隨著氣候增暖，極端強降水頻繁襲擊全球各地。“幾天下完一年的雨”，正變得越來越常見。與此同時，全球許多地區的干旱也顯著增加。頻繁而劇烈的干濕轉換，已經置地球氣候于“水深火熱”之中。造成上述現象的背后，其實是降水多變性在變化。
廣東珠海唐家灣上空的弧狀積雨云和雨幕。(高斯供圖)
在相對干旱的黃土高原和青藏高原的連接帶上，一場暴雨正從天而降。(黎偉標攝影)
中國科學院大氣物理研究所聯合英國氣象局的最新研究首次提供了系統的觀測證據，證明人為溫室氣體排放正在使全球降水的模式變得更加不穩定。研究發現，自20世紀以來，從全球到區域尺度，從日尺度到季節內尺度，降水多變性已經在系統性的增強。7月26日，相關成果發表于《科學》雜志。
“這項研究從多變性的新視角為人類活動如何影響水循環的多時間尺度變化提供了新認識。極端氣候事件之間的劇烈和快速轉換，印證了極端事件具有復合性這一新特征。該成果為旱澇復合事件的發生原因提供了物理解釋，為如何應對極端事件提供了重要參考。”論文通訊作者、中國科學院大氣物理研究所研究員周天軍告訴《中國科學報》。
尋找降水變化中的人為影響指紋
伴隨工業化以來人類活動引起的全球增暖，全球水循環正在增強。其中，降水的變化體現在多個方面，包括全球平均降水在增加，全球大部分地區極端降水在增強。科學界為獲得這一清晰的物理圖像，前后經歷了190多年的研究歷程。
在此過程中，存在一個有趣的認知范式，即理論研究總是領先于觀測實踐。不管是對平均降水還是極端降水的變化，研究工作都經歷了從理論和模擬研究到觀測分析和檢測歸因的歷程。
“我們關于人類活動如何影響降水的科學認知水平的提高，得益于氣候變化研究史上的幾個里程碑性的進展，一是大氣環流模式的誕生，二是檢測歸因理論和方法的發展。”周天軍說,它們使得我們能從觀測到的實際變化中檢測和證實人類活動的影響，從而尋找到人類活動影響的“指紋”。這兩大里程碑，其中就有2021年諾貝爾物理學獎獲得者真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）各自的卓越貢獻。
“人類活動對氣候系統影響的最為直接的體現，是溫度和降水的變化。由于降水變化的物理過程復雜、空間分布不均勻，而且受自然內部變率的影響很大，故要從歷史降水變化中明確檢測到人類活動影響的指紋具有很大的挑戰。”周天軍說，早在1996和1999年，英國氣候學家Simon Tett與合作者分別在《科學》和《自然》發文，將20世紀全球大氣溫度的垂直結構和全球表面氣溫的變化歸因于人類活動的影響。2001年發布的政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第三次評估報告第一次明確指出, “過去50年觀測到的大部分增暖‘可能’歸因于人類活動造成的溫室氣體濃度上升”。
與溫度變化研究形成鮮明對比的是，關于降水的變化,直到2007年，加拿大皇家科學院張學斌院士領銜的國際團隊才在《自然》發文，實現了對全球尺度平均降水變化的檢測歸因，這比對平均溫度變化的檢測歸因晚了11年。
直到2013年，IPCC 第五次評估報告才明確指出“人類活動導致了陸地降水型的大尺度變化”。“對比之下，可見降水變化檢測歸因研究的難度之大”，周天軍強調。
氣候變化新現象：降水更為多變
盡管科學界對平均和極端降水變化的認識越來越清晰，但是降水不斷表現出更加復雜多變、難以捉摸的脾性——這就是降水的多變性。多變性越強，則干濕振蕩越劇烈，即“濕期更濕、干期更干”。
關于降水多變性的理論研究，研究團隊已經有較好積累。人類活動是否已經造成觀測中降水多變性的變化，是研究團隊一直在追蹤的問題。直到今年，研究團隊的最新研究首次提供了系統的觀測證據，證明過去百年來人類活動已經造成了全球尺度降水多變性增強。
該研究利用國際上所有可公開獲取的逐日降水觀測資料，揭示了1900年以來，在觀測資料充足的地區，全球約75%的陸地上降水多變性已增強，其中尤以歐洲、澳大利亞和北美東部最為顯著。降水多變性的增強涵蓋了多個時間尺度，包括天氣尺度、月尺度和季節內尺度。就全球平均而言，逐日降水變率正以1.2%/10年的速率在增強。
“為理解降水多變性增強的物理原因，我們基于一個兩層約化水汽收支動力診斷模型和最優指紋檢測歸因法，證實了人為溫室氣體排放的主導作用。其具體的物理過程由大氣熱力作用主導，即溫室氣體增溫引起大氣水汽含量增加，有利于降水異常幅度增大、多變性增強。同時，大氣環流也會影響其年代際變化，這種動力作用存在明顯的區域特征，故區域尺度上的變化更為復雜。”論文第一作者、大氣物理研究所副研究員張文霞說。
張文霞認為，此前科學界僅在氣候預估研究中發現降水多變性理論上未來將隨增溫而增強，這里我們基于歷史觀測資料，發現隨著人為氣候增暖的累積，降水多變性已經在逐漸增強。綜合觀測分析、物理過程診斷和檢測歸因，這項研究為認識全球變暖對降水的影響從變率的角度提供了新認識。
降水多變的影響更深遠
“氣候變化研究傳統上主要關注平均態和極端事件的變化，關注全球變暖對變率也就是氣候多變性的影響是一個新視角。今年我國河南經歷的‘6月抗旱7月抗洪’這種旱澇急轉現象，就是降水多變性增強的具體體現”，周天軍說。
全球增暖令降水更多變這一事實，一方面，對當前的氣候模式和氣候預測系統提出了新的挑戰。降水多變性增強意味著旱澇轉換的幅度更強、轉換更快，這使得對旱澇急轉的準確預測更具有挑戰性。
另一方面，降水多變性增強將對民生和自然生態系統產生級聯影響，影響到基礎設施、水資源供給和生態系統穩定性等。“由降水多變性增強造成的一系列影響已經凸現，社會各界對此需要高度重視，并采取切實有效的措施來減緩其不利影響，”周天軍強調。
“未來，我們將進一步探索多尺度旱澇急轉的變化機理，特別是不同時間和空間尺度上大氣環流的作用、陸面-大氣反饋等過程的作用，從而為旱澇急轉的預測提供理論基礎。”張文霞說，同時，我們還將關注不同類型的復合極端降水事件，這是全球變暖背景下極端事件正在涌現出來的新特征。我們也在思考降水多變性增強所帶來的一系列影響，包括生態系統功能和碳匯的穩定性等，探索多學科交叉研究的新路徑。