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今年熱浪為何如此狂野?

2022-08-17 16:35:20
科學大觀園 2022年16期
關鍵詞:反氣旋濕球溫度熱浪

根據(jù)世界氣象組織(WMO)和世界衛(wèi)生組織的說法,熱浪和極端高溫的出現(xiàn)頻率正變得越來越高,并將在未來成為常態(tài),我們還會看到更駭人的極端天氣。它們除了嚴重影響人類健康,還會損害農(nóng)業(yè)生產(chǎn),導致缺水,威脅人類的生存。

今年7月初,德國學者于Nature子刊發(fā)文稱:

歐洲已成為熱浪的“熱點地區(qū)”,過去42年間,歐洲熱浪頻率的增加速度是美國和加拿大等北半球中緯度地區(qū)的3~4倍。

這在很大程度上與歐亞大陸上空“雙急流”出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間增加有關;西歐地區(qū)氣溫變化的35%可歸因于“雙急流”。

急流指的是大氣中的一股又強又窄的氣流帶,中心最大風速達每秒30米以上,是大氣環(huán)流的一個重要特征。在某些因素影響下,歐洲大陸上空的急流有時被一分為二,形成雙急流,從而助推極端高溫產(chǎn)生。

由于緯度原因,印度、孟加拉國、巴基斯坦等南亞國家在3月份就開啟了炎熱夏季;進入四五月后,這些地區(qū)更是體驗到地獄級高溫。印度經(jīng)歷了有記錄以來最熱的3月,122年以來最熱的4月,以及近50℃的炙烤體驗。巴基斯坦的4月為61年來最熱,同時也有50℃高溫出現(xiàn)。

據(jù)報道,熱浪還帶來了嚴重的連鎖反應。高溫使得當?shù)鼐用駥﹄娏Φ男枨蠹ぴ?,進而導致電網(wǎng)不堪重負:2/3的印度家庭停電,巴基斯坦的停電時間長達12小時。沒了電,許多家庭也就斷了水。炎熱天氣還提高了灰塵和臭氧水平,導致該地區(qū)主要城市的空氣污染激增。此外,山地冰川因熱浪影響而更快融化,引發(fā)了巴基斯坦的山洪暴發(fā)。

什么是熱浪熱浪怎么來

熱浪其實是一個因地制宜的相對概念。

通常來說,如果某地持續(xù)了3天及以上的高溫日,我們就可以判定該地經(jīng)歷了熱浪,再根據(jù)持續(xù)時間長短來劃定熱浪強度。那么這個高溫日是怎么定義的呢?

中國氣象局將日最高氣溫≥35 ℃作為判定高溫日的閾值,同時規(guī)定各省區(qū)市可以根據(jù)本地天氣氣候特征自定閾值。

IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)的標準則基于過往數(shù)十年的歷史氣溫數(shù)據(jù),以第90百分位數(shù)作為高溫日閾值——如果某地某日最高氣溫超過該地同期歷史記錄的第90百分位數(shù),也就是比90%的歷史數(shù)據(jù)都高,該日即為高溫日。

一般來說,3~5個連續(xù)高溫日為弱高溫熱浪,5~7天屬于中強熱浪,7天以上就是強熱浪了。

熱浪的直接推手是反氣旋。

顧名思義,反氣旋就是逆向的氣旋/旋風。氣旋英文叫cyclone,反氣旋則為anticyclone;前者的特點是氣壓中心低,四周高,近地面處氣流由四周向中心輻合,中心氣流向上升;后者則剛好相反,中心氣壓高,氣流從上方向地面沉降,近地面處氣流向四周輻散。因此反氣旋也被稱為高壓系統(tǒng)(high-pressure system)。

反氣旋分為暖性和冷性兩種,我們常在天氣預報里聽到的“副熱帶高壓”指的就是暖性反氣旋;而之所以叫副熱帶,是因為它們通常活躍于南、北半球副熱帶地區(qū)(南北緯20°~35°)。

反氣旋的高壓中心就像一個熱穹頂,一個高壓鍋蓋,下沉的空氣不斷壓縮,捕獲原先已被環(huán)境吸收的潛熱,而且常常會變得很干燥。那些比較涼爽、快速移動的氣流被高壓中心向外推散,甚至連云層都被擠了出去——這就導致干旱少雨,同時陽光毫無阻擋地直射地面。

地面的土壤、沙礫、混凝土和瀝青等,接受陽光的高強度烘烤,在夏季的漫長白晝和短暫夜晚中迅速積熱升溫。

熱浪在干旱地區(qū),以及易形成高壓系統(tǒng)的高海拔地區(qū)尤其常見。水分蒸發(fā)是冷卻環(huán)境的一個途徑,但干旱地區(qū)的地下、水道以及植被等含水量稀少,除了空氣,拿不出什么來吸收熱量。

威斯康星大學麥迪遜分校的大氣科學教授喬納森·馬?。↗onathan Martin)表示:“這些熱浪會自我鞏固。環(huán)境干燥導致溫度更高,溫度更高導致反氣旋更強,反氣旋更強導致云層更少,降水更少,環(huán)境更干燥,入射陽光對地面的加熱效果更好?!?p>

濕球溫度和熱島效應

熱浪能與干旱相互助攻,也會和潮濕協(xié)同發(fā)力。

根據(jù)氣候?qū)<业恼f法,空氣每升溫1攝氏度,就可多吸收7%的水分,而增加的水蒸氣又可間接加劇溫室效應,帶來更大升溫。

在環(huán)境潮濕的低緯度地區(qū),例如波斯灣和南亞各國,高溫往往會增加空氣濕度,讓當?shù)鼐用瘾@得濕熱加倍的蒸籠體驗,以及更大的健康風險。

如果空氣過于濕熱,汗水將更難以蒸發(fā),人體更難冷卻,中暑風險就更高了。

這里介紹一個關鍵的熱力學概念,濕球溫度(wet-bulb temperature)。

要測量濕球溫度,需將溫度計置于相對濕度達到100%的環(huán)境中(用濕布包裹溫度計),由于相對濕度百分百意味著水蒸氣無法再蒸發(fā)吸熱,因此這種環(huán)境里測出來的溫度代表了一個降溫極限——你想通過蒸發(fā)實現(xiàn)降溫,降到最低就是濕球溫度值,不能再低了。

人類所能承受的最高濕球溫度為35℃,若超過此閾值,人體將失去調(diào)節(jié)自身溫度的能力,僅能存活數(shù)小時。

熱浪通常持續(xù)約5天,但若被高壓系統(tǒng)被阻塞,則可能持續(xù)更長時間。高壓系統(tǒng)最終會減弱,讓較冷的空氣和降水進入,從而結束熱浪。然而,隨著溫暖季節(jié)繼續(xù),將有更多高壓系統(tǒng)開啟熱浪。

此外,城市地區(qū)因道路、停車場和建筑物等覆蓋了自然景觀,相比周圍環(huán)境能吸收更多熱量,溫度更高,產(chǎn)生城市熱島效應,加劇熱浪對城市居民的壓迫。

氣候變化如何加劇熱浪

近年來,科學家們一直嘗試通過模型和實驗揭示溫室氣體—氣候變暖—極端天氣之間的關聯(lián)。這方面的努力屬于氣候?qū)W的一個分支——氣候歸因科學。

過往一系列研究似乎都告訴我們,氣候變暖正加快極端高溫的腳步:

通常來說,如果某地持續(xù)了3 天及以上的高溫日,我們就可以判定該地經(jīng)歷了熱浪。

2019年的一項研究發(fā)現(xiàn),氣候變暖使歐洲發(fā)生特大熱浪的可能性增至不變暖情況下的5倍。

2020年,科學家發(fā)現(xiàn)海洋中出現(xiàn)熱浪的可能性相較工業(yè)化前時期增加了20倍以上,西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)高溫的可能性增加了至少600倍。

近期,世界天氣歸因組織得出結論——氣候變化使印度和巴基斯坦于3—5月發(fā)生致命熱浪的可能性增加了30倍……

根據(jù)氣候?qū)W家的說法,大量化石燃料燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體,溫室效應將全球平均氣溫推高,極端高溫也跟著上去了,熱浪變得更長、更強烈、更頻繁。

此外,變暖影響因緯度而異。較寒冷地區(qū)比接近赤道地區(qū)升溫更快,極地地區(qū)的變暖速度達到了全球均速的3倍,因此北極的熱浪強度更大。

人類與極端高溫的34年

一項針對全球13115個城市的研究發(fā)現(xiàn),自20世紀80年代以來,這些城市的居民們面對極端濕熱環(huán)境的頻率增加了2倍。

作者團隊結合紅外衛(wèi)星圖像以及數(shù)千個地面儀器的讀數(shù),確定了1983年至2016年間,這1.3萬多個城市的每日最高溫度和最大濕度,并將其換算為每日濕球溫度。

他們對極端高溫的定義是濕球溫度達到30℃——效果相當于干球溫度41℃——在此溫度下,即便最健康的人士也會對戶外活動力不從心,不健康者可能重病甚至喪生。

分析結果顯示,城市居民的極端高溫暴露頻率從1983年的每年400億次(1次=1人×1天),增長至2016年的每年1190億次;有17億人曾連續(xù)多日遭遇極端高溫。

從全球平均水平看,這一增長有2/3要歸因于城市人口增加,剩下的1/3由氣候變暖負責,但不同地區(qū)和城市之間的差異很大。

增長最多的城市集中于低緯度,尤其是南亞地區(qū),其中印度占據(jù)了總增長的半壁江山,孟加拉國緊隨其后;孟加拉國首都達卡、印度的德里和加爾各答是增量最大的3座城市。

達卡在這34年間增加了5.75億次的極端高溫暴露,其中80%來自人口增長。這座“清真寺之城”發(fā)展迅猛,如今已是南亞主要城市之一,其人口也從1983年的400萬膨脹至現(xiàn)在的2200萬。

與達卡類似的人口主導增長的城市,還包括泰國曼谷、緬甸仰光、阿聯(lián)酋迪拜、中國的上海和廣州等。當然,人口主導并不意味著這些地區(qū)沒有發(fā)生顯著氣候變暖。

相比之下,歐洲城市人口穩(wěn)定,故其高溫暴露的增長幾乎完全由氣候變暖推動。

此項研究并非學術界對全球城市過熱危險的首次實錄。在2020年,就有科學團隊發(fā)現(xiàn),超出戶外人類生存極限的熱—濕環(huán)境,即濕球溫度超過35℃,實際上已經(jīng)在世界各地短暫出現(xiàn)。

◎來源| 公眾號 世界科學

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