黄焕平
1. 引言
气候变化不仅意味着气候平均态（如年降水量）的变化，还包含气候变率（如极端降水量）的改变。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在其第六次评估报告（AR6）中指出，在全球尺度上，陆地年降水量和极端降水事件自 1950 年以来均有所增加，人类活动很可能是这些变化的主要贡献因子(IPCC, 2021; Seneviratne et al. 2021)。分区域看，近半的陆地区域观察到了极端降水频率和/或强度的显著增加，人类活动影响极端降水的证据在其中一些地区已经显现。然而，在区域尺度上，极端降水强度的增幅存在差异，这取决于区域变暖程度、大气环流变化和天气动态(Seneviratne et al. 2021)。那么如何理解AR6提到的人类活动和极端降水及其影响因子之间的联系呢？
图1 全球增温2°C情景下气候模型预测的极端降水变化 (图片来源: IPCC)
笔者的研究领域为区域极端降水变化，重点关注三个问题：极端降水在区域尺度上如何变化？ 为什么变化？人类活动如何促成了这种变化？本文将以美国东北部极端降水为例，围绕三篇论文分别回答上述三个问题。
2. 区域极端降水如何变化
美国第三次气候评估报告指出，美国东北部是全美极端降水增长最快的地区 (Walsh et al., 2014)。在该报告中，极端降水被定义为在降雨量最大的1% 的雨天所累积的降水量，其在 1958—2012年间大幅增加了 71%，这加剧了人们对洪水风险的担忧。然而，该报告对东北极端降水在空间和时间上的变化以及极端降水大幅增加的原因缺乏深入探究。Huang et al. (2017)使用全球历史气候学网络 (GHCN)每日观测数据分析了 1901—2014 年美东北极端降水的变化。研究表明，美国东北部极端降水总量显著上升，但上升趋势并非是渐进式的，而是呈现突变式的，明显上升主要发生于1996 年之后。1996—2014 年的平均极端降水比 1901—1995 年高出 53%，这主要归因于秋季和春季极端降水的增加。在空间上，绝大多数沿海和内陆气象站都记录了 1996 年后极端降雨增加的现象。这些发现揭示了基础设施和水资源管理必须面对日益严峻的水文气候变化挑战，也凸显了解其物理机制的必要性。
3. 降水变化的物理机制
尽管有大量证据表明美国东北地区极端降水增加，但人们对推动这种增加的物理机制（尤其是 1996 年后的转变）并不清晰。Huang et al. (2018)使用GHCN气象台站观测和 NOAA 每日天气图，揭示了89%的极端降水突然增加与初秋、初夏和冬末的 273 个大尺度极端事件有关。 具体说来，1996年后的极端降水量增加，有48%来自热带气旋（也称飓风），另外有 25% 和 15%分别由锋面和温带气旋贡献（图2）。前者与北大西洋海表温度变暖和水汽增加有关，后者与西风急流有关。
图2 天气系统对极端降水增加的贡献百分比
4. 人类活动如何影响极端降水
人类活动如何影响北大西洋海表温度，进而影响美东北极端降水？这种人为影响能否与自然气候变率区分开？Huang et al. (2021)通过使用地球系统模型 CESM的集合模拟（包括历史全辐射强迫和单一辐射强迫）和一套统计方法（优化指纹方法），进一步揭示了 1996 年后区域气候变化（尤其是极端降水增加）的物理原因。该研究发现，外部辐射强迫（以人为排放的温室气体为主）在近几十年对东北极端降水产生了重大影响，其影响在 2008 年达到了显著可检测水平。与此同时（1995年），大西洋多年代际变率 (Atlantic Multidecadal Variability, AMV) 从冷相位过渡到暖相位，进一步加剧了温室气体增加和气溶胶减少联合导致的大西洋海温变暖。这种异常偏暖导致了水蒸气的增加，并可能触发更频繁和更强大的热带气旋，最终引发更多的陆地极端降水。因此，该研究将 1996年后极端降水的突然增加归因于AMV和人为辐射强迫。如果在未来AMV 仍呈暖相位，温室气体持续排放，该区域仍可能持续受到异常偏强的极端降水影响。
综上所述，人类活动已经加剧了区域极端降水，而且在过去二十多年间的增加尤为明显。人为温室气体排放和大西洋多年代际变率共同引发了北大西洋海表温度变暖和水汽增加，并可能触发更频繁和强大的热带气旋，进而导致更多的陆地极端降水。近半数的美东北极端降水量增加即与此机理有关。此外，由大气环流（尤其是西风急流）推动的锋面和温带气旋变化，对区域极端降水的增加也有重要贡献。
本文作者系劳伦斯伯克利国家实验室博士后，将于今年8月加入路易斯安那州立大学地理与人类系，任气候学助理教授。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱（huanpinghuang@lbl.gov）与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
参考文献
[1] IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 3−32,
[2] Seneviratne, et al. (2021). Weather and Climate Extreme Events in a Changing Climate. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1513–1766.
[3] Walsh, J. et al. (2014). Chapter 2: Our Changing Climate. In: Climate Change Impacts in the United States: The Third National Climate Assessment (pp. 19–67) [J. M. Melillo, T. C. Richmond, & G. W. Yohe (Eds.)]. Washington, DC: U.S. Global Change Research Program.
[4] Huang, et al. (2017). Total and extreme precipitation changes over the northeastern United States. Journal of Hydrometeorology, 18(6), 1783–1798.
[5] Huang, et al. (2018). Mechanisms of abrupt extreme precipitation change over the northeastern United States. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123, 7179–7192.
[6] Huang, et al. (2021). Rise in northeast US extreme precipitation caused by Atlantic variability and climate change. Weather and Climate Extremes, 33, 100351.
