许多朋友都看过一部著名的好莱坞灾难片——《The Day After Tomorrow》，中文片名直译为《后天》。该片为我们展示了一个满目疮痍的冰封地球，灾难的起因竟然是全球变暖。电影借专家之口讲述了冰川融化的后果：大量的淡水输入大西洋，抑制了热盐环流，导致全球的热量平衡被打破，使得北半球变成一片冰天雪地，地球进入冰河世纪。
电影海报中被严寒冰封的城市
图 | 电影《后天》
【一】 此起彼伏的冰与火之歌
电影追求的是炫目夸张的艺术效果，不过近几年来，北美确实经常在深冬季节遭受寒潮的袭击。2019年五大湖区破纪录的零下52度严寒直追极地，而2021年2月的得克萨斯州，更在暴风雪的蹂躏下损失惨重，长时间的雨雪冰冻天气和大范围的极端低温，造成交通受阻、电网崩溃和数百人的伤亡，损失估计近2000亿美元。
2021年得克萨斯遭遇极端寒潮，汽车在风雪中艰难前行
图 | CNN
在得州寒潮之前一个月，中国中东部一样遭遇了强冷空气的袭击，降温幅度大、影响范围广，中央气象台连续发布寒潮橙色警报，北京的观象台也记录下24度这样的罕见低温。民众忍不住要问，媒体上铺天盖地的宣称“温室效应”、“全球变暖”，但年年来袭的寒潮又让人备受煎熬，既然“全球同此凉热”才对，这些现象实在矛盾至极。难道就像有些阴谋论声称的，全球变暖其实是个骗局吗？再加上时不时出来捣乱的洪涝、森林大火等灾害，不禁让人怀疑，这究竟是怎么回事？
1981年-2020年之间按月度统计的全球地表温度异常现象
图 | 欧盟哥白尼气候变化服务中心
来自多个政府机构的研究数据显示，全球范围的气候变暖是十分清晰的既定事实。在一般的认知中，变暖无疑会导致某些极端天气的增加，例如夏季频发的热浪，以及暴雨、雷暴等强对流天气，但仅限于“热”的一面。大家并不认为变暖会导致严重的寒冷天气事件，这实在有悖于日常生活经验。然而根据报道，各种极端天气——包括且不限于强降雪和寒流——已变得愈发常见。
我们仅以2021年为例，看看由于气候异常导致的自然灾害现象：澳洲的干燥高温催生森林大火，动物四散奔逃；7月上旬，暴雨和洪水席卷西欧地区；几乎同时，中国河南也遭遇了千年一遇的特大暴雨，郑州降雨量最高达到一小时200毫米；台湾出现56年来最严重的旱情，多个水库干涸见底……
左上：西欧洪灾，大片农田在洪水过后塌陷. 图 | Rhein Erft Kreis
左中：澳州森林大火,一只袋鼠奋力求生. 图 | Matthew Abbott
左下：郑州暴雨,一片汪洋中的郑州东站航拍. 图 | 视觉中国CFP
右图：台湾旱灾,日月潭的水位标志物九蛙完整露出. 图 |台湾省“中央通讯社”
应该说，许多极端天气事件都不是孤立现象，在某种程度上，可视为全球大气环流异常的间接体现。变暖加剧了气候系统的不稳定，是造成这些极端天气事件频发的原因之一。
以开头所说的极端严寒事件为例，一大原因便是极地涡旋减弱，使得北极强冷空气持续南下。极地涡旋是指分布在极地上空30公里处的大面积低压，从高空俯瞰，呈现明显的逆时针旋转。通常情况下，外围的喷射气流如同一堵无形的墙，会限制冷空气的扩散，使之较为稳定地盘踞在北极。而全球变暖使得冬春季节的极地显著升温，特别是北极升温速度约为全球平均值的2倍，赤道北极之间的温度梯度减弱，极地涡旋对冷空气的束缚能力下降，逃逸的冷空气便趁机大举南下，侵袭北美和欧亚地区。
极涡示意图，左侧为稳定状态；右侧为扰乱状态，冷热失衡
图 | NOAA美国国家海洋和大气管理局
而且北半球中纬度是世界人口的密集区，在北纬20度至65度的温带和亚热带区域内居住着约80%的世界人口。愈发频繁的气候事件可能对生产生活造成较大影响，北半球作为全球最重要的经济增长引擎和人口赖以生存的粮仓，所受到的极端气候威胁也将给人类的可持续发展造成隐患。
在变化背景下尤其值得关注的是，由于气候变暖会导致大量的海水蒸发，大气层在饱和前可容纳更多水汽，一旦遇上有利的降水条件，便会提高发生极端强降水的风险。虽然具体机制还有待进一步研究，但全球变暖会加大极端强降水出现的概率，进而引发极端天气，已得到充分的研究证实。
【二】 如何预测极端天气
目前的短时天气预报已经实现了较高的精度，但相对长期的气候预测预警仍然存在难度，造成问题的最重要因素便是时间，预报准确度会随着时间范围的拉大而急剧下降。看似简单枯燥的气象预报，实际上是集合了超级计算机与复杂天气模型的结晶，是一场人类智慧与自然规律的角力。
湍流的模拟图，它在大气和海洋中无处不在
图 | 环球物理
大家都听过混沌效应的一种提法：在南美洲热带雨林的一只蝴蝶扇动翅膀，经过连锁反应后引发了得克萨斯州的龙卷风。事实上，集合了各种尺度各种类型湍流的气象系统，正是最典型的混沌系统案例之一，地球各大圈层共同参与了气象系统的演进，而极端气象事件更是这一混沌系统的必然产物，初始条件下的微小扰动经过演化后，足以对整个系统产生巨大的影响。
目前的气象预测高度依赖于超级计算机，主要根据各种测量设备及气象雷达等获取的数据，作为输入参数来进行预报。在模型拟合度足够的情况下，数据量越多，显然精度越高，但计算的工程量也越大。以美国为例，NOAA（美国国家海洋和大气管理局）每天利用卫星、船舶、海洋浮标、飞行器等媒介的传感器搜集近40亿份观测数据，再按照海洋、大气、地质等多个层面汇总成复杂的预测模型，将其提供给NWS（美国国家气象局），这一过程的年数据量超过30 PB。
全球应用于气象预测的超算排名
中国气象局投入服役的“派-曙光”超算位列第四
图 | 中国气象报 2019
仍然以开头的极端寒潮为例，除了北极涡旋减弱这一重要原因之外，还有拉尼娜、北大西洋涛动等现象，共同参与了影响过程。毕竟天气现象是由温度、压强、重力等多因素共同影响的复杂结果，甚至连太阳周期活动、洋流含盐率、冰川反照率等细节参数也会左右地球气候。任何一个细微的变动，都有可能产生异常的大气环流，在广时域的全球视角下，这些林林总总的极端高温与极端低温事件，本质上并不矛盾。
准确预测气候和进行异常归因分析，目前仍然具有较高难度。但随着算力的大幅提升和模型的拟合修正，对天气的预测能力将逐步增强，体现在具体的极端气象事件上，预测结果的时空精度也会越来越高。
1980-2005年之间西北太平洋热带气旋历史路径
图 | WikiPedia
除了基础物理学之外，大气科学、计算数学和信息科学等学科的交叉融合也可能探及先前未知的潜在规律，产生技术突破，如今广泛使用的天气预报数值模式就是一个交叉融合的典范。而人工智能、机器深度学习、大数据等新兴领域的应用，也有助于预测准确率的提高。我国成熟的数值模式预报系统，就有不少较为成功的预测案例，例如2018年汛期预测东亚夏季风偏强、我国北方地区降水明显增多、长江中下游降水偏少，对全国夏季旱涝分布的预测与实况基本一致。
【三】 如何应对极端天气
在不受人为因素干扰的情况下，自然界存在气候的周期变化，这种变化属于自然现象。全球气温呈现出一定的的周期性波动，在一个地质纪年尺度的冷-热周期内，最高温与最低温之间的差异甚至可达20℃。地球历史大部分时间内的气候比现代要温暖得多，而在前寒武纪末以及石炭纪、二叠纪和第四纪，冰川则可覆盖延伸至大量的中纬度区域，在这些冰期之间，则是相对温暖的时期。但人为因素干扰下导致的气候变化，则是不可逆的，如不采取立即行动，仅靠自然难以自我修复，并将对人类生存造成灾难性威胁。
一万年来挪威雪线海拔和近五千年来中国气温距平变化对比
图 | 参考资料[4]
特别是自工业化以来，人为导致的全球气候变暖趋势是确凿的，偶尔出现的冷暖波动并未影响这一结论。像《后天》电影中的场景虽然有一定的理论基础，但大家无须过度恐慌，电影毕竟需要营造惊悚的冲突效果，将漫长时间尺度内有可能发生的事件压缩在了短短几天时间内。在目前的气候变化幅度下，发生如此剧烈的灾害概率非常低。
不过，在厄尔尼诺和拉尼娜轮番登场，冷热旱涝不均，雪灾和沙尘暴等极端天气频频出现的今天，我们应该怎样做？是否有足够的应变能力加以应付？除了加强基于超算的天气预报系统之外，还应秉持未雨绸缪的基本思路，做到以下几点：
①加强对气候和环境变化的历史数据研究，在过往案例中吸取经验教训，并深入挖掘规律；
②建立应对极端天气事件的应急响应机制，充分进行防灾减灾的演练和教育，加强民众防灾意识。政府行政管理能力和应急响应能力是降低损失的一大关键；
③提前进行风险评估，为防灾减灾预案提供有效的决策支持；
④通过加强宣传培训，提高基础设施建设标准，增加因变暖导致的病虫害和疾病的防治能力等途径，努力提高适应气候变化能力。
一带一路欧亚地区极端气候风险评估（高温热浪角度）
图 | 中国科学院地理与资源研究所
一个冷热不均的地球更需要我们的爱护，气象和人类社会息息相关，在气候极端现象频发的当下，充分把握气象背后的科学，我们才能更好地趋利避害，在保障安全的同时对气候资源进行充分利用，让人与自然的生命共同体永续发展、生生不息。
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