气候变化下，类似河南的“千年一遇”的强降水会更加频繁吗？

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河南省近日出现历史罕见的持续性强降雨，很多媒体称之为“千年一遇”。十年一遇、百年一遇、千年一遇是水文学中对洪水重现期的一种描述方法，主要是通过长期的历史降雨记录，推测极端降水的可能重复发生的频率，就称为X年一遇。考虑到我们现有的气象记录不超过一百年，这次极端强降水事件是否是“千年一遇”可能还无法明确。

单次的强降水事件可以用气象、地形等因素解释，比如这次降水事件与副热带高压和大陆高压以及台风有关。但是如果把近年极端天气事件联系起来看，大家都会明显感受到全球的极端天气事件正在增多。在气候变化的背景下，类似的强降水事件会增多、变强吗？

1. 气候变化最突出的特点就是全球变暖，大气变暖的同时也会变湿，因此平均来看，降水的强度一定会增加。但是气候变化和降水的关系很复杂，特别是我们不是生活在“全球平均”下，而且受到气候变化影响，大气环流等也在改变，所以某一地区的降水强度还有很多不确定性。

气候变化背景下，我们确定的是平均值的变化，而平均值的微小改变可能就会导致极端事件更为明显。很多人认为相对于工业革命前，今天全球平均升温才1度，有什么好担心的？但是这1度的平均的升温，可能对极端事件发生概率产生很大影响；而这些极端事件，对我们社会经济能产生巨大的危害。图1很好的说明了平均和极端的关系：“在未来的气候分布条件下如果均值有一个小的移位，极端事件就会在分布的一端上增加而在另一端减少，这就说明均值一个小的变化就有可能造成极值出现的频率和强度发生巨大改变。（高涛&谢立安, 2014）”。

图1| 平均值和极端值变化关系示意图(a) 服从标准正态分布的气温；(b) 服从伽马分布的降水。图片来自高涛&谢立安, (2014).

2. 数据仍然有限，但是越来越多的证据表明极端降水正在增加。极端事件之所以极端，就是因为发生的太少了，所以我们的数据相对有限，因此现有证据还不能说清楚小尺度上极端降水的频率和强度的变化情况，但是随着事件数据的累积，极端降水天气正在增多在很多地区已经成为事实。

2011年一篇发表在《自然》杂志上的一篇文章就发现从1951年到1999年，极端降水事件的降水量正在逐渐增强，年均增加量达7%。2018年IPCC报告《管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应特别报告》指出“在一些区域，强降水事件的数量已呈现统计意义上的显著趋势，虽然在这些趋势中有很强的区域和次区域变化，但强降水事件数量增加的区域可能要多于减少的区域”。

具体到我国，观测证据也表明极端降水事件在增多。图2中的（a）和（b）两个地图都是各个气象站发生极端强度降水的概率比值（probability ratio, PR），即比较1980-2014这个时间段和1960-1979年这个时间段，发生类似高强度降水的概率，两个地图表示的是不同的降水强度等级，（a）图表现是超过99.9%日降水量的强降水天气，（b）图则是99.975%的情况，图（b）可以看做类似是“十年一遇”以上的降水强度，可以看到那些最极端、最恶劣的强降水天气，发生的概率已经在快速增加。（c）图是平均各个气象站发生最恶劣强降水事件的概率，可以看到虽然年际变化明显，但是已经呈现增加趋势，“十年一遇”的降水已经“九年一遇”，高强度降水更加频繁，原来“百年一遇”、“千年一遇”的强降水事件发生的概率也可能大幅增加。

图2| 图片来自Chen et al. (2017)。图片含义见正文。

3. 具体的某一个极端事件和气候变化的关联难讲清楚，但是整体上气候变化正在导致极端降水的增多。气候变化和极端天气事件的关系很复杂，但是已经有越来越多的研究利用气候模型和统计方法计算气候变化对极端天气的影响。这种“气候归因”很复杂，但是对于人们认识气候变化影响意义重大。对于不同的气候极端事件，我们的认识也不同。2016年，美国国家科学院的一份报告指出：“归因科学在分析与温度相关的极端事件方面的置信水平是最高的，其中对极端高温和寒冷天气的分析最令人折服，其次是水文干旱和强降水，而对强对流风暴和温带气旋的预测置信水平最低（彼得·斯托特, 2019）”，如图3所示。可见对于强降水天气，气候变化的贡献仍然需要更多研究，但是这是因为我们的数据不足以及科学认识有限，而不是说气候变化对强降水的影响不大，不应该引起重视。

图3| 气候变化对不同类型极端事件的影响水平和归因可靠性。图片来自彼得·斯托特, （2019），改编自美国国家科学院报告。举例来说，极端寒冷天气在气候变化下大幅下降（横轴影响高），而且这一下降很可信的是气候变化导致的（纵轴可信度高）；可以想到，气候变化影响大的极端天气归因于气候变化的可信度也高。

上文提到的2011年的那篇《自然》杂志也指出北半球地球强降水事件强度的增加，用自然自身气候规律不足解释，而人类温室气体排放造成的全球变暖是主要原因。2018年IPCC报告《管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应特别报告》给“人为影响已导致全球极端降水加强”定义为中等信度。而在我国，Chen et al. (2017）的研究也指出人为导致的气候变化是中国极端降水事件增多的主因。即使如果全球平均气温升高到1.5度（全世界需要在2050年前实现碳中和），原来“十年一遇”的降水天气也有变为“五年一遇”的可能。

目前，理解气候变化对极端事件的影响也是学术研究的热点，很多研究都发现大量极端事件和气候变化有关。Carbon Brief就总结了关于世界各个地区极端天气和气候变化关系的研究，下图4中红色表示结论是“气候变化和极端天气有关”，可以看到全世界范围内，气候变化对极端天气的影响已经不可忽视。

图4| 不同类型极端事件的气候归因。图片来自https://www.carbonbrief.org/mapped-how-climate-change-affects-extreme-weather-around-the-world。红色表示与人为导致气候变化有关，蓝色无关，灰色表示没有定论。

4. 如不快速减排遏制全球变化，百年一遇的降水会变成五十年一遇、甚至十年一遇。除了现有数据的统计分析，科学家也利用气候模型模拟未来的发生情况。存在共识的观点是，中国的黄河和长江流域，未来强降水极端天气有增加的风险。

下图5是2002年发表的一篇Nature，下图的颜色表明的是现在“百年一遇”的洪水在全球二氧化碳大气浓度上升4倍下的重现期变化，可以看到在黄河、长江，百年一遇的特大洪水将成为“五年一遇”以及“十年一遇”；不过全球二氧化碳大气浓度上升4倍是一个极端的人类温室气体排放情景，我们目前的行动下全球二氧化碳大气浓度应该不会超过2倍。

图5| 气候变化（4倍二氧化碳浓度）对全球各流域“百年一遇”的洪水事件频率的影响。图片来自Wetherald et al. （2002）。

如果图5似乎耸人听闻，较新的一篇文章研究了升温2.0度到2.8度下全球极端洪水频率的影响，如下图6所示，（a）（b）（c）分为对应RCP6.0、4.5和2.6的情况，也大概就是升温2.8度、2.4度和2.0度下，百年一遇的洪水在世界各地发生频率的变化。可以看到，中国的黄河和长江流域，洪水会越发频繁，即使完成巴黎协定的2度目标（2070年左右全世界碳中和），我国很多地区“百年一遇”的洪水也会“五十年一遇”。因此，控制全球变暖升温在1.5度范围内，对于保证气候极端事件频率具有重大意义。

图6| 气候变化对全球各地区“百年一遇”的洪水事件频率的影响。图片来自Hirabayashi et al. （2013）。注意洪水有不同类型，本节文章的洪水主要是river flood，来自河水猛涨，洪水类型还有海岸洪水已经强降雨融雪下的洪水等。

5. 洪水、城市强降雨的影响规模不止和气候变化有关，改善土地利用、提高城市韧性、打造海绵城市、提高灾害预防准备水平，都是我们应对强降水事件的重要方面。气候变化下，极端天气发生更为频繁，我们因此需要更好地适应气候变化，对城市热浪、强降水、山洪等等做好准备，可以大大减少这些灾害的损失；另一方面，类似地震前有一分钟的准备期可能大幅提高生存率，提高强降水等极端天气的预报能力，快速部署相应应急措施，也对我们应对气候变化下极端天气增多有重要意义。

对于“千年一遇”的洪水，我们显然不能为了一千年一次就过度投资加强城市防洪基础设施，但是随着气候变化下洪水更加频繁，我们需要重新审视防洪基础设施的成本和收益（洪水的损失减少）（Ward et al. 2017）。

气候变化下，历史不再是未来的好老师，所以现在我们就需要同时做好温室气体减排和气候变化适应的工作。

参考文献：

Carbon Brief, https://www.carbonbrief.org/five-things-to-know-about-flooding-and-climate-change

Carbon Brief, https://www.carbonbrief.org/mapped-how-climate-change-affects-extreme-weather-around-the-world

高涛, & 谢立安. (2014). 近 50 年来中国极端降水趋势与物理成因研究综述. 地球科学进展, 29(5), 577-589.

Milly, P. C. D., Wetherald, R. T., Dunne, K. A., & Delworth, T. L. (2002). Increasing risk of great floods in a changing climate. Nature, 415(6871), 514-517.

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