提要：对未来气候变化和极端天气的预测必须同时考虑长期趋势与自然节律两方面因素：既要知道牌堆里的红牌、黑牌各有几张，又要知道大自然这只无形之手的出牌规律。

文/谢尚平

自然为人类文明的发展提供了必要的资源和环境，同时也用独特的方式提醒着人类要心存敬畏，极端气候的频现就是自然向人类盲目追求物质发展所敲响的警钟。历数中国近年来的大事件，因极端气候引发的自然灾害则不得不提：1998年的特大洪涝灾害、2003年和2013年盛夏我国南方破历史纪录的持续高温、2008年底南方的大范围雨雪冰冻灾害、2012年夏季北京的特大暴雨……一系列极端天气在全国各地频繁出现，给人民的生命、财产带来巨大损失。扼腕叹息之余，人们不禁要问：究竟是什么原因导致了极端天气频现？未来又将呈现怎样面貌？应该如何有效应对？

成因：自然节律与人类活动共同作用

极端天气的成因复杂，受气候系统自然振荡与人类活动的共同影响。其中，海洋在极端天气的发生发展中起了举足轻重的作用。海洋占地球面积的72%，又拥有极强的储热能力。太阳辐射能量大多数被海洋吸收，再释放出来驱动大气运动，造成台风、风暴等极端天气。海洋的变化会对气候系统产生一系列影响。

厄尔尼诺现象和拉尼娜现象，是气候系统的内在自然节律的典型例子。具体来看，厄尔尼诺事件是指东部热带太平洋地区海水温度较常年偏高以及与之相伴的一系列大气海洋异常现象。相对应的，海水温度偏低则称为拉尼娜事件。通常情况下，两种事件交替发生，共同影响全球的气候变化。1997年下半年到1998年夏季，极端气候现象在世界各地频发。秘鲁沙漠发生连续暴雨，聚成了巨大的湖泊；印尼的热带雨林里发生罕见干旱，山火频发，黑烟散布远达新加坡，造成严重的空气污染；我国长江流域、嫩江和松花江流域也发生了特大洪水，全国受灾面积达3亿多亩，直接经济损失高达2500亿元人民币。这一系列同时发生的极端事件的罪魁祸首就是远在热带太平洋的厄尔尼诺事件。在厄尔尼诺与拉尼娜的交替影响下，东部热带太平洋海水温度的异常变化会通过海洋、大气环流的变化影响中高纬度地区，这一作用在北美体现的尤为明显。最新研究表明，尽管热带东太平洋对我国的直接作用较弱，但是可以借助印度洋将异常信号暂时储存起来，到夏季再通过大气影响我国的降水。计算机模拟的结果表明，印度洋这一效应可以解释我国1998年的长江洪水灾害发生原因。

此外，人类对于气候变化的影响同样不能忽视。工业革命以来，煤炭和石油的燃烧，向大气释放了大量的二氧化碳。二氧化碳是一种温室气体，其增加会造成地球系统的变暖。2013年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的全球气候变化第五次评估报告中指出，1880年——2012年这133年中，全球表面平均气温大约上升了0.8℃。从长期趋势来看，全球变暖已经是不争的事实。

极端高温的增加是全球变暖给人们带来的最直观感受。近几年来热浪频频袭击全球，各地高温记录屡屡被刷新。这些极端高温事件频发，全球变暖难辞其咎。

大气温度升高，大气环流、水循环等也会随之改变，干旱与洪涝的频发与全球变暖紧密相关。降雨是由上升气流中携带的水汽凝结形成的。气温升高会使大气存储水汽的能力增强，同样的上升气流，会带来更强的降水。在全球变暖的过程中，海洋温度上升的分布是不均匀的。不均匀的海洋增温会驱动大气环流的变化。我们最近的研究表明，海洋增温不均匀性对未来降水分布起了重要作用。热带海洋是台风的源地，台风的生成和维持需要从高温的海水中吸收能量，全球变暖后海洋温度升高，台风就会从海洋吸收更多能量。2013年11月在菲律宾登陆的超级台风海燕是历史上最强的登陆台风，造成近万人的死亡。IPCC报告中预测，在未来像海燕这样的强台风个数会增加。

自然节律与人类影响共同控制未来气候变化。人类活动会造成气温持续变暖，而自然节律则表现为温度冷暖交替出现，两者作用相互叠加，造成全球变暖速度呈现快慢交替。1998年以来全球平均温度仅仅上升了0.05摄氏度，远远低于仅考虑人类活动效应的预测结果，因此有人也因此质疑全球变暖的科学性。但是，仅仅考虑全年平均温度的变化是不够的。

笔者最近在《Nature》杂志上发表的工作指出：最近15年热带东太平洋偏低的海温抑制了冬季气温增暖的趋势，而夏季气温受到的影响则较小，仍然呈现较强的逐年上升的趋势。全年平均后，冬夏相反的变化相互抵消，气温上升就不显著了。这一结果成功地解释了近年来全球各地夏季高温与冬季寒潮的共同高发的状况。目前热带东太平洋处于偏冷时期，会暂时减缓全球变暖；而当未来热带东太平洋海温的自然节律由冷变暖，全球变暖则会加速，到那时极端天气可能会更加凶猛。

预报：极端天气有章可循

极端天气对社会、经济和生态环境的影响是巨大的，有效的预报手段是防灾减灾的重要环节。近一百年，科学的发展，使天气预报从梦想、迷信渐渐地变成现实。20世纪50年代以来，通过动力学和统计学研究，天气预报水平有了显著提升。借助于卫星观测和计算机模拟，如今已经可以精确地给出几天内的天气预报。

相比而言，气候预测的发展虽然起步较晚，自20世纪80年代以来，已经取得了重要突破。科学家们从观测到的海洋初始条件出发，通过数值计算，已经可以提前半年预测厄尔尼诺事件是否发生，从而预测世界各地异常气候发生的几率。

通过近20年研究，人们对未来气候预测的发展方向有了清晰的思路。未来的气候变化将分为两部分：一类是由人类活动影响的持续性变化，另一类是气候系统自然节律引起的“暂时”变化。以温度为例，极端天气就像从一副扑克中抽牌，黑色的牌代表极端冷天，红色的牌代表极端热天，抽到何种颜色的牌是随机的。而全球变暖的效果就相当于从牌堆中取走黑牌，虽然极寒仍会发生，但其概率会变小，而代表酷暑的红牌概率会增加。人类的影响相当于抽走代表极寒的黑牌，而自然节律就是随机抽牌的方式。

对未来气候变化和极端天气的预测必须同时考虑长期趋势与自然节律两方面因素：既要知道牌堆里的红牌、黑牌各有几张，又要知道大自然这只无形之手的出牌规律。

通过计算机数值模型实验，我们可以模拟未来情境下由于人类活动造成的气候长期变化趋势。IPCC报告指出，如果温室气体继续大量排放，到21世纪末全球平均温度会上升大约2.6到4.8℃。海洋、大气温度的上升会造成许多物理过程的改变，与之相伴而来的是未来极端天气，特别是夏季热浪发生的频率上升、强度加大，应对形势将更加严峻。另一方面，对气候系统自然节律的短期预测也取得了一定的成果，像针对厄尔尼诺的短期气候预报。

1901-2012年全球各地年平均温度变化，全球几乎所有的地方气温都在增高。来源IPCC全球气候变化第五次报告

挑战：如何有效应对极端气候

如何提供准确的区域气候预测，如何把握气候变化的长期趋势，是未来气候预测研究的两大挑战。

至今我们对于气候变化的研究多集中在全球平均温度上，而与人们关系最为密切的区域变化研究只是刚刚开始。

我国幅员辽阔，地处欧亚大陆东侧，东临西太平洋，是全球季风最活跃的地区，西北深入欧亚大陆腹地，又有青藏高原和喜马拉雅山脉阻隔，独特的地理位置和复杂的地貌特征决定了影响我国气候的因素众多，很难用单一指标来预测极端天气的发生。太平洋、印度洋海水的温度，季风环流的强度等都会对我国未来气候的变化产生影响。在未来，我国北方在未来降水呈现什么趋势，与南方有何不同，具体到各个省份又是如何……这些问题对于有针对性的极端天气气候应对工作具有指导意义。目前，我们对人类活动如何影响区域气候这一问题的认识还在于初级阶段，很多预报方法与技巧将在不断加强的气候变化中得到检验和发展。

业务化的天气预报和针对厄尔尼诺等现象的短期气候预测，是现代气候科学的成功范例。而如何准确预测几十年后气候的长期变化是气候变化研究的新挑战。提高区域与长期气候预报的准确率，现代化的观测手段与先进的计算机数值模型是必不可少的。

观测是气候科学的根本。我们从观测中发现规律，将规律抽象总结为理论，根据理论进行预测，最后用观测来检验理论和预测的结果；精确的预报需要依靠先进的观测手段来提供初始条件。借助全球变化国家重大科学研究计划的支持，今年上半年中国海洋大学在西北太平洋进行了一次远洋科学考察，布放了浮标阵列来监测这一海域的海洋信息，通过卫星将这些数据实时传送到我们的手中。这些资料为我们能更加深入的认识这一海区海洋、大气相互作用过程，进而研究未来气候变化提供有力支撑。在未来，更加丰富的观测手段、更加密集的时空覆盖率将为气候科学研究提供更高质量的观测数据，让我们能从更多角度更加深入地认识气候变化。

计算机数值模型是我们预测未来的工具，现有的模型对天气、平均气候及以厄尔尼诺为代表的年际变化现象的模拟和预测能力都已得到较好的检验，但是对未来长期趋势的模拟、针对具体区域的预测能力还需要提高。数值模型的开发是一项系统工程，需要大气海洋理论、观测方法、超级计算软硬件件等多方面协同发展。发展物理过程精确、分辨率高、运行速度快的数值模型，是未来气候变化预测精确到区域、扩展到长期的必要条件。准确的区域气候预测，是国家社会应对气候变化的科学基础。

极端天气的发生无法避免。但是科学研究的进步、预报预警体系的发展，将会减轻气候变化和极端天气给人类生存带来的影响，将灾难控制到最小。

 
（源自千人智库-科研基金EWW141114YRE）