，科学家们可以梳理出温室气体的排放所带来的可能后果。因为模拟的分辨率很高，所以它们可以捕捉未来单个风暴形成和演变的可能方式。
这些模型有许多发现，包括在本世纪末美国遭受强雷暴袭击的频率将达到三倍以上，其最强降雨量也将增加15%到40%。风暴也会变得越来越大。它们波及的范围将是强降雨范围的二倍。这也很大程度上预示了洪水的危险。Prein表示，“一个大暴雷在整个一个城市上空移动，和雷雨只覆盖了一半或全部城市水库，是两件差异很大的事情。”
Prein和他的同事在NCAR正在开发第二套模拟系统，他们希望在未来几个月中就可以投入运行。这将扩大模拟范围，北至加拿大，旨在研究经常袭击美国中西部州北部区域的强雷暴未来是否会进入加拿大。这项工作将会覆盖持续20年而不仅仅13年，因此科学家们希望这将使他们能够捕捉到气候模式的长期变化趋势。
无论发生什么，几乎肯定的是这一切很难错过。在一个艳阳高照的早晨，Pendergrass坐在她的NCAR办公室里，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。她说，“我们到目前为止所目睹的，与将要到来的一切相比，都不值一提，这真的让人感到有些可怕。”
翻译：高闻笛
审校：赵欢
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