一個公式推出的氣候災害影響？丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

也許有人因為中學時期的地理科目以為大氣科學屬於文科範疇，事實上在氣象學中實打實塞滿了令人頭禿的物理定律和數學公式。雖然失去了文藝氣息，但用數字和運算子號就能探究萬物執行的規律，也算屬於理科的趣味和浪漫了吧。今天的故事，就要從一個方程開始講起。

一個重要的方程

水是生命的起源，它以三種形態出現在地球的各個角落，從分子運動角度來看，水的相態變化就是水的各相之間分子交換的過程。在水面和大氣的交界處，當水分子獲得的動能超過周圍水分子對它的吸引時就可以跑出水面，成為水汽分子進入大氣中；同時大氣中的水汽分子可能受到水面分子的吸引重新進入水中。

當溫度越高，水分子獲得的動能就會增加，可以掙脫周圍水分子束縛跑出水面的水分子也就更多。如果大氣中水汽濃度低，同樣時間內從水面跑出來的水分子比落回水中的水汽分子多。這時一部分液態水變成氣態水，這就是蒸發過程。

圖1 蒸發和凝結示意（圖片來自網路）

蒸發使得大氣中水汽濃度增大，水汽分子間碰撞，落到水面中的機會也逐漸增加。在持續一段時間後，單位時間內跑出水面的水分子和落回水面的水汽分子剛好相等，大氣和水面的水汽分子和水分子含量不再發生變化，達到平衡狀態。大氣就像“喝飽了”一樣，無法容納更多的水汽分子進入（在水面仍然有水分子和水汽分子跑進跑出的交換過程，只不過進出水面的分子數相等，因此也叫動態平衡過程）。此時大氣中的水汽含量稱為飽和水汽，大氣中飽和水汽只受到溫度的影響。我們看到的雲、霧、露珠都是因為空氣溫度降低、飽和水汽壓減小，多餘的水汽凝結出來成為小水滴或者小冰晶。

圖2 雲的形成示意（圖片來自網路）

水的氣相和液相變化需要溫度加持，1834年法國化學家埃米勒·克拉伯隆分析了包含氣液平衡的熱源熱量交換後得出了一個方程，1850年德國數學家魯道夫·克勞修斯為此方程作了嚴格的熱力學推導。因此該方程以二人名字命名為克勞修斯-克拉佩龍方程，也稱為CC方程。這個方程可以描述純物質在相變平衡時氣壓隨溫度的變化率，雖然它符號字母並不多，看起來平平無奇甚至很簡單，但它是熱力學中重要的公式之一，相信很多同學都有過被它支配的恐懼吧。

一個讓人憂心的發現

江河湖海的蒸發是全球降水的水汽來源，那麼當全球變暖後蒸發過程會發生哪些變化，又進一步怎樣影響降水呢？根據飽和水汽壓的CC方程，溫度每升高1K，在大氣對流層的飽和水汽壓就會提高約7%。而當CO₂濃度加倍時，對流層低層溫度的響應大約為3K，這意味飽和水汽將增加20%。水汽增幅如此可觀，似乎全球變暖後我們真的要經常與“下雨下雪下冰雹”見面了呢。

（圖片來自網路）

但是根據研究結果，全球變暖與降水變化的關係為溫度增加1K時降水僅增加2%，遠遠小於CC方程推斷出的水汽含量變化。如果將降水看作簡單的水汽含量與垂直對流運動兩個過程的疊加，只有當變暖時垂直對流運動減弱才能使得水汽含量和降水變化的結果相吻合。並且由於大部分的蒸發和降水發生在熱帶地區，對流運動減弱主要發生在熱帶地區。

（圖片來自網路）

也許你對於熱帶降水變化並不感興趣，畢竟不會影響到我們出行是否需要帶傘。但是你還記得嗎？在熱帶地區還有一個“老朋友”，他的一舉一動都牽動著我國的氣候。他就是ENSO。

ENSO是發生在赤道中東太平洋3到7年週期的冷暖振盪現象，其中海水偏暖的年份稱為厄爾尼諾年，偏冷的年份稱為拉尼娜年。當ENSO暖事件時，拉丁美洲和我國長江流域易出現洪澇災害，而在澳大利亞、印度尼西亞、南亞次大陸和巴西東北部易遭受乾旱。隨著全球變暖問題日益嚴峻，預估全球變暖下ENSO的變化以及影響也是一個熱點問題。

根據CC方程，大氣飽和水汽壓隨著溫度增加接近指數增長，導致水汽對溫度的響應隨著溫度增長而增強。如圖3所示，溫度從0℃增加到5℃時飽和水汽壓增加的幅度要小於從10℃增加到15℃。因此在全球變暖背景下，同樣振幅的增暖能導致更大的對流層水汽異常，進而造成更大的全球大氣環流、氣溫和降水異常（圖4）。由於ENSO是我國長江流域、四川和陝西山區旱澇災害的主要成因，這意味著這些地區旱澇災害在未來可能會更加嚴重。該結論是中科院大氣所胡開明副研究員、黃剛研究員等人最新研究成果，於近日發表在期刊 Nature Geoscience。

圖3 飽和水汽壓與溫度關係（圖片來自網路）

圖4 全球變暖下ENSO影響變化示意圖。全球變暖下大氣邊界層水汽、熱帶降水、對流層溫度和大氣環流對ENSO的響應增強。

該結論是從CC方程出發，從物理學理論的角度對全球變暖背景下ENSO的變化及影響做出預估。我們知道，氣象學家預估氣候變化的另一個方法是用模式模擬，胡開明等人將理論預估的結果和模式模擬的結果進行比較，發現幾乎所有的CMIP5和CMIP6數值模式的模擬結果和理論推測一致（CMIP，Coupled Model Intercomparison Project，國際耦合模式比較計劃）。這意味著全球變暖後，像厄爾尼諾這樣的自然現象可能會造成更大的氣候災害。

李白曾雲，“俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬明月”。人類對身處的天地自然報有本能的好奇與嚮往，我們學會用繁複優美的詞藻記錄大千世界的美好，也學會用簡潔凝練的方程總結風霜雨雪的奧妙。但是我們在認識自然的過程中同時伴隨著改造與破壞。人類今天排放的廢氣、廢水將會以另一種方式被自然歸還給我們，因此保護環境、應對氣候變化是為了人類有更多的未來去認知這個美好的世界。

參考文獻：

1.Held, I. M. & Soden, B. J. Robust responses of the hydrological cycle to global warming. J. Clim.,2006

2.Kaiming Hu , Gang Huang , Ping Huang, Yu Kosaka , Shang-Ping Xie. Intensification of El Niño-induced atmospheric anomalies under greenhouse warming. Nat. Geosci.,2021

來源：中國科學院大氣物理研究所