随着气候增暖，极端强降水频繁袭击全球各地。“几天下完一年的雨”，正变得越来越常见。与此同时，全球许多地区的干旱也显著增加。频繁而剧烈的干湿转换，已经置地球气候于“水深火热”之中。造成上述现象的背后，其实是降水多变性在变化。

           广东珠海唐家湾上空的弧状积雨云和雨幕。(高斯供图)

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在相对干旱的黄土高原和青藏高原的连接带上，一场暴雨正从天而降。(黎伟标摄影)

中国科学院大气物理研究所联合英国气象局的最新研究首次提供了系统的观测证据，证明人为温室气体排放正在使全球降水的模式变得更加不稳定。研究发现，自20世纪以来，从全球到区域尺度，从日尺度到季节内尺度，降水多变性已经在系统性的增强。7月26日，相关成果发表于《科学》杂志。

“这项研究从多变性的新视角为人类活动如何影响水循环的多时间尺度变化提供了新认识。极端气候事件之间的剧烈和快速转换，印证了极端事件具有复合性这一新特征。该成果为旱涝复合事件的发生原因提供了物理解释，为如何应对极端事件提供了重要参考。”论文通讯作者、中国科学院大气物理研究所研究员周天军告诉《中国科学报》。

寻找降水变化中的人为影响指纹

伴随工业化以来人类活动引起的全球增暖，全球水循环正在增强。其中，降水的变化体现在多个方面，包括全球平均降水在增加，全球大部分地区极端降水在增强。科学界为获得这一清晰的物理图像，前后经历了190多年的研究历程。

在此过程中，存在一个有趣的认知范式，即理论研究总是领先于观测实践。不管是对平均降水还是极端降水的变化，研究工作都经历了从理论和模拟研究到观测分析和检测归因的历程。

“我们关于人类活动如何影响降水的科学认知水平的提高，得益于气候变化研究史上的几个里程碑性的进展，一是大气环流模式的诞生，二是检测归因理论和方法的发展。”周天军说,它们使得我们能从观测到的实际变化中检测和证实人类活动的影响，从而寻找到人类活动影响的“指纹”。这两大里程碑，其中就有2021年诺贝尔物理学奖获得者真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）各自的卓越贡献。

“人类活动对气候系统影响的最为直接的体现，是温度和降水的变化。由于降水变化的物理过程复杂、空间分布不均匀，而且受自然内部变率的影响很大，故要从历史降水变化中明确检测到人类活动影响的指纹具有很大的挑战。”周天军说，早在1996和1999年，英国气候学家Simon Tett与合作者分别在《科学》和《自然》发文，将20世纪全球大气温度的垂直结构和全球表面气温的变化归因于人类活动的影响。2001年发布的政府间气候变化专门委员会（IPCC）第三次评估报告第一次明确指出, “过去50年观测到的大部分增暖‘可能’归因于人类活动造成的温室气体浓度上升”。

与温度变化研究形成鲜明对比的是，关于降水的变化,直到2007年，加拿大皇家科学院张学斌院士领衔的国际团队才在《自然》发文，实现了对全球尺度平均降水变化的检测归因，这比对平均温度变化的检测归因晚了11年。

直到2013年，IPCC 第五次评估报告才明确指出“人类活动导致了陆地降水型的大尺度变化”。“对比之下，可见降水变化检测归因研究的难度之大”，周天军强调。

气候变化新现象：降水更为多变

尽管科学界对平均和极端降水变化的认识越来越清晰，但是降水不断表现出更加复杂多变、难以捉摸的脾性——这就是降水的多变性。多变性越强，则干湿振荡越剧烈，即“湿期更湿、干期更干”。

关于降水多变性的理论研究，研究团队已经有较好积累。人类活动是否已经造成观测中降水多变性的变化，是研究团队一直在追踪的问题。直到今年，研究团队的最新研究首次提供了系统的观测证据，证明过去百年来人类活动已经造成了全球尺度降水多变性增强。

该研究利用国际上所有可公开获取的逐日降水观测资料，揭示了1900年以来，在观测资料充足的地区，全球约75%的陆地上降水多变性已增强，其中尤以欧洲、澳大利亚和北美东部最为显著。降水多变性的增强涵盖了多个时间尺度，包括天气尺度、月尺度和季节内尺度。就全球平均而言，逐日降水变率正以1.2%/10年的速率在增强。

“为理解降水多变性增强的物理原因，我们基于一个两层约化水汽收支动力诊断模型和最优指纹检测归因法，证实了人为温室气体排放的主导作用。其具体的物理过程由大气热力作用主导，即温室气体增温引起大气水汽含量增加，有利于降水异常幅度增大、多变性增强。同时，大气环流也会影响其年代际变化，这种动力作用存在明显的区域特征，故区域尺度上的变化更为复杂。”论文第一作者、大气物理研究所副研究员张文霞说。

张文霞认为，此前科学界仅在气候预估研究中发现降水多变性理论上未来将随增温而增强，这里我们基于历史观测资料，发现随着人为气候增暖的累积，降水多变性已经在逐渐增强。综合观测分析、物理过程诊断和检测归因，这项研究为认识全球变暖对降水的影响从变率的角度提供了新认识。

降水多变的影响更深远

“气候变化研究传统上主要关注平均态和极端事件的变化，关注全球变暖对变率也就是气候多变性的影响是一个新视角。今年我国河南经历的‘6月抗旱7月抗洪’这种旱涝急转现象，就是降水多变性增强的具体体现”，周天军说。

全球增暖令降水更多变这一事实，一方面，对当前的气候模式和气候预测系统提出了新的挑战。降水多变性增强意味着旱涝转换的幅度更强、转换更快，这使得对旱涝急转的准确预测更具有挑战性。

另一方面，降水多变性增强将对民生和自然生态系统产生级联影响，影响到基础设施、水资源供给和生态系统稳定性等。“由降水多变性增强造成的一系列影响已经凸现，社会各界对此需要高度重视，并采取切实有效的措施来减缓其不利影响，”周天军强调。

“未来，我们将进一步探索多尺度旱涝急转的变化机理，特别是不同时间和空间尺度上大气环流的作用、陆面-大气反馈等过程的作用，从而为旱涝急转的预测提供理论基础。”张文霞说，同时，我们还将关注不同类型的复合极端降水事件，这是全球变暖背景下极端事件正在涌现出来的新特征。我们也在思考降水多变性增强所带来的一系列影响，包括生态系统功能和碳汇的稳定性等，探索多学科交叉研究的新路径。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0212