极端天气频发地球怎么了？

高登义

2021年7月20日，河南省遭遇极端强降雨，暴雨中心郑州几成泽国。7月20日8时至21日8时，郑州市内24小时降雨量达到624.1毫米，超过2019年全年的降水量（509.5毫米），最大降水强度创历史最高，为201.9毫米/时，超过1975年的“758特大暴雨”（198.5毫米/时），相当于有150个西湖的水于一小时内倾倒在郑州大地上，导致城市内涝，灾情严重。

2021年7月河南特大暴雨是怎么形成的？一般说来，凡是特大灾害天气，其直接原因都是大气环流异常。这次河南特大暴雨的直接原因是北半球大气环流异常，以及具有形成暴雨或特大暴雨的天气条件。

什么叫“大气环流异常”呢？在夏季，在北半球500百帕（即海拔5500米左右的等压面）上，大气环流有4～5个波，气流自西向东运动。如果这些波动比较均匀地运动，即可说大气环流正常。在此情况下，很难出现灾害天气。但如果这些波动不是均匀地自西向东运动，甚至在某地方有较长时间停留，那大气环流就不正常了。

我国著名天气学家、天气预报权威陶诗言院士曾带领中国科学院大气物理所一批专门研究暴雨的科学家，就暴雨的形成原因与预报问题撰写了多篇论文，提出了暴雨形成的三个基本条件。丁一汇院士总结陶诗言院士研究暴雨形成的三个条件是：“大形势稳定”“水汽的输送与辐合”和“对流不稳定能量的释放和再生”。

第一个条件是“大形势稳定”。何谓“大形势稳定”？丁院士解释说，“当两个天气尺度的降水系统相遇时，它们的移动速度减慢或停滞少动”“使得在这地区内有多次中尺度降水系统发生，或有某个中尺度系统持久维持”。这里提到的“天气尺度”就是水平尺度为500～1000千米范围的天气波动。这次郑州极强暴雨的原因之一正是“大形势稳定”：北半球500百帕上大气环流异常，而不是比较匀速地自西向东移动，也即天气尺度系统在某处停滞不前了。

一旦大气环流异常，灾害性天气就来了。例如，河南此次特大暴雨，就是由于西太平洋副热带高压强盛。该高压从海上向我国大陆西进，并稳定少动，恰巧停滞在河南的东侧。与此同时，在此高压南侧正好有一个台风“烟花”。副热带高压南沿的偏东气流把“烟花”台风的暖湿气流输送到大陆上，与西北移动来的冷涡相遇。如此长时间的冷暖空气对峙，必然形成特大暴雨（见下图）。

2021年7月河南特大暴雨环流形势图

河南省遭遇极端强降雨，暴雨中心郑州几成泽国

“副热带高压输送烟花台风的暖湿水汽”，这便是丁院士总结的形成暴雨的三个条件之二：“水汽的输送与辐合”。何谓“水汽的输送与辐合”？丁院士解释，当某地空气柱内的含水量形成的可降水量不超过75毫米时，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，就必须有外部输送来的水汽，才能够继续下雨。

这次郑州的特大暴雨，其外来水汽输送得力于副热带高压南部偏东气流把“烟花”台风的暖湿水汽输送到河南，正好符合丁院士总结的“水汽的输送与辐合”条件。

形成暴雨的第三个条件是，“对流不稳定能量的释放和再生”。什么意思呢？当某地生成强对流云降雨后，大气从不稳定变为稳定，就不会再下雨。此时，若该区域内存在低空暖湿气流和上层微弱的冷气流，则该区域内的大气又会重新不稳定，这样就又可能繼续降雨。  由此可见，7月河南特大暴雨的直接原因是北半球大气环流异常，并同时具有了形成暴雨或特大暴雨的上述三个条件。

1.大气环流形势稳定。西太平洋副热带高压和大陆高压分别稳定维持在日本海和我国西北地区，导致两者之间的低值天气系统在黄淮地区停滞少动，造成河南中西部长时间出现降水天气。

2.水汽条件充沛。7月中旬河南处于副高边缘，对流不稳定能量充足，18日台风“烟花”生成并向我国靠近。受台风外围和副高南侧的偏东气流引导，大量水汽向我国内陆地区输送，为河南强降雨提供了充沛的水汽来源。

3.地形降水效应显著。太行山区、伏牛山区特殊地形对偏东气流的抬升辐合效应，使得强降水区在河南省西部、西北部沿山地区稳定少动，地形迎风坡前降水增幅明显。

4.对流“列车效应”明显。在稳定天气形势下，中小尺度对流天气系统反复在伏牛山前地区发展并向郑州方向移动，形成“列车效应”，引起局地极端强降水。

“列车效应”是指长时间的降水并不是因为一块稳定不动的降雨云团造成，而是对流系统反复生成发展，使很多降水云团先后经过同一个地方，造成同一地区出现长时间降水的情况。“列车效应”是短时强降水与暴雨之间重要的联系桥梁。

从7月河南特大暴雨，笔者联想到近来我国长江流域的龙卷风、北京的冰雹，以及2021年夏天美洲的酷热（49 ℃以上的地面气温），欧洲的暴雨，2020年冬与2021年春的酷寒……北半球灾害性天气频繁出现，其根本原因应该与全球气候变暖（尤其是北极地区气候变暖）有密切关系。

科学家认为，北半球灾害性天气的频率会大大增加。

首先，冷暖突变非常明显。比如，在2021年6月29日，北美地区的加拿大和美国西北部的气温出现历史新高，大部分地区地面气温达到46～49 ℃，高温天气致使数百人死亡。2019年秋天，美洲又酷寒，气温降至-20～-30 ℃。与此同时，还伴有暴风雪，造成数百人失去生命。

那么，这种酷热酷寒是如何形成的呢？

北极，是指北纬66度34分以北的地区。在北极的高空，也就是离地面30～50千米的位置，存在着一个被称为“北极冷涡”的天气系统，北半球的冷空气基本都堆积在这个冷涡里，可以说它是北半球冷空气的老巢。当冷涡里的冷空气非常强时，它的运动基本上是纬向的，即冷空气自西相对平直地向东运动，不大容易向南深入到低纬度地区，因此原本不容易带来寒潮灾害。

2021年夏季笼罩在北美上空的“热穹顶”造成持续高温（示意图）

不均匀变暖带来北极圈附近的南北向环流

北极冷涡（模拟图）会给其扫过的地区带来严寒

但最近100年以来，由于北极地区变暖，陆地升温远远大于海洋地区，在北极地区形成了温度分布的极大差异，使得北极圈附近的环流变得曲曲折折，向南北延伸，即变成准南北向的环流。一旦形成这种环流，北极圈的冷空气就有机会大举顺势南下，带来寒潮灾害天气。

现在，由于全球变暖，海表温度增加，给副热带高压的增强提供了条件。当副热带高压移动到陆地时，会改变那里的气温。副热带高压中的空气是向下运动的，即气象学所说的“下沉气流”，这使得地面上接受太阳辐射而产生的热量难以向上流动，地面热量得不到释放，就造成气温越来越高。

这就是副热带高压给陆面上带来的酷热。如果气候的变化超过了正常波动的上限或者下限，就会出现极端天气气候事件。

近几年来，我们切身感受到了极端天气的变化。过去长江以北基本上没有出现过龙卷风，北京城区过去是没有冰雹的。但是，最近几年来，长江流域多次出现龙卷风，北京城区几次出现冰雹。

德國被洪水淹没的工厂

俄罗斯的森林火灾

这些异常现象不仅仅出现在我国。近来，从德国洪水泛滥，到俄罗斯远东地区森林火灾，再到北美高温和干旱，全球近期极端天气频频发生，令科学界为之担忧。

总之，当今北半球频繁出现的多种天气异常现象，其直接原因是北半球大气环流异常，其根本原因应该与全球变暖（特别是北极变暖）密切相关。城市灾害性天气除了与气候变暖有关，也与人类活动有关。比如，城市的扩建是城市灾害性天气频发的重要原因之一。又比如，楼房的布局和空调的大量使用等改变了城市的空气流动方式和热量分布，造成冰雹、局地暴雨等异常的天气现象。

目前，国际社会应对全球变暖的主要措施是“碳减排”。我国正在进行的“碳达峰”和“碳中和”等行动，都是应对气候变化的重要举措。