倾盆大雨始于9月13日，当时的佛罗伦萨飓风中心距离北卡罗来纳州海岸仅数百公里。当大风暴席卷陆地时，官员命令超过150万人撤离，警告“威胁妇女”的损失。9月15日，佛罗伦萨终于坠毁进入美国，在那里速度变慢，甚至下了大雨。在某些地方，洪水持续四天不间断。
到了时候，佛罗伦萨已经倾泻了创纪录的雨水-包括北卡罗来纳州伊丽莎白敦镇近一米的雨水-造成了灾难性的洪灾。数十人死亡，暴风雨造成了数百亿美元的损失。即使是现在，几个月后，该地区仍在努力恢复。
佛罗伦萨如何使蓬勃发展的地区屈服的故事将变得更加熟悉。气候科学家预计，随着全球温度的升高，极端风暴中的降雨将更多。大气越热，它所能容纳的水分就越多，这意味着风暴会变得更湿。甚至在佛罗伦萨登陆之前，纽约石溪大学的一个研究小组就预测，飓风最多的降雨将比人们不给地球变暖的情况下至少多沉淀50％的降水。
极端降雨（连同洪水，山体滑坡和它们造成的其他破坏）是全球范围内最致命的天气事件。今年，印度喀拉拉邦的大雨导致470多人丧生，日本西南部的洪水使200多人丧生。在美国，洪灾，强风暴和热带气旋占11场自然灾害中的9场，今年迄今为止，其自然灾害造成的损失超过10亿美元。但是，众所周知，预测未来最恶劣的降雨将如何变化是非常困难的，因为科学家可以轻松地在计算机模型中模拟这些风暴。
现在，得益于具有高分辨率的模型，这些研究小组在了解全球极端降水的未来方面取得了进步，这些模型可以提供有关风暴如何演变的洞察力。一些最复杂的预测表明，随着地球变暖，在强降雨时，更多的降雨将落在间歇性暴风雨中，而不是那种可以维持农作物生长的温和的骤雨。其他研究表明，雷暴组织自身的方式可能会发生根本变化，从而导致更大，更强大的暴风雨，可能意味着更多的洪水。
如果温室气体排放量继续增加，所有可能使佛罗伦萨，印度灾难和其他灾难性倾盆大雨成为对未来的一瞥。科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心（NCAR）的大气科学家Angeline Pendergrass说：“未来20年将比过去20年更糟。”所有迹象表明。“如果我们继续做我们现在正在做的事情，那么到本世纪末，事情将彻底变得毫无意义。”？/ p>
更多水分
在喀拉拉邦，一切始于潮湿的六月和七月，随后的一个月又加速了。8月的前20天比平常多了164％的降雨。整个州，泥土塌陷，滑坡席卷城镇和建筑物。超过一百万人逃离家园。
在这种情况下，天气可能不是唯一的问题。一些人批评地方官员没有更好地管理地方大坝后面的积水。但是洪水最终可以追溯到夏季风期间比平常更大的暴风雨。
显然，这种风暴比以前携带的水分更多。空气中的水分随温度而变化：将空气加热1英寸，可以容纳大约7％的水。政府间气候变化专门委员会的结论是，由于人为引起的气候变化，世界许多地方已经出现了强降雨。
“只是基础物理学，”阿什维尔北卡罗来纳州立大学的大气科学家肯尼斯·昆克尔说。雨量很大的风暴受到大气中水蒸气含量的限制。随着我们增加大气中的水蒸气，我们可以增加这些极端降水事件中的降水量。
但是，有关降水的故事却要复杂得多。雷暴本质上是向上移动的风塔，通过从附近吸入温暖的空气来给自己供电。当空气升得足够高时，空气冷却并凝结成雨。风暴会产生自己的天气，例如在地面附近形成冷空气池，引发更多对流。气候变化会加剧这些影响，导致上升气流越来越强，从周围地区吸入更多的温暖空气，导致更多降雨。
显然，这发生在哈维飓风上，这是美国历史上最干旱的风暴，去年八月，飓风席卷了休斯顿和得克萨斯州南部，并造成了1,250亿美元的灾难。三项单独的研究得出的结论是，哈维最大的降雨无法简单地用大气中水蒸气的增加来解释。气候变化使它更加潮湿。
在NCAR，Pendergrass正在研究全球气候模型，以查明这对于未来的极端事件（尤其是可能发生的极端事件）可能意味着什么。她分析了气候变化如何改变大气中热量和能量的流动方式，从而改变了降水在全球的分布方式。
去年，她和她的同事在三台计算机模拟报告中表示，如果整个世纪余下的时间里气温升高，几乎所有土地上的降水都可能变得更加可变4。换句话说，天气将变得更加疯狂：在几乎所有大洲，潮湿的时期将变得更加不规律，而干旱的时期则变得更不稳定。
现在，她深入研究了降水的不均匀性，即小雨和倾盆大雨之间的差异。她和瑞士苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）的大气科学家Reto Knutti分析了1999年至2014年之间的全球降雨量记录。对于研究中所有位置的中位数，降雨仅用了12天，半年的降雨才开始下降5。她说：“被认为是极端天气的情况对总降水量起了很大作用，这比我的许多同事可能意识到的要多。”
展望气候模型，研究人员发现这种不均匀性将会增加。如果将来温室气体排放量继续迅速攀升，那么额外的降雨中的一半将发生在一年中最潮湿的六天内。
这意味着更多的洪水和随之而来的危险（见“暴雨”）。Pendergrass一直在与科罗拉多州丹佛市的水管理人员交谈，他们想知道为准备将来要处理的水坝需要多少洪水。她说其他领域也应该做好准备。她和克努蒂在上个月的《地球物理研究快报》 5中写道：“而不是假设总体上会有更多的降雨，而是社会需要在大多数时候采取措施应对几乎没有什么变化，而发生的事件却多得多。”
另一组模拟强调了社会应如何为这些在干湿之间的波动做准备。这项由大气科学家Zachary Zobel在伊利诺伊大学厄本那分校工作的领导的工作，采用了一种全球气候模型，该模型通常每100公里计算一次状况，并将其逼近至12公里的更高分辨率。佐贝尔说：“根本需要尽可能高的空间分辨率，”佐伯说，他现在在马萨诸塞州法尔茅斯的伍兹霍尔研究中心工作。该模型的分辨率为12公里，可以揭示大气中的小规模现象，这些现象对于模拟风暴非常重要。但是Zobel模型需要大量的计算能力，因此该团队只研究了美国本土，而不是整个地球。即使使用超级计算机，模型也要花费一年的大部分时间才能完成其计算6。但是最后，研究人员详细研究了如果温室气体排放量持续保持高位直至2094年，那么在极端温度和极端降水条件下，该国不同地区将受到怎样的影响。
繁荣或萧条
科学家们发现，全国大部分地区的极端降水事件都会增加。他们还发现了未来模式的一些较大变化，例如控制美国中部大部分地区天气的西向东急流的位置。
之所以会发生这种变化，是因为北极地区目前的变暖速度比中纬度要快，因此两个地区之间的温差较小。作为响应，喷射流在模拟中向北移动，将来自墨西哥湾的湿热空气带到后面。结果是，中西部各州都种植了大部分玉米和小麦，这些州可能会在播种季节的每个春季出现更严重的暴风雨。同时，该模型表明，干旱时期将更长。
佐贝尔说：“这实际上归结为繁荣或萧条型的降水模式。”“这将使农民如何处理农作物变得更加复杂。”这项工作于上个月发表在《地球未来》 6中。
对于安德烈亚斯·普莱因（Andreas Prein）来说，未来在2002年落幕，当时中欧的夏季降雨充沛。Prein在奥地利军队中服役，他的部队被派去帮助奥地利北部的洪水泛滥地区，那里的小溪变成了洪流，损失达到钪？十亿美元（34亿美元）。Prein说：“看到如此之少的溪流能毁灭性的改变，真是令人震惊。”“几乎令人难以置信。”？/ p>
如今，Prein是NCAR的一名大气科学家，并且是新型高分辨率气候模拟的领导者。这项研究旨在以比Zobel更高的分辨率模拟未来的气候。它的计算范围缩小到4公里或更小，这在计算上非常昂贵，以致只能在相对较小的区域进行。
四公里之所以至关重要，是因为它是单个风暴通过对流演变并变得更强的尺度。该领域称为允许对流的气候模拟，它使研究人员可以更实际地模拟风暴。计算结果与天气预报员预测第二天或第二天暴风雨的方式相似。Prein说：“我们想模拟几十到几个世纪。”“基本上是复制天气预报的内容，但要复制更长的时间。” / p>
在正在进行的工作中，英国的研究人员一直在以2.2公里的分辨率进行欧洲范围的气候模拟，并发现了一些有关未来风暴的警告信号。英国埃克塞特气象局办公室的气候科学家伊丽莎白·肯登说：“在欧洲大部分地区，我们到达极端的季节主要是夏季。”在模拟世界变暖的过程中，夏季倾盆大雨加剧，极端事件发生在今年晚些时候。这表明官员们可能需要做更多的事情来为冬季暴风雨做好准备。
飓风是另一个主要问题。加州劳伦斯伯克利国家实验室的克里斯蒂娜·帕特里科拉（Christina Patricola）和迈克尔·韦纳（Michael Wehner）已使用对流允许模型研究了2005年卡特里娜飓风，2017年艾尔玛和玛丽亚飓风的毁灭性飓风。他们发现，气候变化使这些暴风雨中的降雨增加了多达9％，而且未来的变暖几乎肯定意味着来自类似飓风7的极端降雨。
由NCAR进行的迄今为止最大的对流允许模拟之一，以4公里的分辨率覆盖了美国大陆8。它实际上是一对模拟，一个回头，另一个向前看。第一个模拟了2000年10月至2013年9月之间的全球气候，以测试该模型能否准确再现当年的情况。Prein说：“开始就像开始天气预报一样，然后我们才停了13年。”
第二次模拟考察了本世纪末的类似时期，其中纳入了如果社会继续以高速率产生温室气体所预期的因素。
通过比较两者，科学家可以弄清楚增加温室气体水平的可能影响。而且由于模拟具有如此高的分辨率，因此它们可以捕获未来单个风暴的形成和演化方式。
在这些模型的许多发现中，到本世纪末，美国的强雷暴的频率将增加三倍以上，其最大降雨量将增加15'0％9。暴风雨还将扩大，几乎使暴雨造成的面积翻倍。这对洪水风险具有重大影响。Prein说：“如果您想到一场大雷雨在整个城市范围内移动，那么如果风暴覆盖了整个城市集水区的一半或全部，那将有很大的不同。”
他和他的NCAR同事现在正在开发第二组仿真，他们希望在接下来的几个月中开始运行。它将把模拟向北扩展到加拿大，目的是研究经常穿越美国中西部的强雷暴雨将来是否会进入加拿大。这项工作还将涵盖20年而不是13年的时间，科学家希望这将使他们能够捕捉到不断变化的天气模式的更长趋势。
不管发生什么，几乎都将很难错过。在一个阳光普照的早晨，Pendergrass坐在她位于NCAR的办公室里，拿起一张图，显示计算机模拟未来可能会潜伏什么样的极端降水。她说：“到目前为止，我们看到的东西比即将发生的小得多。”“发现那种恐怖。”
自然563，458-460（2018）
