干旱和洪水可能在 2050 年前趋于平稳，但之后要小心  

请考虑以下夏季极端情况：2003 年，欧洲历史上最严重的热浪导致 30,000 多名公民丧生。2010 年，俄罗斯的野火和巴基斯坦的洪水造成了前所未有的破坏和死亡。2011 年美国的热浪和干旱导致俄克拉荷马州的牧场主损失了四分之一的牛。2016 年艾伯塔省的野火构成了加拿大历史上损失最惨重的灾难。而 2018 年美国的夏季臭名昭著：整个沙漠西南地区连续多日气温飙升至 100 华氏度以上，大西洋中部各州遭受暴雨和洪水侵袭，加利福尼亚州经历了令人震惊的野火季。极端热浪、洪水和野火也在欧洲和亚洲肆虐。

最具破坏性的夏季天气发生在近几十年，这难道是巧合吗？我和我的同事们不这么认为。所有这些事件都有一个共同的显著特征：急流中非常不寻常的模式。急流是一条狭窄的强风带，从西向东环绕北半球吹动，通常沿着美国-加拿大边境，并继续穿过大西洋、欧洲和亚洲。这条风带有时相当笔直，但有时也会呈现出很大的弯曲——形状像一个侧卧的 S 形。它通常从太平洋向北弯曲进入加拿大西部，然后向南转到美国中西部，然后再次向上朝向新斯科舍省。这种形状通常在几天内从西向东穿过美国，将暖空气带到北方或将冷空气带到南方，并形成雨雪区域，尤其是在弯曲处附近。急流控制着我们的日常天气。

在我提到的极端事件期间，急流的表现很奇怪。弯曲异常地向北和向南延伸，并且停滞不前——它们没有向东推进。这些弯曲越大，天气在北部峰值和南部低谷附近就越恶劣。当它们停滞不前时——就像 2018 年夏天在美国上空那样——这些地区可能会日复一日地遭受暴雨，或者日复一日地被太阳炙烤。创纪录的洪水、干旱、热浪和野火随之发生。

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我的合作者和我最近表明，由于全球变暖，这些高度弯曲、停滞的波浪模式变得更加普遍，从而加剧了极端天气。但我们预测，未来几十年，这种日益严重的趋势可能会趋于平稳。这听起来可能有点奇怪的“好”——坏天气将继续，但至少不会变得更糟。我们还预测，极端事件将开始变得更加严重，大约从 2050 年左右开始——尤其是在夏季。对人们健康和安全的威胁将增加，风暴破坏将变得更加广泛，且供养不断增长的人口所需的农作物将被毁坏。

我们是如何知道的？波动数学和量子力学告诉我们。是的——表征最小尺度电子行为的数学，可以帮助我们描述全球尺度大气层的行为。它们表明，危险天气的上升、即将到来的平台期和随后的激增是由化石燃料燃烧产生的温室气体浓度与工业烟囱排放的硫污染之间一种奇特的权衡所驱动的。而这种权衡引发了一个问题，即削减排放是否能阻止急流造成破坏。

罗斯贝带来坏天气

急流形成于全球副热带地区的暖地表空气向北移动并与极地地区的冷地表空气相遇的地方——大致在美国与加拿大交界处。急流在约 35,000 英尺的高空吹动，沿着对流层（大气层的最低层，天气发生的地方）和平流层（大气层的下一层，客机飞行的地方）之间的边界。

副热带和极地空气相遇时温差越大，急流风就越强。夏季的温差小于冬季，因此急流较弱。当急流减弱时，它更有可能呈现出宽阔的南北弯曲。

但为什么会形成弯曲呢？急流受到一系列大气波的影响，这些大气波是地球在流体（在本例中为空气）中旋转时自然产生的。它们是罗斯贝波，以瑞典裔美国气象学家卡尔-古斯塔夫·罗斯贝的名字命名，他于 20 世纪 30 年代首次解释了大规模大气运动的物理原理。它们也发生在整个海洋中。

大气中的罗斯贝波延伸数百英里，并在北半球从西向东移动。当夏季气团之间的温差减小时，罗斯贝波往往会弯曲得更厉害，并且在北美上空从西向东移动得更慢。急流遵循这些波浪的形状和路径。

其他波浪也在大气和海洋中传播。例如，重力波是由重力向下拉大气层和浮力向上推大气层之间的暂时扰动引起的，例如气流经过山脉。开尔文波发生在太平洋赤道两侧的狭窄走廊中。它们在那里有规律地从西向东传播，周期性地使地表水变暖和变冷，这是厄尔尼诺/南方涛动气候现象的关键要素。

急流中的弯曲会产生局部地表天气系统，这些系统随着弯曲向东推进而向东移动。我们在天气图上看到它们，它们是大的 H 和 L——高压和低压系统。位于北部弯曲或山脊内的高压系统顺时针旋转，夏季带来干燥炎热的天气。位于南部弯曲或低谷内的低压系统逆时针旋转，导致潮湿凉爽的天气。如果急流足够弱，它所追踪的 S 形罗斯贝波可能会停滞不前，而不会向东推进——“驻波”模式。高压和低压天气系统在原地旋转，持续烘烤下方的大地，或用无情的暴雨和洪水袭击它——这就是飓风哈维袭击德克萨斯州和飓风弗洛伦斯袭击美国中东部地区时发生的情况。

共振使情况变得更糟

当罗斯贝波的弯曲，以及急流的弯曲被大大放大时，往往会发生真正的极端天气。山脊越高，低谷越低，高压和低压系统就越深。在这种驻波模式中，高压系统停滞（有时称为阻塞模式）。这正是导致 2018 年 7 月美国西南部热浪和大西洋中部同时发生洪水的原因。另一个经典的例子是 2010 年 7 月俄罗斯上空的山脊，它与创纪录的高温、干燥和野火有关，以及其下游巴基斯坦上空的深低谷，它与创纪录的洪水有关。

常规罗斯贝波可以达到的振幅受到它们在向北和向南弯曲以及向东推进时向外辐射能量的限制。然而，在某些条件下，大气层可以充当一种波导。想象一下穿过加拿大中部的一条东西线和穿过美国南部的一条东西线。弯曲的罗斯贝波保持在这些“墙壁”内，几乎没有能量损失。这种约束锁定了弯曲的急流和强高压和低压系统。

从有线电视公司到电视机的同轴电缆就是波导的一个例子。将电视信号从有线电视公司传输到您的电磁波大部分被限制在电缆的圆柱壁内，几乎没有信号能量损失。感谢波导物理学，您才能欣赏到清晰的图像。

当波浪像驻波一样卡在原地时，在某些情况下，弯曲的振幅会很容易增大——这在物理学中被称为共振。当这种情况发生在罗斯贝波上时，在夏季更为常见，它被称为准共振放大作用，或 QRA。几年前，弗拉基米尔·佩图霍夫和他在德国波茨坦气候影响研究所的合作者表明，支持 QRA 的条件取决于急流的形状。事实证明，气候变化会影响急流的形状，从而影响 QRA 和夏季极端天气事件的频率。

为了理解这种汇合是如何发生的，我们需要参考 20 世纪初开发的用于解决量子力学中某些问题的相同数学。这种联系让我特别满意。在转向大气科学之前，我开始了我的理论物理学生涯，因此令人欣慰的是，我保留的那些几十年前的量子力学教科书在我的工作中仍然有用。

量子联系

理解大气波的行为在数学上与电子的行为是相似的，这将有助于揭示干旱和洪水日益严重的关​​键原因。

在经典物理学中，当电子被高势能包围时，它会被捕获。想象一下从侧面看一个盒子，墙壁无限高。电子无法穿过墙壁，因为墙壁具有无法克服的无限高能量。电子在一条直线上左右来回弹跳。

在量子力学图中，情况有所不同。电子不再具有确定的位置。相反，找到电子的概率由著名的薛定谔方程（一个波动方程）决定。电子的运动——或者更准确地说，电子最有可能被找到的概率——由正弦曲线描述：一个侧卧的 S 形。听起来耳熟吗？电子部分像粒子一样运动，部分像波一样运动。

当势能“墙壁”的高度不是无限高而是有限高时，就会发生一些有趣的事情。在那种情况下，电子实际上有很小的概率穿透墙壁，如果墙壁足够薄，它可以完全穿过墙壁。这就像你用网球击打混凝土墙，网球“隧道”穿过墙壁并从另一侧出来一样。相同的概率适用于对面的墙壁。电子主要被限制在盒子里，但在边界处只有一点“泄漏”。欢迎来到奇特的量子力学世界。

透过这个有限的盒子看，就像向下看稍微泄漏的三维波导内部——就像同轴电缆一样。允许我们求解描述这些物体的方程的数学精髓是在 1926 年提出的，称为 WKB 近似，以提出它的三位科学家命名：格雷戈尔·文策尔、亨德里克·克雷默斯和莱昂·布里渊。WKB 近似在量子力学中用于许多波动方程，并用于辅助设计智能手机中的隧道二极管等产品。

在 20 世纪 80 年代初期，现在在澳大利亚联邦科学与工业研究组织的戴维·卡罗利和英国雷丁大学的布赖恩·霍斯金斯证明，对于具有某些短波长（大约相当于美国大陆的宽度，或环绕北半球的六到八个完整波长）的停滞或驻波罗斯贝波，大气层可以表现得像波导一样。

驻波罗斯贝波被困在波导内，只有极少的能量通过北部和南部边界泄漏——就像电子一样。在这种情况下，由于 QRA，波浪的振幅会增大。现在巨大的驻波卡在原地，在山脊和低谷内产生持续数天的极端天气系统。WKB 近似导致量子力学中波导问题的解决方案，也有助于解决罗斯贝波导问题。

不断变化的波浪气候

有了这种理解，我们现在可以看到气候变化是如何影响驻波的，而驻波又给我们带来了持续的极端天气。几年前，佩图霍夫和他在波茨坦的合作者在卡罗利和霍斯金斯的工作基础上，表明驻波罗斯贝波的波导条件主要出现在夏季。通常在夏季，急流不是单一的、强劲的自西向东的风。它在两条通道之间交替，一条通道位于美国-加拿大边境沿线的典型位置以北，另一条通道位于以南。

佩图霍夫的研究小组使用 WKB 近似表明，正是在这些“双峰”急流条件下，大气层可以充当短波长罗斯贝波的波导。这些波浪的振幅通常很小：弯曲不会向北或向南延伸太远。但是，如果当自西向东移动的气团撞击落基山脉或阿尔卑斯山脉，或者当它遇到陆地和海洋边界处强烈的地表温差时，产生初始弯曲，罗斯贝波可以通过 QRA 机制很容易地产生更大的弯曲。

QRA 条件是否有利因年份而异。它们在很大程度上取决于低层大气中温度变化的南北模式——气候模型可以很好地解决这个问题。2017 年，我和我的同事们表明，近几十年来，更有利于 QRA 的条件呈上升趋势。气候模拟表明，这种趋势是由温室气体浓度随时间推移的增加驱动的。太阳输出波动和火山爆发等自然因素，以及特别是大气二氧化硫污染等人为因素也发挥了作用。这些模拟称为 CMIP5，是全球 50 多个研究小组为政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的最新报告所做的建模结果。

气象站记录的温度数据和模型显示，气候变化导致北极地区的升温速度快于北半球其他地区，这种情况被称为北极放大效应。中纬度和极地纬度之间温差的减小导致整体急流速度减慢，这有利于更持久的天气模式，并与双峰急流和 QRA 相关。

这种不断上升的趋势有助于解释过去二十年来在北半球各地看到的持续时间长的极端夏季天气事件的激增。科学家们最近表明，QRA 条件与 2003 年欧洲热浪、2010 年俄罗斯野火和相关的巴基斯坦洪水、2011 年席卷俄克拉荷马州和美国其他地区的干旱以及 2015 年加利福尼亚州野火和 2016 年艾伯塔省野火有关。现在我们可以将 2018 年前所未有的加利福尼亚州野火添加到该列表中。人为造成的气候变化使过去几十年中这些极端天气事件发生的可能性增加了约 50%。

停滞

听起来极端天气应该只会变得越来越糟。一些基本因素表明情况确实如此。例如，较温暖的大气层可以容纳更多的水分，从而导致更多的强降雨和洪水。而地球变暖意味着更频繁、更持久和更强烈​​的热浪。但驻波急流和 QRA 呢？

正如伟大的物理学家尼尔斯·玻尔以及后来的棒球传奇人物约吉·贝拉所说，预测很难——“尤其是关于未来”。在我与同事于 2018 年 10 月在《科学进展》杂志上发表的一篇论文中，我们分析了 QRA 事件如何可能因预测的未来气候变化而发生变化。我们确实预计上升趋势将持续不减，但这并不是我们发现的。

IPCC 和 CMIP5 实验评估了不同情景下的未来条件，从深度、立即削减二氧化碳排放到只是继续排放越来越多的 CO₂ 的世界，沿着它一直在走的轨迹。在所谓的照常营业情景下，我们发现有利于 QRA 条件的趋势在 2050 年左右之前趋于平缓。然后在本世纪下半叶加速。

我们发现，其原因涉及另一个重要但有时被忽视的人为气候变化驱动因素：大气污染物，如二氧化硫，它是煤炭燃烧和其他工业活动产生的。这些污染物形成称为气溶胶的颗粒，它们漂浮在大气层中并将阳光反射回太空，从而冷却下方的地球。

从 20 世纪 50 年代到 70 年代，气溶胶污染是美国东北部酸雨的原因。清洁空气法案要求工业厂房在烟囱中安装“洗涤器”，以去除排放物中的二氧化硫。这有助于拯救森林、湖泊和河流，但它也使大气中反射阳光和抵消 CO₂ 升高造成的变暖的气溶胶减少，这是自 20 世纪 70 年代以来全球变暖加速的原因之一。

世界其他大部分地区——最重要的是中国，它占目前煤炭燃烧总量的近一半——仍然采用旧式的工业做法。IPCC 照常营业情景假设中国等国家将继续燃烧煤炭，导致 CO₂ 排放量增加，到 21 世纪末将超过工业化前水平的三倍多。然而，该情景还假设，这些行业将在未来几十年内安装洗涤器。

这将导致从现在到本世纪中叶气溶胶的急剧减少——以及更多的变暖。这种影响在夏季的中纬度地区尤其大，因为那里的阳光最充足；大部分阳光将不再被反射。在一些模型模拟中，由此产生的中纬度夏季变暖是如此之大，以至于超过了北极变暖。北极放大效应减弱甚至停止。这将意味着 QRA 没有增加甚至减少——并且没有进一步恶化导致极端夏季天气上升的急流模式。

掌握在我们手中的命运

这样的未来似乎是一笔划算的买卖。但实际上这是一场浮士德式的交易。短期缓解效应以巨大的长期代价为代价。到本世纪中叶，气溶胶大部分消失了，因此从那时起，不断上升的温室气体继续推动所有气温上升。极地地区再次上升得更快。北极放大效应恢复，QRA 事件——停滞、强烈、炎热、干燥和潮湿的天气模式——再次开始增加。到本世纪末，它们相对于现在将增加约 50%。这种变化在夏季的中纬度地区将最为突出，这尤其令人不安，因为那里是大多数人居住的地方，也是大量农作物生长的地方——其中许多农作物在高热下无法很好地生长。

有出路吗？如果世界现在采取行动，迅速摆脱照常营业的困境，并大幅降低碳排放，我们就可以避免灾难性的地球升温两摄氏度（3.6 华氏度），并且我们很可能会避免 QRA 事件的任何额外增加。最安全（且最具成本效益）的前进道路是立即减少化石燃料燃烧和其他人为提高温室气体浓度的活动。

值得注意的是，世界必须在不确定的情况下做出决定。一些模拟表明 QRA 事件的增幅更大（超过三倍），而另一些模拟实际上显示出下降。这种差异在很大程度上源于气候模型处理气溶胶的不同方式。预测会趋于一致吗？我们尚不清楚。可以说，鉴于这种不确定性以及最坏情况发生时巨大的潜在风险，最明智的前进道路是大幅减少排放。

当然，减少不确定性将很有用。在某种程度上，这样做取决于物理学的磨练。在这种情况下，它是气溶胶及其散射阳光的物理学——来自太阳的电磁波。再次，这需要理解波浪行为的物理学。我们又回到了原点。