乾旱和洪水可能在 2050 年前趨於平穩，但之後要小心  

請考慮以下夏季極端情況：2003 年，歐洲歷史上最嚴重的熱浪導致 30,000 多名公民喪生。2010 年，俄羅斯的野火和巴基斯坦的洪水造成了前所未有的破壞和死亡。2011 年美國的熱浪和乾旱導致俄克拉荷馬州的牧場主損失了四分之一的牛。2016 年艾伯塔省的野火構成了加拿大歷史上損失最慘重的災難。而 2018 年美國的夏季臭名昭著：整個沙漠西南地區連續多日氣溫飆升至 100 華氏度以上，大西洋中部各州遭受暴雨和洪水侵襲，加利福尼亞州經歷了令人震驚的野火季。極端熱浪、洪水和野火也在歐洲和亞洲肆虐。

最具破壞性的夏季天氣發生在近幾十年，這難道是巧合嗎？我和我的同事們不這麼認為。所有這些事件都有一個共同的顯著特徵：急流中非常不尋常的模式。急流是一條狹窄的強風帶，從西向東環繞北半球吹動，通常沿著美國-加拿大邊境，並繼續穿過大西洋、歐洲和亞洲。這條風帶有時相當筆直，但有時也會呈現出很大的彎曲——形狀像一個側臥的 S 形。它通常從太平洋向北彎曲進入加拿大西部，然後向南轉到美國中西部，然後再次向上朝向新斯科舍省。這種形狀通常在幾天內從西向東穿過美國，將暖空氣帶到北方或將冷空氣帶到南方，並形成雨雪區域，尤其是在彎曲處附近。急流控制著我們的日常天氣。

在我提到的極端事件期間，急流的表現很奇怪。彎曲異常地向北和向南延伸，並且停滯不前——它們沒有向東推進。這些彎曲越大，天氣在北部峰值和南部低谷附近就越惡劣。當它們停滯不前時——就像 2018 年夏天在美國上空那樣——這些地區可能會日復一日地遭受暴雨，或者日復一日地被太陽炙烤。創紀錄的洪水、乾旱、熱浪和野火隨之發生。

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我的合作者和我最近表明，由於全球變暖，這些高度彎曲、停滯的波浪模式變得更加普遍，從而加劇了極端天氣。但我們預測，未來幾十年，這種日益嚴重的趨勢可能會趨於平穩。這聽起來可能有點奇怪的“好”——壞天氣將繼續，但至少不會變得更糟。我們還預測，極端事件將開始變得更加嚴重，大約從 2050 年左右開始——尤其是在夏季。對人們健康和安全的威脅將增加，風暴破壞將變得更加廣泛，且供養不斷增長的人口所需的農作物將被毀壞。

我們是如何知道的？波動數學和量子力學告訴我們。是的——表徵最小尺度電子行為的數學，可以幫助我們描述全球尺度大氣層的行為。它們表明，危險天氣的上升、即將到來的平臺期和隨後的激增是由化石燃料燃燒產生的溫室氣體濃度與工業煙囪排放的硫汙染之間一種奇特的權衡所驅動的。而這種權衡引發了一個問題，即削減排放是否能阻止急流造成破壞。

羅斯貝帶來壞天氣

急流形成於全球副熱帶地區的暖地表空氣向北移動並與極地地區的冷地表空氣相遇的地方——大致在美國與加拿大交界處。急流在約 35,000 英尺的高空吹動，沿著對流層（大氣層的最低層，天氣發生的地方）和平流層（大氣層的下一層，客機飛行的地方）之間的邊界。

副熱帶和極地空氣相遇時溫差越大，急流風就越強。夏季的溫差小於冬季，因此急流較弱。當急流減弱時，它更有可能呈現出寬闊的南北彎曲。

但為什麼會形成彎曲呢？急流受到一系列大氣波的影響，這些大氣波是地球在流體（在本例中為空氣）中旋轉時自然產生的。它們是羅斯貝波，以瑞典裔美國氣象學家卡爾-古斯塔夫·羅斯貝的名字命名，他於 20 世紀 30 年代首次解釋了大規模大氣運動的物理原理。它們也發生在整個海洋中。

大氣中的羅斯貝波延伸數百英里，並在北半球從西向東移動。當夏季氣團之間的溫差減小時，羅斯貝波往往會彎曲得更厲害，並且在北美上空從西向東移動得更慢。急流遵循這些波浪的形狀和路徑。

其他波浪也在大氣和海洋中傳播。例如，重力波是由重力向下拉大氣層和浮力向上推大氣層之間的暫時擾動引起的，例如氣流經過山脈。開爾文波發生在太平洋赤道兩側的狹窄走廊中。它們在那裡有規律地從西向東傳播，週期性地使地表水變暖和變冷，這是厄爾尼諾/南方濤動氣候現象的關鍵要素。

急流中的彎曲會產生區域性地表天氣系統，這些系統隨著彎曲向東推進而向東移動。我們在天氣圖上看到它們，它們是大的 H 和 L——高壓和低壓系統。位於北部彎曲或山脊內的高壓系統順時針旋轉，夏季帶來乾燥炎熱的天氣。位於南部彎曲或低谷內的低壓系統逆時針旋轉，導致潮溼涼爽的天氣。如果急流足夠弱，它所追蹤的 S 形羅斯貝波可能會停滯不前，而不會向東推進——“駐波”模式。高壓和低壓天氣系統在原地旋轉，持續烘烤下方的大地，或用無情的暴雨和洪水襲擊它——這就是颶風哈維襲擊德克薩斯州和颶風弗洛倫斯襲擊美國中東部地區時發生的情況。

共振使情況變得更糟

當羅斯貝波的彎曲，以及急流的彎曲被大大放大時，往往會發生真正的極端天氣。山脊越高，低谷越低，高壓和低壓系統就越深。在這種駐波模式中，高壓系統停滯（有時稱為阻塞模式）。這正是導致 2018 年 7 月美國西南部熱浪和大西洋中部同時發生洪水的原因。另一個經典的例子是 2010 年 7 月俄羅斯上空的山脊，它與創紀錄的高溫、乾燥和野火有關，以及其下游巴基斯坦上空的深低谷，它與創紀錄的洪水有關。

常規羅斯貝波可以達到的振幅受到它們在向北和向南彎曲以及向東推進時向外輻射能量的限制。然而，在某些條件下，大氣層可以充當一種波導。想象一下穿過加拿大中部的一條東西線和穿過美國南部的一條東西線。彎曲的羅斯貝波保持在這些“牆壁”內，幾乎沒有能量損失。這種約束鎖定了彎曲的急流和強高壓和低壓系統。

從有線電視公司到電視機的同軸電纜就是波導的一個例子。將電視訊號從有線電視公司傳輸到您的電磁波大部分被限制在電纜的圓柱壁內，幾乎沒有訊號能量損失。感謝波導物理學，您才能欣賞到清晰的影像。

當波浪像駐波一樣卡在原地時，在某些情況下，彎曲的振幅會很容易增大——這在物理學中被稱為共振。當這種情況發生在羅斯貝波上時，在夏季更為常見，它被稱為準共振放大作用，或 QRA。幾年前，弗拉基米爾·佩圖霍夫和他在德國波茨坦氣候影響研究所的合作者表明，支援 QRA 的條件取決於急流的形狀。事實證明，氣候變化會影響急流的形狀，從而影響 QRA 和夏季極端天氣事件的頻率。

為了理解這種匯合是如何發生的，我們需要參考 20 世紀初開發的用於解決量子力學中某些問題的相同數學。這種聯絡讓我特別滿意。在轉向大氣科學之前，我開始了我的理論物理學生涯，因此令人欣慰的是，我保留的那些幾十年前的量子力學教科書在我的工作中仍然有用。

量子聯絡

理解大氣波的行為在數學上與電子的行為是相似的，這將有助於揭示乾旱和洪水日益嚴重的關​​鍵原因。

在經典物理學中，當電子被高勢能包圍時，它會被捕獲。想象一下從側面看一個盒子，牆壁無限高。電子無法穿過牆壁，因為牆壁具有無法克服的無限高能量。電子在一條直線上左右來回彈跳。

在量子力學圖中，情況有所不同。電子不再具有確定的位置。相反，找到電子的機率由著名的薛定諤方程（一個波動方程）決定。電子的運動——或者更準確地說，電子最有可能被找到的機率——由正弦曲線描述：一個側臥的 S 形。聽起來耳熟嗎？電子部分像粒子一樣運動，部分像波一樣運動。

當勢能“牆壁”的高度不是無限高而是有限高時，就會發生一些有趣的事情。在那種情況下，電子實際上有很小的機率穿透牆壁，如果牆壁足夠薄，它可以完全穿過牆壁。這就像你用網球擊打混凝土牆，網球“隧道”穿過牆壁並從另一側出來一樣。相同的機率適用於對面的牆壁。電子主要被限制在盒子裡，但在邊界處只有一點“洩漏”。歡迎來到奇特的量子力學世界。

透過這個有限的盒子看，就像向下看稍微洩漏的三維波導內部——就像同軸電纜一樣。允許我們求解描述這些物體的方程的數學精髓是在 1926 年提出的，稱為 WKB 近似，以提出它的三位科學家命名：格雷戈爾·文策爾、亨德里克·克雷默斯和萊昂·布里淵。WKB 近似在量子力學中用於許多波動方程，並用於輔助設計智慧手機中的隧道二極體等產品。

在 20 世紀 80 年代初期，現在在澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的戴維·卡羅利和英國雷丁大學的布賴恩·霍斯金斯證明，對於具有某些短波長（大約相當於美國大陸的寬度，或環繞北半球的六到八個完整波長）的停滯或駐波羅斯貝波，大氣層可以表現得像波導一樣。

駐波羅斯貝波被困在波導內，只有極少的能量透過北部和南部邊界洩漏——就像電子一樣。在這種情況下，由於 QRA，波浪的振幅會增大。現在巨大的駐波卡在原地，在山脊和低谷內產生持續數天的極端天氣系統。WKB 近似導致量子力學中波導問題的解決方案，也有助於解決羅斯貝波導問題。

不斷變化的波浪氣候

有了這種理解，我們現在可以看到氣候變化是如何影響駐波的，而駐波又給我們帶來了持續的極端天氣。幾年前，佩圖霍夫和他在波茨坦的合作者在卡羅利和霍斯金斯的工作基礎上，表明駐波羅斯貝波的波導條件主要出現在夏季。通常在夏季，急流不是單一的、強勁的自西向東的風。它在兩條通道之間交替，一條通道位於美國-加拿大邊境沿線的典型位置以北，另一條通道位於以南。

佩圖霍夫的研究小組使用 WKB 近似表明，正是在這些“雙峰”急流條件下，大氣層可以充當短波長羅斯貝波的波導。這些波浪的振幅通常很小：彎曲不會向北或向南延伸太遠。但是，如果當自西向東移動的氣團撞擊落基山脈或阿爾卑斯山脈，或者當它遇到陸地和海洋邊界處強烈的地表溫差時，產生初始彎曲，羅斯貝波可以透過 QRA 機制很容易地產生更大的彎曲。

QRA 條件是否有利因年份而異。它們在很大程度上取決於低層大氣中溫度變化的南北模式——氣候模型可以很好地解決這個問題。2017 年，我和我的同事們表明，近幾十年來，更有利於 QRA 的條件呈上升趨勢。氣候模擬表明，這種趨勢是由溫室氣體濃度隨時間推移的增加驅動的。太陽輸出波動和火山爆發等自然因素，以及特別是大氣二氧化硫汙染等人為因素也發揮了作用。這些模擬稱為 CMIP5，是全球 50 多個研究小組為政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 的最新報告所做的建模結果。

氣象站記錄的溫度資料和模型顯示，氣候變化導致北極地區的升溫速度快於北半球其他地區，這種情況被稱為北極放大效應。中緯度和極地緯度之間溫差的減小導致整體急流速度減慢，這有利於更持久的天氣模式，並與雙峰急流和 QRA 相關。

這種不斷上升的趨勢有助於解釋過去二十年來在北半球各地看到的持續時間長的極端夏季天氣事件的激增。科學家們最近表明，QRA 條件與 2003 年歐洲熱浪、2010 年俄羅斯野火和相關的巴基斯坦洪水、2011 年席捲俄克拉荷馬州和美國其他地區的乾旱以及 2015 年加利福尼亞州野火和 2016 年艾伯塔省野火有關。現在我們可以將 2018 年前所未有的加利福尼亞州野火新增到該列表中。人為造成的氣候變化使過去幾十年中這些極端天氣事件發生的可能性增加了約 50%。

停滯

聽起來極端天氣應該只會變得越來越糟。一些基本因素表明情況確實如此。例如，較溫暖的大氣層可以容納更多的水分，從而導致更多的強降雨和洪水。而地球變暖意味著更頻繁、更持久和更強烈​​的熱浪。但駐波急流和 QRA 呢？

正如偉大的物理學家尼爾斯·玻爾以及後來的棒球傳奇人物約吉·貝拉所說，預測很難——“尤其是關於未來”。在我與同事於 2018 年 10 月在《科學進展》雜誌上發表的一篇論文中，我們分析了 QRA 事件如何可能因預測的未來氣候變化而發生變化。我們確實預計上升趨勢將持續不減，但這並不是我們發現的。

IPCC 和 CMIP5 實驗評估了不同情景下的未來條件，從深度、立即削減二氧化碳排放到只是繼續排放越來越多的 CO₂ 的世界，沿著它一直在走的軌跡。在所謂的照常營業情景下，我們發現有利於 QRA 條件的趨勢在 2050 年左右之前趨於平緩。然後在本世紀下半葉加速。

我們發現，其原因涉及另一個重要但有時被忽視的人為氣候變化驅動因素：大氣汙染物，如二氧化硫，它是煤炭燃燒和其他工業活動產生的。這些汙染物形成稱為氣溶膠的顆粒，它們漂浮在大氣層中並將陽光反射回太空，從而冷卻下方的地球。

從 20 世紀 50 年代到 70 年代，氣溶膠汙染是美國東北部酸雨的原因。清潔空氣法案要求工業廠房在煙囪中安裝“洗滌器”，以去除排放物中的二氧化硫。這有助於拯救森林、湖泊和河流，但它也使大氣中反射陽光和抵消 CO₂ 升高造成的變暖的氣溶膠減少，這是自 20 世紀 70 年代以來全球變暖加速的原因之一。

世界其他大部分地區——最重要的是中國，它佔目前煤炭燃燒總量的近一半——仍然採用舊式的工業做法。IPCC 照常營業情景假設中國等國家將繼續燃燒煤炭，導致 CO₂ 排放量增加，到 21 世紀末將超過工業化前水平的三倍多。然而，該情景還假設，這些行業將在未來幾十年內安裝洗滌器。

這將導致從現在到本世紀中葉氣溶膠的急劇減少——以及更多的變暖。這種影響在夏季的中緯度地區尤其大，因為那裡的陽光最充足；大部分陽光將不再被反射。在一些模型模擬中，由此產生的中緯度夏季變暖是如此之大，以至於超過了北極變暖。北極放大效應減弱甚至停止。這將意味著 QRA 沒有增加甚至減少——並且沒有進一步惡化導致極端夏季天氣上升的急流模式。

掌握在我們手中的命運

這樣的未來似乎是一筆劃算的買賣。但實際上這是一場浮士德式的交易。短期緩解效應以巨大的長期代價為代價。到本世紀中葉，氣溶膠大部分消失了，因此從那時起，不斷上升的溫室氣體繼續推動所有氣溫上升。極地地區再次上升得更快。北極放大效應恢復，QRA 事件——停滯、強烈、炎熱、乾燥和潮溼的天氣模式——再次開始增加。到本世紀末，它們相對於現在將增加約 50%。這種變化在夏季的中緯度地區將最為突出，這尤其令人不安，因為那裡是大多數人居住的地方，也是大量農作物生長的地方——其中許多農作物在高熱下無法很好地生長。

有出路嗎？如果世界現在採取行動，迅速擺脫照常營業的困境，並大幅降低碳排放，我們就可以避免災難性的地球升溫兩攝氏度（3.6 華氏度），並且我們很可能會避免 QRA 事件的任何額外增加。最安全（且最具成本效益）的前進道路是立即減少化石燃料燃燒和其他人為提高溫室氣體濃度的活動。

值得注意的是，世界必須在不確定的情況下做出決定。一些模擬表明 QRA 事件的增幅更大（超過三倍），而另一些模擬實際上顯示出下降。這種差異在很大程度上源於氣候模型處理氣溶膠的不同方式。預測會趨於一致嗎？我們尚不清楚。可以說，鑑於這種不確定性以及最壞情況發生時巨大的潛在風險，最明智的前進道路是大幅減少排放。

當然，減少不確定性將很有用。在某種程度上，這樣做取決於物理學的磨練。在這種情況下，它是氣溶膠及其散射陽光的物理學——來自太陽的電磁波。再次，這需要理解波浪行為的物理學。我們又回到了原點。