極端天氣頻發地球怎么了？

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傾倒在鄭州大地上，導致城市內澇，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流異常。這次河南特大暴雨的直接原因是北半球大氣環流異常，以及具有形成暴雨或特大暴雨的天氣條件。

什么叫“大氣環流異常”呢？在夏季，在北半球500百帕（即海拔5500米左右的等壓面）上，大氣環流有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，即可說大氣環流正常。在此情況下，很難出現災害天氣。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，那大氣環流就不正常了。

我國著名天氣學家、天氣預報權威陶詩言院士曾帶領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。丁一匯院士總結陶詩言院士研究暴雨形成的三個條件是：“大形勢穩定”“水汽的輸送與輻合”和“對流不穩定能量的釋放和再生”。

第一個條件是“大形勢穩定”。何謂“大形勢穩定”？丁院士解釋說，“當兩個天氣尺度的降水系統相遇時，它們的移動速度減慢或停滯少動”“使得在這地區內有多次中尺度降水系統發生，或有某個中尺度系統持久維持”。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“大形勢穩定”：北半球500百帕上大氣環流異常，而不是比較勻速地自西向東移動，也即天氣尺度系統在某處停滯不前了。

一旦大氣環流異常，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，并穩定少動，恰巧停滯在河南的東側。與此同時，在此高壓南側正好有一個臺風“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，大氣從不穩定變為穩定，就不會再下雨。此時，若該區域內存在低空暖濕氣流和上層微弱的冷氣流，則該區域內的大氣又會重新不穩定，這樣就又可能繼續降雨。? 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.大氣環流形勢穩定。西太平洋副熱帶高壓和大陸高壓分別穩定維持在日本海和我國西北地區，導致兩者之間的低值天氣系統在黃淮地區停滯少動，造成河南中西部長時間出現降水天氣。

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的偏東氣流引導，大量水汽向我國內陸地區輸送，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、伏牛山區特殊地形對偏東氣流的抬升輻合效應，使得強降水區在河南省西部、西北部沿山地區穩定少動，地形迎風坡前降水增幅明顯。

4.對流“列車效應”明顯。在穩定天氣形勢下，中小尺度對流天氣系統反復在伏牛山前地區發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定不動的降雨云團造成，而是對流系統反復生成發展，使很多降水云團先后經過同一個地方，造成同一地區出現長時間降水的情況。“列車效應”是短時強降水與暴雨之間重要的聯系橋梁。

從7月河南特大暴雨，筆者聯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，其根本原因應該與全球氣候變暖（尤其是北極地區氣候變暖）有密切關系。

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，北美地區的加拿大和美國西北部的氣溫出現歷史新高，大部分地區地面氣溫達到46～49 ℃，高溫天氣致使數百人死亡。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。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，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，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”造成持續高溫（示意圖）

不均勻變暖帶來北極圈附近的南北向環流

北極冷渦（模擬圖）會給其掃過的地區帶來嚴寒

但最近100年以來，由于北極地區變暖，陸地升溫遠遠大于海洋地區，在北極地區形成了溫度分布的極大差異，使得北極圈附近的環流變得曲曲折折，向南北延伸，即變成準南北向的環流。一旦形成這種環流，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過龍卷風，北京城區過去是沒有冰雹的。但是，最近幾年來，長江流域多次出現龍卷風，北京城區幾次出現冰雹。

德國被洪水淹沒的工廠

俄羅斯的森林火災

這些異常現象不僅僅出現在我國。近來，從德國洪水泛濫，到俄羅斯遠東地區森林火災，再到北美高溫和干旱，全球近期極端天氣頻頻發生，令科學界為之擔憂。

總之，當今北半球頻繁出現的多種天氣異常現象，其直接原因是北半球大氣環流異常，其根本原因應該與全球變暖（特別是北極變暖）密切相關。城市災害性天氣除了與氣候變暖有關，也與人類活動有關。比如，城市的擴建是城市災害性天氣頻發的重要原因之一。又比如，樓房的布局和空調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。