这本书很好的解决了目前不管是个人思维还是认知的困惑,面对不稳定性、混沌系统,不应该用以往单纯的归纳总结去理解它。
重新体会数学的魅力,整个人的视野扩宽许多。
题外话,作者是侯世达的女弟子,序言说到因为孩子的到来延误了书籍出版时间,但也感谢小生命的光临增加了生命的厚度,感觉作者本人也在用实践践行着对复杂系统的体悟。
并且此书也是一本相当深入浅出的复杂系统科普书,学者能够将科普做到如此,真佩服呀。

琢磨不透的梦境。第一次,好像从陌生的星球大地醒来,四周苍茫,地上长着杂草,大地的一侧是巨大的红日即将升起,所谓巨大指的是侧面整个是旭日的轮廓,此时人微若蚂蚁。第二次,梦里故乡的整个天空斑斓绚丽,混沌状态,犹如《星际穿越》中在浩渺宇宙穿行时遇到的各种星系,发着鬼魅幽光。第三次,也就是昨晚,依旧在故土之上,魅蓝的夜空里一个漩涡样的星团,星子明亮。做梦之前没有看过任何相关的书籍或视频,所以才觉得诡谲。
(找了几张和梦境相像的宇宙星系图)

【流金铄石·落幕:回望往昔的炽烈,与守望更炽烈的未来】

在今夜,秋最早的呐喊已经响彻巴山蜀水,并带来漫天飞雨。曾经的高温核心区被秋风吹落暑热,这标志着8月以来长期的高温热浪过程决定性的结束。在此之际,我们可以回望这漫长的炽烈是如何升腾蔓延,又将向前眺望,给将漂泊在未来的我们何种警示。

根据国家气候中心近日监测评估,综合考虑高温热浪事件的平均强度、影响范围和持续时间,从今年6月13日开始的区域性高温事件综合强度,已达到1961年有完整气象观测记录以来最强。此次过程具有持续时间长、范围广、强度大、极端性强等特点。截至8月23日,此次高温事件已经持续72天,为1961年以来持续时间最长(超过2013年的62天);35℃以上覆盖测站为历史第二多(仅次于2017年),但40℃以上覆盖测站为历史最多;高温极值站数已超过2013年和2017年。

全国共914个国家气象站(占全国总站数37.7%)日最高气温达到极端高温事件标准,河北、陕西、四川、湖北、江苏、浙江、福建、广东、青海等地262个国家气象站日最高气温持平或突破历史极值,其中重庆北碚达45.0℃,是中东部区域首次录得45°C(重庆在气象学分法属于中东部地区);此外,四川、河北、云南多地日最高气温达44℃或以上。

持续的高温热浪过程也引发了严重的灾情。长江流域出现了流域性大旱,干流中下游各站水位均打破同期最低;中央气象台更是发布了当前预警体系实施以来,首个国家级气象干旱橙色预警。这导致了严重的农业、生活、生产用水紧张,进一步影响了水电比重较高的四川等地发电量;同时,热浪与旱情最严重的重庆和周边区域出现了多起山火,以巴南区界石火点和北碚区-璧山区交界的缙云山火点最为严重,所幸当前已成功扑灭。

由于7月的高温过程已在前文分析过,本次将主要针对8月以来的过程。

Q1: 8月以来的南方多地高温热浪和干旱,主要和什么过程有关?

A1:最直接的影响因子,是异常偏强的副热带高压和大陆高压。它们联手控制了自四川盆地到长江中下游地区(有时向北延伸到中原等地),在其控制下盛行下沉增温气流和晴朗少雨天气,造成了严重高温热浪和干旱。而进一步溯源,是今年春季反常发展的拉尼娜事件对亚洲季风区的影响,和北大西洋地区长期大气环流异常(北大西洋涛动长期正位相)对亚欧大陆中高纬度环流异常的影响共同所致。

副热带高压可以说是高中地理课本就已出现的老朋友了。不过在气象学上,副热带高压不仅是半球三圈环流里横贯副热带地区的气压带,还是在全球有着具体的多个中心的天气系统——本轮南方高温热浪,最主要是偏强的西北太平洋副热带高压控制所致。 那我们怎么看到副热带高压的身影呢?作为活跃在对流层中低层(6000m以下)的高压,从海平面气压图或等压面上的高度图(高压的等压面向上凸,表现为一个高度偏高区域)就能看出。从图3这张8月1日以来的平均的对流层中层的天气图里,5880等值线包围的区域就是副热带高压的主体区;而背景填色则表明南方的高度场偏高,反映出副热带高压和它所致的热浪偏强。

但强盛的高压带里不只是副热带高压的身影。如果我们画出具体的风场(图4),还能看到在四川盆地附近有另一个较弱高压中心——这被称作大陆高压。如果说副热带高压直接影响了长江中下游一带,那大陆高压对四川盆地的高温有着更直接的影响。

大陆高压这个气象学名词,相对副热带高压陌生很多。简单而言,当进入夏季,亚洲大陆内部大片荒漠被阳光炙烤,或是大范围强对流云团里水汽在空中凝结释放的热量(潜热),形成了一个显著的热源。当这一热源加热了周边空气并抬升进入高空,就形成了这个位于对流层中上层的大陆高压。它比副热带高压所处的高度更高,如同一个炽热的“高压锅盖”,不仅自身会从高空部分下沉并压缩增温,还会阻碍局地的热气团抬升流出,配合四川盆地的地形更是导致了当地的持续灼热。

那么为什么今年的副热带高压和大陆高压如此强势? 当前反常演变的拉尼娜事件,是最重要的原因之一。

拉尼娜和厄尔尼诺是高中地理课本的老面孔,它们可以说是赤道中东太平洋海温异常如影的两面。而今年的拉尼娜在时间演变上非常特殊(图5)——历史上绝大部分拉尼娜事件,都在第一年的北半球夏秋季发展,冬季达到顶峰,随后在第二年开春时逐渐衰减;但当前的拉尼娜事件在去年秋季发展后,并未在今年春季衰减而是进一步增强,并在5月达到强度顶峰。

万里之外海洋的炎凉,是如何影响到我国的气候呢?通常情况下,热带太平洋海温呈现西暖东冷的特点,当拉尼娜事件增强发展时,赤道中东太平洋海表温度变得更低,并导致上方大气变冷收缩下沉形成地面高压,并因为增强的气压梯度,导致了向西跨越赤道太平洋的信风明显增强。在赤道附近增强的信风诱发了北侧的异常反气旋,并与同为对流层中低层反气旋性质的副热带高压叠加,使得副热带高压显著增强(图6)。

此外,当赤道中东太平洋海温偏冷且出现更强的下沉气流同时,处在赤道太平洋西岸的马来群岛,却因为海温的偏高和岛屿地形的作用出现更强劲的上升气流。这一上升气流会通过南北向的环流圈作用,导致北侧副热带地区出现更显著的下沉,从而有利于低空副热带高压的增强(图7)。这在近期的环流异常里也有明显的体现。

而除了对副热带高压的直接影响,这次反常的拉尼娜事件也明显增强了大陆高压,进而对四川盆地和青藏高原等地带来更严酷的炽热。

在最近半个多月以来,巴基斯坦出现了极端洪涝灾情,目前已造成约千人遇难,另有数百万人受灾。而洪泛横流和千里之外的巴山蜀水炽热,却是同一个异常环流的两面——它们是反常发展的拉尼娜事件的两重天影响。

前文已经提及,在通常的拉尼娜事件发展下,热带太平洋西岸的马来群岛一带会更显著的上升运动,相应地赤道中东太平洋区域有更显著下沉运动,构成横跨热带太平洋的Walker环流圈。然而由于今年拉尼娜事件里赤道中东太平洋的冷中心明显偏西,导致整个环流圈进一步西移,此时上升运动覆盖了热带印度洋和印度、巴基斯坦等南亚地区(图8)。巴基斯坦常年处在南亚季风区边缘,夏季降水极少,在异常强烈上升运动和对流发展的影响下,出现的极端降水也造成了更严重的洪涝灾情。

而与此同时,当地异常上升运动引发大量近地面气团抬升并堆积于高空,又激发了向南北两侧的下沉运动——其中北侧正是覆盖了青藏高原和四川盆地。在高空下沉过程中气团被显著压缩而增温,同时南亚大量水汽凝结成雨时释放的热量也被带入,因而形成了中高空极为炽热的高压系统——这正是直接造成了高温的大陆高压。在其控制下,青藏高原到四川盆地都出现了气温的显著偏高;而四川盆地因为海拔相对较低,下沉增温的程度更甚,加之盆地的地形,极端暖气团能停滞更久,直接造成了严重的高温干旱与山火(图9)。

上文提到的影响,都是源自于热带地区的大气或海洋异常。那么热带以外区域有无影响呢?中高纬度的西风带如同一条奔涌的天河,在其中也有巨浪或涟漪——正是受冷暖异常影响形成的槽脊扰动;而海洋区域由于摩擦较小,更容易有剧烈发展并长期存在的扰动,即特定的大气环流型。其中北大西洋区域的环流型最为显著,被称作北大西洋涛动(NAO);而在今年8月以来,当地就维持着异常正值(图10),对应极地区域的异常低压而环极地区域异常高压,也是今年欧洲高温热浪的一个重要因素;而这些异常扰动也会进一步沿着西风洪流向东传播,在我国中西部的高空激发了异常的暖高压,它的下沉增温也直接加强了大陆高压,并让高温热浪过程持续更久(图11)。在图12里,我们将上述因子简要汇总成一张示意图。

2.全球气候变化,在这次高温热浪里起到了怎样的作用?

对于一次高温热浪过程,由于它持续时间(数日到半个多月)和空间范围(数十万到数百万平方千米)相对有限,很难直接地将它与由人类活动主导、全球范围内自完备工业化以来持续一百多年的气候变化关联。但如果问到最近数年已经显著上升高温热浪频率和强度的趋势,则可以用气候变化的影响解释。

气候变化对于全球气温的影响,不仅在于平均气温的升高,更在于气温偏离常态的极端性(统计学以方差/标准差衡量)显著增强,表现为极端高温和极端低温频率都有增加,其中极端高温因为变暖的趋势更加频繁。

关于这一现象的解释很多。认可度较高的观点认为,在气候变化下北极海冰大幅融化,而显露的海表和陆地表面较先前冰面更暗,从而反照率下降并吸收更多热量,导致北极地区的升温相对于北半球极地外更大(图14左侧);相应地,极地和热带间温差缩小。而根据气象学热成风原理,高空西风带正是由这一温差驱动,如同一道天堑阻拦在极地赤道间,使得南北两侧气团难以轻易逾越。当温差缩小,西风洪流相应减弱,使得冷暖空气南来北往时受到的阻碍更小,更容易引发各处的极端天气事件(图14右侧)。此外,当平均温度升高,大气能容纳的水汽含量(饱和水汽压)也将上升,而更多的水汽凝结时也会释放更多的热量,进而直接加热空气或驱动大气环流的变化。

由于具体的时空尺度不同,我们无法精确预测未来数十年内每一次高温热浪过程的区域、持续时间和程度,但可以明确的是,在这样的气候变化下,未来数十年这样的极端高温事件在全球的总体频率将愈发增多,且极端程度也将显著增大,对更多的人们会产生显著影响以至威胁。面对如此破碎的未来,我们已没有置身世外或回避的选择,唯有携手迎面。

Q3:当前长江中下游地区的高温已落下帷幕,四川盆地的高温也将被秋最早的呐喊终结。未来一段时间,高温还会以秋老虎之名反扑么?

在近期,总体环流形势已有深刻变化。造成前期持续高温的北大西洋涛动已经翻转,导致我国大部已成为长波槽位的控制。这不仅有利于击退副热带高压和大陆高压,同时槽后偏北气流有利于引导多股冷空气持续南下。

未来一两日,残存的高温势力还会盘踞江南部分区域。随着新一股冷空气挥笔南下,这些余烬也将被秋风吹灭。

然而近期的冷空气活跃,并不代表秋老虎的退缩——在不断增暖的近年,南方高温在9月早已是常客。在新一峰拉尼娜事件发展的背景下,西太平洋副热带高压在长期依然会显著偏强,9月秋老虎仍然会较为频繁出没。在区域上,高温将主要集中在长江中下游地区,当然随着日影的南去,届时要再出现长期极端高温已是非常难;但在高压控制下当地降水仍将持续偏少,部分区域需要警惕夏秋季连旱的影响。而四川盆地今年会相应出现较强秋雨,高温偏弱的同时,山区也需要注意防范山洪、泥石流等灾情。

对于南方大部,这是一个流金铄石的灼热长夏,更是有水止而涸的赤地与的烈焰腾空的山火。而从上文因素可以看出,虽然引发高温干旱的最直接系统——偏强的副热带高压与大陆高压在我国上空,但影响它们的气候因子都起于万里之遥;而这样的极端事件不止于我国,已在更辽阔的海陆山川蔓延。所以,起于青蘋之末的长风,会将每一片天涯的冷暖阴晴紧密相连;正因如此,在全球气候变化的魅影面前,没有一片独善其身的桃源,唯有同舟共渡未来的命运。

作为气象学/气候学人,我们也定会走在迷茫时的未知与气候变化最前沿,以积淀的理性与看破纷繁的勇魄,去飘散眼前的混沌,让更多的人们有正确的认识与应对的信心;希望我们在这样的未来漂泊时,能更多一份平安与自信。

#重庆下雨#


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