蒸汽风暴正威胁人类和财产

2021年夏季是全球变暖世界中破坏性天气样貌的一个鲜明例子。7月中旬，德国西部和比利时的风暴在两天内降雨量高达8英寸。洪水撕裂建筑物，并将它们冲过村庄街道。一周后，中国河南省在短短三天内降雨量超过两年总降雨量——超过两英尺。数十万人逃离了决堤的河流。在省会城市郑州，通勤者发布的视频显示，乘客被困在被洪水淹没的地铁车厢内，吃力地将头伸向天花板，以触及快速上涨的水面上最后一点空气。8月中旬，急剧弯曲的急流给田纳西州带来了倾盆大雨，在短短24小时内降雨量惊人地达到17英寸；灾难性洪水至少造成20人死亡。这些风暴系统都不是飓风或热带低气压。

然而很快，飓风艾达在墨西哥湾盘旋，成为当年北大西洋繁忙季节中的第九个命名热带风暴。8月28日，它是一个1级风暴，持续风速为每小时85英里。不到24小时后，艾达升级为4级，其增强速度几乎是美国国家飓风中心用于定义快速增强风暴速度的两倍。它以每小时150英里的风速袭击路易斯安那州海岸，导致超过一百万人断电，超过60万人断水数日。艾达的狂暴持续到东北部，在那里它在纽约市一小时内降下了破纪录的3.15英寸雨量。这场风暴至少造成80人死亡，并摧毁了美国东部的大片社区。

所有这些破坏性事件的共同点是水蒸气——大量的水蒸气。水蒸气——H₂O的气态形式——在加剧破坏性风暴和加速气候变化中发挥着超出比例的作用。随着海洋和大气变暖，更多的水蒸发到空气中。反过来，温暖的空气可以容纳更多的水蒸气，然后凝结成云滴，从而产生洪水。自1990年代中期以来，大气中的水蒸气含量在全球范围内增加了约4％。这听起来可能不多，但对于气候系统来说意义重大。一个更加“湿润”的大气层为各种风暴提供了额外的能量和水分，包括夏季雷暴、美国东海岸沿线的东北风暴、飓风甚至暴风雪。额外的水蒸气也有助于像艾达这样的热带风暴更快地增强，从而为安全官员警告处于危险中的人们留下了非常少的时间。

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科学家们长期以来一直预测，气候变化将产生更多空气中的水蒸气，从而加剧可能被称为“蒸汽风暴”的现象，这些风暴释放的雨雪量超过了几十年前的风暴。测量结果证实，强降水事件在美国和全球范围内变得更加强烈和频繁。自1980年代后期以来，美国约三分之一的洪水造成的财产损失——730亿美元——归因于强降水的增加。

例如，在2017年8月，飓风哈维在休斯顿某些社区的五天逗留期间倾泻了令人难以置信的五英尺降雨，甚至让经验丰富的气象学家也感到震惊。有时，雨带每小时降下惊人的六英寸降水。一项分析得出结论，气候变化，特别是来自异常温暖的墨西哥湾的潮湿空气为哈维提供了能量，使得这场破纪录的降雨发生的可能性增加了三倍，强度增加了15％。

与大多数其他大气气体不同，水蒸气在全球范围内分布不均。在跨越赤道的湿热热带地区，水蒸气非常丰富。从那里，沿着风暴路径，长长的水分触角可以延伸到较冷、较干燥的两极，使中高纬度地区沐浴在强烈、持续的降水中。这些热量和水分的河流有助于平衡地球的大气能量分布——它们正在沿着路径产生强大的蒸汽风暴。

能量泵

当我们在烈日下出汗或在厨房炉子上烧水时，我们将液态水转化为水蒸气。必要的成分是热量。同样，气候系统中的热量导致潮湿土壤、植物、海洋、湖泊和河流中的水蒸发到空气中。水蒸气携带一种称为潜热的能量形式。如果水蒸气随后凝结回液体——形成云或草坪上的露水——热量就会释放到大气中。由此产生的暖空气泡比周围的空气轻，因此它会上升。由于较高海拔的温度通常较低，气泡可以继续上升和增长，同时将更多的水蒸气凝结成云滴并释放更多的潜热。如果您乘坐飞机穿过一朵巨大的菜花状云，您就会感受到这些上升气流产生的湍流。

潜热是为飓风、雷暴和正常恶劣天气提供能量的主要燃料。潜热中包含的能量是巨大的；在典型的飓风中，一天释放的热能超过全球每日电力总产量能量的200倍。飓风大约每20分钟可以释放一颗10兆吨核弹的爆炸力。

大气水蒸气增加最令人担忧的后果可能是它在热带风暴快速增强中的作用。气象学家表示，当最大风速在24小时内至少增加30节（每小时35英里）或风暴中心大气压在24小时内至少下降42毫巴时，风暴就会快速增强。在过去的40年中，任何一年风暴都会快速增强的可能性增加了五倍。仅在2020年，就有10个大西洋飓风这样做了：汉娜、劳拉、萨利、泰迪、伽玛、德尔塔、厄普西隆、泽塔、埃塔和约塔。在2021年，截至9月中旬形成的六个大西洋飓风中有五个经历了快速增强，包括艾达和尼古拉斯。最近的研究与物理常识相符：随着海洋变暖，蒸发更多的水并将更多的潜热传递到大气中，快速增强变得越来越有可能。海洋吸收了我们人类排放的额外温室气体所捕获热量的约90％。这些热量提高了地表和更深处的水温；温暖的海水就像一个强大的电池，风暴可以从中汲取能量。

然而，水蒸气增加并不是气候变化对热带风暴的唯一影响。风切变（靠近地面的风和高空风之间的速度或方向差异）的减少也有利于风暴发展，因为上升气流柱不太可能被撕裂。目前正在研究的其他变量包括空气中灰尘和污染颗粒物含量的变化，以及较低和较高海拔大气变暖的差异，这些差异会影响暖空气泡上升的速度。

二十多年来，热带北大西洋大部分地区一直异常温暖，造成过度蒸发，为强飓风提供了能量。非热带风暴也在吞噬大气中额外的水蒸气和能量，导致更多的强降水事件，甚至可能更强的降雪。

致命的热浪

水蒸气增加带来的威胁不仅限于风暴。它也使夏季夜晚变得难以忍受的闷热——更频繁地发生在更多地方。

自1990年代中期以来，全球陆地地区的夏季夜间最低气温上升速度快于白天最高气温。这是因为水蒸气是一种温室气体，更多的水蒸气意味着更多的变暖：通常在夜间逸散到太空的热量被困住，阻止地球表面冷却。与二氧化碳不同，无论二氧化碳在哪里排放，它都会在全球范围内扩散，而水蒸气往往会停留在当地。

更多的水蒸气也使炎热的夜晚变得危险。较高的夜间湿度会阻止您的汗液蒸发——人体自然的冷却系统——让您过热并干扰睡眠。衡量这种不适的一种指标是热指数，它结合了温度和湿度的影响，以表示人体真正感受到的压力。高于约100华氏度（38摄氏度）的指数被认为是危险的；长时间暴露可能致命，尤其是对于老年人和婴儿。热应激也会影响牲畜和宠物，野外动物也在适应，如果可以的话，会向更高纬度或更高海拔地区移动。如果没有夜间降温期，热量也会在土壤中积聚，杀死一些植物和昆虫，同时让其他喜温物种蓬勃发展。根据32个卫生组织于8月发布的“关于气候变化与健康2021年的声明”，夜间高温也会增加接触昆虫传播疾病的风险，威胁人类、动物和农作物。

夜间高温带来的危险不仅在已经炎热的热带国家日益增长，而且在赤道以北和以南的国家也在增长。美国墨西哥湾沿岸的城市已经多次超过不安全阈值。自1970年以来，休斯顿的气温升高了3.5华氏度（2摄氏度）以上，这归因于该市靠近墨西哥湾及其不断扩张的发展，这加剧了城市热岛效应。2020年7月，休斯顿的热指数超过了110华氏度（43摄氏度），远远超出了令人难受的程度。

如果温室气体继续在大气中积累，这种情况很快将在许多南部和中纬度城市（如亚特兰大和华盛顿特区）变得司空见惯。在2000年之前，美国首都平均每五年才经历一个最低气温高于80华氏度（27摄氏度）的夜晚。自2000年以来，这些夜晚每年发生约两次——在短短20年中增加了10倍。

然而，热带地区的某些国家将遭受，并且已经在遭受最大的痛苦。2015年5月，一场严重的“热浪”，或许更应称为“蒸汽浪”，袭击了印度和巴基斯坦。白天热指数连续几天超过114.8华氏度（46摄氏度），高湿度阻止了夜间降温；超过3500人死于这种令人窒息的环境。全球变暖再增加半度，受极端高温威胁的人数将增加一倍，达到全球约5亿人。

全球变暖放大器

如果强烈的风暴和闷热的夜晚还不够令人担忧，那么水蒸气也在使全球变暖变得更糟。尽管二氧化碳受到了最多的关注，但水蒸气是大气中最重要的温室气体。它吸收地球表面向上辐射的红外能量远多于其他温室气体，从而捕获更多的热量。为了说明这一点，大气中二氧化碳浓度本身的增加一倍将使全球升温约1摄氏度。但是反馈循环——恶性循环——使温度上升两倍。同样，尽管海冰消失等反馈得到了很多关注，但水蒸气反馈循环——变暖导致蒸发，从而捕获热量，产生更大的变暖——是气候系统中最强烈的反馈循环。

或许与直觉相反，水蒸气反馈在水蒸气最丰富的地区最弱。在潮湿地区，水蒸气吸收的红外能量已经接近其物理极限，因此添加少量额外的水分影响甚微。然而，在干燥的地方，例如极地地区和沙漠，吸收的红外能量远低于其潜在最大值，因此任何添加的水蒸气都会捕获更多的热量并增加低层大气的温度。

北极热浪的数量和持续时间的增加是来自较低纬度的温暖潮湿空气脉冲更加频繁和持久的明显症状——那些从热带地区向北延伸的触角。例如，在2021年1月，北冰洋大片地区的温度比正常水平高出36华氏度（20摄氏度）。北极热浪的增加，尤其是在冬季，正在减缓海冰的年度冻结，并导致冰盖的消亡。

增加的水蒸气的捕热效应或许可以通过云层形成的增加来抵消。云层反射太阳光线（导致冷却效应），但也捕获热量。在海洋上，冷却效应往往占主导地位，但在高纬度地区，变暖影响占上风。最近的研究表明，平均而言，在全球范围内，加热效应更大，从而建立了又一个涉及水蒸气的恶性循环。

更好的预测

随着人类活动继续产生更多的捕热气体，海洋和大气将继续变暖，更多的水将蒸发，导致更频繁的蒸汽风暴和令人衰弱的蒸汽浪。最强级别的飓风将更频繁地发生，快速增强的风暴也将如此。预测这些快速增强的风暴将对预报员构成挑战。当风暴像飓风艾达那样靠近陆地时才增强时，官员们将没有多少时间发出警报，人们将只有几个小时的时间撤离。

预测这些超强风暴的主要障碍是缺乏海面以下温度的测量数据。深层温暖的海水比浅层海水包含更多的风暴燃料，但卫星只能测量海面温度。研究人员正在尝试设计方法来确定上层数百英尺海水中包含多少能量，因为这才是风暴真正依赖的能量来源。他们正在开发自主海洋滑翔机，这些滑翔机在不同深度的上层海洋中漫游，同时采样温度和盐度。他们还与卫星数据合作，这些卫星数据可以检测海面高度的变化：与相邻区域相比，深层温暖的海水会膨胀，在海面上形成一个可以从太空看到的隆起。

卫星数据非常有价值，但我们还需要遍布海洋的仪器来测量温度、水蒸气和风。我们将继续依靠“飓风猎人”飞机飞入风暴，并在风暴内部和周围投放仪器。研究人员将来自这些飞行的数据输入计算机模型，这些模型可以提供有关大气状态和风暴强度的详细信息。更好的数据覆盖率、更快的计算机以及对风暴形成过程的更深入了解正在帮助改进预测。

水蒸气来自无数来源，并影响许多大气过程。科学家们并不完全了解某些相互作用，计算机模型仍然难以完全预测水蒸气在不断变化的气候系统中的影响。即使是看似简单的水从海洋或湖泊蒸发的速度也取决于许多因素，例如水温与上方空气温度之间的差异、空气中已有的水蒸气量以及风速。在陆地上，计算更加复杂，涉及其他变量，例如土壤中的水分含量以及生长的植物类型。预测水蒸气一旦进入大气层会发生什么，又是另一项挑战。它会凝结成云，为风暴提供能量，并以降雨或降雪的形式落下吗？它会凝结到表面上形成露水或霜吗？它会从热带地区传播数百甚至数千英里到更高纬度地区吗？这些计算中的任何错误都会影响对未来温度变化和天气模式的预测。

增加的水蒸气值得更多关注。不幸的是，我们无法直接控制大气中水蒸气的含量。但是，我们可以通过控制主要由我们排放的二氧化碳和甲烷以及帮助吸收空气中碳的树木的清除造成的变暖来间接减少水蒸气。通过降低变暖速度，我们可以减少水蒸气的激增。如果我们成功了，我们可以减缓未来蒸汽风暴的加剧——以及它们可能造成的破坏。