蒸汽風暴正威脅人類和財產

2021年夏季是全球變暖世界中破壞性天氣樣貌的一個鮮明例子。7月中旬，德國西部和比利時的風暴在兩天內降雨量高達8英寸。洪水撕裂建築物，並將它們衝過村莊街道。一週後，中國河南省在短短三天內降雨量超過兩年總降雨量——超過兩英尺。數十萬人逃離了決堤的河流。在省會城市鄭州，通勤者釋出的影片顯示，乘客被困在被洪水淹沒的地鐵車廂內，吃力地將頭伸向天花板，以觸及快速上漲的水面上最後一點空氣。8月中旬，急劇彎曲的急流給田納西州帶來了傾盆大雨，在短短24小時內降雨量驚人地達到17英寸；災難性洪水至少造成20人死亡。這些風暴系統都不是颶風或熱帶低氣壓。

然而很快，颶風艾達在墨西哥灣盤旋，成為當年北大西洋繁忙季節中的第九個命名熱帶風暴。8月28日，它是一個1級風暴，持續風速為每小時85英里。不到24小時後，艾達升級為4級，其增強速度幾乎是美國國家颶風中心用於定義快速增強風暴速度的兩倍。它以每小時150英里的風速襲擊路易斯安那州海岸，導致超過一百萬人斷電，超過60萬人斷水數日。艾達的狂暴持續到東北部，在那裡它在紐約市一小時內降下了破紀錄的3.15英寸雨量。這場風暴至少造成80人死亡，並摧毀了美國東部的大片社群。

所有這些破壞性事件的共同點是水蒸氣——大量的水蒸氣。水蒸氣——H₂O的氣態形式——在加劇破壞性風暴和加速氣候變化中發揮著超出比例的作用。隨著海洋和大氣變暖，更多的水蒸發到空氣中。反過來，溫暖的空氣可以容納更多的水蒸氣，然後凝結成雲滴，從而產生洪水。自1990年代中期以來，大氣中的水蒸氣含量在全球範圍內增加了約4％。這聽起來可能不多，但對於氣候系統來說意義重大。一個更加“溼潤”的大氣層為各種風暴提供了額外的能量和水分，包括夏季雷暴、美國東海岸沿線的東北風暴、颶風甚至暴風雪。額外的水蒸氣也有助於像艾達這樣的熱帶風暴更快地增強，從而為安全官員警告處於危險中的人們留下了非常少的時間。

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科學家們長期以來一直預測，氣候變化將產生更多空氣中的水蒸氣，從而加劇可能被稱為“蒸汽風暴”的現象，這些風暴釋放的雨雪量超過了幾十年前的風暴。測量結果證實，強降水事件在美國和全球範圍內變得更加強烈和頻繁。自1980年代後期以來，美國約三分之一的洪水造成的財產損失——730億美元——歸因於強降水的增加。

例如，在2017年8月，颶風哈維在休斯頓某些社群的五天逗留期間傾瀉了令人難以置信的五英尺降雨，甚至讓經驗豐富的氣象學家也感到震驚。有時，雨帶每小時降下驚人的六英寸降水。一項分析得出結論，氣候變化，特別是來自異常溫暖的墨西哥灣的潮溼空氣為哈維提供了能量，使得這場破紀錄的降雨發生的可能性增加了三倍，強度增加了15％。

與大多數其他大氣氣體不同，水蒸氣在全球範圍內分佈不均。在跨越赤道的溼熱熱帶地區，水蒸氣非常豐富。從那裡，沿著風暴路徑，長長的水分觸角可以延伸到較冷、較乾燥的兩極，使中高緯度地區沐浴在強烈、持續的降水中。這些熱量和水分的河流有助於平衡地球的大氣能量分佈——它們正在沿著路徑產生強大的蒸汽風暴。

能量泵

當我們在烈日下出汗或在廚房爐子上燒水時，我們將液態水轉化為水蒸氣。必要的成分是熱量。同樣，氣候系統中的熱量導致潮溼土壤、植物、海洋、湖泊和河流中的水蒸發到空氣中。水蒸氣攜帶一種稱為潛熱的能量形式。如果水蒸氣隨後凝結回液體——形成雲或草坪上的露水——熱量就會釋放到大氣中。由此產生的暖空氣泡比周圍的空氣輕，因此它會上升。由於較高海拔的溫度通常較低，氣泡可以繼續上升和增長，同時將更多的水蒸氣凝結成雲滴並釋放更多的潛熱。如果您乘坐飛機穿過一朵巨大的菜花狀雲，您就會感受到這些上升氣流產生的湍流。

潛熱是為颶風、雷暴和正常惡劣天氣提供能量的主要燃料。潛熱中包含的能量是巨大的；在典型的颶風中，一天釋放的熱能超過全球每日電力總產量能量的200倍。颶風大約每20分鐘可以釋放一顆10兆噸核彈的爆炸力。

大氣水蒸氣增加最令人擔憂的後果可能是它在熱帶風暴快速增強中的作用。氣象學家表示，當最大風速在24小時內至少增加30節（每小時35英里）或風暴中心大氣壓在24小時內至少下降42毫巴時，風暴就會快速增強。在過去的40年中，任何一年風暴都會快速增強的可能性增加了五倍。僅在2020年，就有10個大西洋颶風這樣做了：漢娜、勞拉、薩利、泰迪、伽瑪、德爾塔、厄普西隆、澤塔、埃塔和約塔。在2021年，截至9月中旬形成的六個大西洋颶風中有五個經歷了快速增強，包括艾達和尼古拉斯。最近的研究與物理常識相符：隨著海洋變暖，蒸發更多的水並將更多的潛熱傳遞到大氣中，快速增強變得越來越有可能。海洋吸收了我們人類排放的額外溫室氣體所捕獲熱量的約90％。這些熱量提高了地表和更深處的水溫；溫暖的海水就像一個強大的電池，風暴可以從中汲取能量。

然而，水蒸氣增加並不是氣候變化對熱帶風暴的唯一影響。風切變（靠近地面的風和高空風之間的速度或方向差異）的減少也有利於風暴發展，因為上升氣流柱不太可能被撕裂。目前正在研究的其他變數包括空氣中灰塵和汙染顆粒物含量的變化，以及較低和較高海拔大氣變暖的差異，這些差異會影響暖空氣泡上升的速度。

二十多年來，熱帶北大西洋大部分地區一直異常溫暖，造成過度蒸發，為強颶風提供了能量。非熱帶風暴也在吞噬大氣中額外的水蒸氣和能量，導致更多的強降水事件，甚至可能更強的降雪。

致命的熱浪

水蒸氣增加帶來的威脅不僅限於風暴。它也使夏季夜晚變得難以忍受的悶熱——更頻繁地發生在更多地方。

自1990年代中期以來，全球陸地地區的夏季夜間最低氣溫上升速度快於白天最高氣溫。這是因為水蒸氣是一種溫室氣體，更多的水蒸氣意味著更多的變暖：通常在夜間逸散到太空的熱量被困住，阻止地球表面冷卻。與二氧化碳不同，無論二氧化碳在哪裡排放，它都會在全球範圍內擴散，而水蒸氣往往會停留在當地。

更多的水蒸氣也使炎熱的夜晚變得危險。較高的夜間溼度會阻止您的汗液蒸發——人體自然的冷卻系統——讓您過熱並干擾睡眠。衡量這種不適的一種指標是熱指數，它結合了溫度和溼度的影響，以表示人體真正感受到的壓力。高於約100華氏度（38攝氏度）的指數被認為是危險的；長時間暴露可能致命，尤其是對於老年人和嬰兒。熱應激也會影響牲畜和寵物，野外動物也在適應，如果可以的話，會向更高緯度或更高海拔地區移動。如果沒有夜間降溫期，熱量也會在土壤中積聚，殺死一些植物和昆蟲，同時讓其他喜溫物種蓬勃發展。根據32個衛生組織於8月釋出的“關於氣候變化與健康2021年的宣告”，夜間高溫也會增加接觸昆蟲傳播疾病的風險，威脅人類、動物和農作物。

夜間高溫帶來的危險不僅在已經炎熱的熱帶國家日益增長，而且在赤道以北和以南的國家也在增長。美國墨西哥灣沿岸的城市已經多次超過不安全閾值。自1970年以來，休斯頓的氣溫升高了3.5華氏度（2攝氏度）以上，這歸因於該市靠近墨西哥灣及其不斷擴張的發展，這加劇了城市熱島效應。2020年7月，休斯頓的熱指數超過了110華氏度（43攝氏度），遠遠超出了令人難受的程度。

如果溫室氣體繼續在大氣中積累，這種情況很快將在許多南部和中緯度城市（如亞特蘭大和華盛頓特區）變得司空見慣。在2000年之前，美國首都平均每五年才經歷一個最低氣溫高於80華氏度（27攝氏度）的夜晚。自2000年以來，這些夜晚每年發生約兩次——在短短20年中增加了10倍。

然而，熱帶地區的某些國家將遭受，並且已經在遭受最大的痛苦。2015年5月，一場嚴重的“熱浪”，或許更應稱為“蒸汽浪”，襲擊了印度和巴基斯坦。白天熱指數連續幾天超過114.8華氏度（46攝氏度），高溼度阻止了夜間降溫；超過3500人死於這種令人窒息的環境。全球變暖再增加半度，受極端高溫威脅的人數將增加一倍，達到全球約5億人。

全球變暖放大器

如果強烈的風暴和悶熱的夜晚還不夠令人擔憂，那麼水蒸氣也在使全球變暖變得更糟。儘管二氧化碳受到了最多的關注，但水蒸氣是大氣中最重要的溫室氣體。它吸收地球表面向上輻射的紅外能量遠多於其他溫室氣體，從而捕獲更多的熱量。為了說明這一點，大氣中二氧化碳濃度本身的增加一倍將使全球升溫約1攝氏度。但是反饋迴圈——惡性迴圈——使溫度上升兩倍。同樣，儘管海冰消失等反饋得到了很多關注，但水蒸氣反饋迴圈——變暖導致蒸發，從而捕獲熱量，產生更大的變暖——是氣候系統中最強烈的反饋迴圈。

或許與直覺相反，水蒸氣反饋在水蒸氣最豐富的地區最弱。在潮溼地區，水蒸氣吸收的紅外能量已經接近其物理極限，因此新增少量額外的水分影響甚微。然而，在乾燥的地方，例如極地地區和沙漠，吸收的紅外能量遠低於其潛在最大值，因此任何新增的水蒸氣都會捕獲更多的熱量並增加低層大氣的溫度。

北極熱浪的數量和持續時間的增加是來自較低緯度的溫暖潮溼空氣脈衝更加頻繁和持久的明顯症狀——那些從熱帶地區向北延伸的觸角。例如，在2021年1月，北冰洋大片地區的溫度比正常水平高出36華氏度（20攝氏度）。北極熱浪的增加，尤其是在冬季，正在減緩海冰的年度凍結，並導致冰蓋的消亡。

增加的水蒸氣的捕熱效應或許可以透過雲層形成的增加來抵消。雲層反射太陽光線（導致冷卻效應），但也捕獲熱量。在海洋上，冷卻效應往往占主導地位，但在高緯度地區，變暖影響佔上風。最近的研究表明，平均而言，在全球範圍內，加熱效應更大，從而建立了又一個涉及水蒸氣的惡性迴圈。

更好的預測

隨著人類活動繼續產生更多的捕熱氣體，海洋和大氣將繼續變暖，更多的水將蒸發，導致更頻繁的蒸汽風暴和令人衰弱的蒸汽浪。最強級別的颶風將更頻繁地發生，快速增強的風暴也將如此。預測這些快速增強的風暴將對預報員構成挑戰。當風暴像颶風艾達那樣靠近陸地時才增強時，官員們將沒有多少時間發出警報，人們將只有幾個小時的時間撤離。

預測這些超強風暴的主要障礙是缺乏海面以下溫度的測量資料。深層溫暖的海水比淺層海水包含更多的風暴燃料，但衛星只能測量海面溫度。研究人員正在嘗試設計方法來確定上層數百英尺海水中包含多少能量，因為這才是風暴真正依賴的能量來源。他們正在開發自主海洋滑翔機，這些滑翔機在不同深度的上層海洋中漫遊，同時取樣溫度和鹽度。他們還與衛星資料合作，這些衛星資料可以檢測海面高度的變化：與相鄰區域相比，深層溫暖的海水會膨脹，在海面上形成一個可以從太空看到的隆起。

衛星資料非常有價值，但我們還需要遍佈海洋的儀器來測量溫度、水蒸氣和風。我們將繼續依靠“颶風獵人”飛機飛入風暴，並在風暴內部和周圍投放儀器。研究人員將來自這些飛行的資料輸入計算機模型，這些模型可以提供有關大氣狀態和風暴強度的詳細資訊。更好的資料覆蓋率、更快的計算機以及對風暴形成過程的更深入瞭解正在幫助改進預測。

水蒸氣來自無數來源，並影響許多大氣過程。科學家們並不完全瞭解某些相互作用，計算機模型仍然難以完全預測水蒸氣在不斷變化的氣候系統中的影響。即使是看似簡單的水從海洋或湖泊蒸發的速度也取決於許多因素，例如水溫與上方空氣溫度之間的差異、空氣中已有的水蒸氣量以及風速。在陸地上，計算更加複雜，涉及其他變數，例如土壤中的水分含量以及生長的植物型別。預測水蒸氣一旦進入大氣層會發生什麼，又是另一項挑戰。它會凝結成雲，為風暴提供能量，並以降雨或降雪的形式落下嗎？它會凝結到表面上形成露水或霜嗎？它會從熱帶地區傳播數百甚至數千英里到更高緯度地區嗎？這些計算中的任何錯誤都會影響對未來溫度變化和天氣模式的預測。

增加的水蒸氣值得更多關注。不幸的是，我們無法直接控制大氣中水蒸氣的含量。但是，我們可以透過控制主要由我們排放的二氧化碳和甲烷以及幫助吸收空氣中碳的樹木的清除造成的變暖來間接減少水蒸氣。透過降低變暖速度，我們可以減少水蒸氣的激增。如果我們成功了，我們可以減緩未來蒸汽風暴的加劇——以及它們可能造成的破壞。