一个公式推出的气候灾害影响？丨大气悟理_风闻

编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

也许有人因为中学时期的地理科目以为大气科学属于文科范畴，事实上在气象学中实打实塞满了令人头秃的物理定律和数学公式。虽然失去了文艺气息，但用数字和运算符号就能探究万物运行的规律，也算属于理科的趣味和浪漫了吧。今天的故事，就要从一个方程开始讲起。

一个重要的方程

水是生命的起源，它以三种形态出现在地球的各个角落，从分子运动角度来看，水的相态变化就是水的各相之间分子交换的过程。在水面和大气的交界处，当水分子获得的动能超过周围水分子对它的吸引时就可以跑出水面，成为水汽分子进入大气中；同时大气中的水汽分子可能受到水面分子的吸引重新进入水中。

当温度越高，水分子获得的动能就会增加，可以挣脱周围水分子束缚跑出水面的水分子也就更多。如果大气中水汽浓度低，同样时间内从水面跑出来的水分子比落回水中的水汽分子多。这时一部分液态水变成气态水，这就是蒸发过程。

图1 蒸发和凝结示意（图片来自网络）

蒸发使得大气中水汽浓度增大，水汽分子间碰撞，落到水面中的机会也逐渐增加。在持续一段时间后，单位时间内跑出水面的水分子和落回水面的水汽分子刚好相等，大气和水面的水汽分子和水分子含量不再发生变化，达到平衡状态。大气就像“喝饱了”一样，无法容纳更多的水汽分子进入（在水面仍然有水分子和水汽分子跑进跑出的交换过程，只不过进出水面的分子数相等，因此也叫动态平衡过程）。此时大气中的水汽含量称为饱和水汽，大气中饱和水汽只受到温度的影响。我们看到的云、雾、露珠都是因为空气温度降低、饱和水汽压减小，多余的水汽凝结出来成为小水滴或者小冰晶。

图2 云的形成示意（图片来自网络）

水的气相和液相变化需要温度加持，1834年法国化学家埃米勒·克拉伯隆分析了包含气液平衡的热源热量交换后得出了一个方程，1850年德国数学家鲁道夫·克劳修斯为此方程作了严格的热力学推导。因此该方程以二人名字命名为克劳修斯-克拉佩龙方程，也称为CC方程。这个方程可以描述纯物质在相变平衡时气压随温度的变化率，虽然它符号字母并不多，看起来平平无奇甚至很简单，但它是热力学中重要的公式之一，相信很多同学都有过被它支配的恐惧吧。

一个让人忧心的发现

江河湖海的蒸发是全球降水的水汽来源，那么当全球变暖后蒸发过程会发生哪些变化，又进一步怎样影响降水呢？根据饱和水汽压的CC方程，温度每升高1K，在大气对流层的饱和水汽压就会提高约7%。而当CO2浓度加倍时，对流层低层温度的响应大约为3K，这意味饱和水汽将增加20%。水汽增幅如此可观，似乎全球变暖后我们真的要经常与“下雨下雪下冰雹”见面了呢。

（图片来自网络）

但是根据研究结果，全球变暖与降水变化的关系为温度增加1K时降水仅增加2%，远远小于CC方程推断出的水汽含量变化。如果将降水看作简单的水汽含量与垂直对流运动两个过程的叠加，只有当变暖时垂直对流运动减弱才能使得水汽含量和降水变化的结果相吻合。并且由于大部分的蒸发和降水发生在热带地区，对流运动减弱主要发生在热带地区。

（图片来自网络）

也许你对于热带降水变化并不感兴趣，毕竟不会影响到我们出行是否需要带伞。但是你还记得吗？在热带地区还有一个“老朋友”，他的一举一动都牵动着我国的气候。他就是ENSO。

ENSO是发生在赤道中东太平洋3到7年周期的冷暖振荡现象，其中海水偏暖的年份称为厄尔尼诺年，偏冷的年份称为拉尼娜年。当ENSO暖事件时，拉丁美洲和我国长江流域易出现洪涝灾害，而在澳大利亚、印度尼西亚、南亚次大陆和巴西东北部易遭受干旱。随着全球变暖问题日益严峻，预估全球变暖下ENSO的变化以及影响也是一个热点问题。

根据CC方程，大气饱和水汽压随着温度增加接近指数增长，导致水汽对温度的响应随着温度增长而增强。如图3所示，温度从0℃增加到5℃时饱和水汽压增加的幅度要小于从10℃增加到15℃。因此在全球变暖背景下，同样振幅的增暖能导致更大的对流层水汽异常，进而造成更大的全球大气环流、气温和降水异常（图4）。由于ENSO是我国长江流域、四川和陕西山区旱涝灾害的主要成因，这意味着这些地区旱涝灾害在未来可能会更加严重。该结论是中科院大气所胡开明副研究员、黄刚研究员等人最新研究成果，于近日发表在期刊 Nature Geoscience 。

图3 饱和水汽压与温度关系（图片来自网络）

图4 全球变暖下ENSO影响变化示意图。全球变暖下大气边界层水汽、热带降水、对流层温度和大气环流对ENSO的响应增强。

该结论是从CC方程出发，从物理学理论的角度对全球变暖背景下ENSO的变化及影响做出预估。我们知道，气象学家预估气候变化的另一个方法是用模式模拟，胡开明等人将理论预估的结果和模式模拟的结果进行比较，发现几乎所有的CMIP5和CMIP6数值模式的模拟结果和理论推测一致（CMIP，Coupled Model Intercomparison Project，国际耦合模式比较计划）。这意味着全球变暖后，像厄尔尼诺这样的自然现象可能会造成更大的气候灾害。

李白曾云，“俱怀逸兴壮思飞，欲上青天揽明月”。人类对身处的天地自然报有本能的好奇与向往，我们学会用繁复优美的词藻记录大千世界的美好，也学会用简洁凝练的方程总结风霜雨雪的奥妙。但是我们在认识自然的过程中同时伴随着改造与破坏。人类今天排放的废气、废水将会以另一种方式被自然归还给我们，因此保护环境、应对气候变化是为了人类有更多的未来去认知这个美好的世界。

参考文献：

1.Held, I. M. & Soden, B. J. Robust responses of the hydrological cycle to global warming. J. Clim.,2006

2.Kaiming Hu , Gang Huang , Ping Huang, Yu Kosaka , Shang-Ping Xie. Intensification of El Niño-induced atmospheric anomalies under greenhouse warming. Nat. Geosci.,2021

来源：中国科学院大气物理研究所