探尋不同空間尺度下極端降水變化的人類活動印記：檢測與歸因一、引言1.1研究背景與意義在全球氣候變化的大背景下，極端降水事件的發(fā)生頻率、強(qiáng)度和時空分布正經(jīng)歷著顯著變化。這些變化對人類社會和自然生態(tài)系統(tǒng)造成了極為嚴(yán)重的影響，已然成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題。從人類社會層面來看，極端降水往往會引發(fā)洪水、山體滑坡等災(zāi)害，對人類生命安全構(gòu)成直接威脅。例如，2021年7月，河南遭遇罕見特大暴雨，鄭州等多地受災(zāi)嚴(yán)重，大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失令人痛心。這場暴雨導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重，交通癱瘓，地鐵被淹，許多居民被困，眾多基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次災(zāi)害造成河南全省150個縣（市、區(qū)）、1663個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1453.16萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)遇難302人，失蹤50人，直接經(jīng)濟(jì)損失1337.15億元。極端降水還會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響，暴雨可能沖毀農(nóng)田，淹沒農(nóng)作物，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)甚至絕收，進(jìn)而影響糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品價格穩(wěn)定。2020年夏季，長江流域遭遇持續(xù)強(qiáng)降水，部分地區(qū)農(nóng)田被淹，農(nóng)作物受災(zāi)面積廣，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也對我國的糧食供應(yīng)造成了一定壓力。從自然生態(tài)系統(tǒng)角度而言，極端降水會打破生態(tài)系統(tǒng)的平衡。對于森林生態(tài)系統(tǒng)，過量降水可能引發(fā)泥石流，破壞森林植被，影響生物多樣性；而對于濕地生態(tài)系統(tǒng)，降水異常會改變濕地的水位和水質(zhì)，威脅濕地動植物的生存。例如，在一些熱帶雨林地區(qū)，極端降水事件增多導(dǎo)致土壤侵蝕加劇，許多珍稀植物的生存環(huán)境遭到破壞，物種數(shù)量減少。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，水位的急劇變化會影響水鳥的棲息和繁殖，一些依賴穩(wěn)定水位的水生植物也會因水位異常而無法正常生長?，F(xiàn)有研究表明，人類活動在全球和區(qū)域降水變化中扮演著重要角色。工業(yè)革命以來，人類大量使用化石燃料，排放了大量的溫室氣體，如二氧化碳、甲烷等，導(dǎo)致全球氣溫升高，進(jìn)而引發(fā)一系列氣候變化，其中就包括極端降水的變化。大氣中溫室氣體濃度的增加，使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定，水汽含量上升，為極端降水的發(fā)生提供了更有利的條件。人類活動還通過改變土地利用方式、排放氣溶膠等對極端降水產(chǎn)生影響。城市化進(jìn)程中，大量的自然地表被水泥、瀝青等人工材料覆蓋，改變了下墊面的性質(zhì)，使得城市熱島效應(yīng)加劇，進(jìn)而影響城市及周邊地區(qū)的大氣環(huán)流和水汽分布，導(dǎo)致極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度發(fā)生變化。不同空間尺度下，人類活動對極端降水變化的影響機(jī)制存在差異。在全球尺度上，溫室氣體排放導(dǎo)致的全球氣候變暖是影響極端降水的重要因素；而在區(qū)域尺度上，地形地貌、海陸分布以及區(qū)域人類活動等因素會與全球因素相互作用，共同影響極端降水的變化。在某些沿海地區(qū)，海洋的調(diào)節(jié)作用以及人類的海洋開發(fā)活動會對當(dāng)?shù)氐臉O端降水產(chǎn)生影響；在山區(qū)，地形的起伏會導(dǎo)致氣流的抬升和下沉，與人類活動排放的污染物相互作用，影響極端降水的形成和分布。深入探究不同空間尺度下極端降水變化的人類活動檢測歸因，有助于我們更準(zhǔn)確地理解極端降水變化的原因，為制定科學(xué)有效的應(yīng)對策略提供依據(jù)，對于保障人類社會的可持續(xù)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在全球尺度的研究方面，國際上諸多研究利用全球氣候模式模擬，結(jié)合長期觀測數(shù)據(jù)，對極端降水變化進(jìn)行了深入分析。如IPCC的系列評估報告，綜合了大量全球尺度的研究成果，指出隨著全球氣候變暖，大氣中水汽含量增加，極端降水事件在全球范圍內(nèi)總體呈現(xiàn)出增強(qiáng)和更頻繁的趨勢。有研究表明，在過去的幾十年里，全球平均降水變率速度為每10年增長1.2%，全球約75%的陸地上降水變率已顯著增強(qiáng)，這主要?dú)w因于人類活動導(dǎo)致的全球變暖和大氣水循環(huán)的增強(qiáng)。在對人類活動影響的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，工業(yè)革命以來，人類大量使用化石燃料，排放的溫室氣體增加，導(dǎo)致全球氣溫升高，使得大氣持水量增加，一方面延長了干旱時間，另一方面增加了降水強(qiáng)度，從而造成降水變率增強(qiáng)。在國內(nèi)，也有眾多學(xué)者對全球尺度極端降水變化進(jìn)行了研究。一些研究通過分析全球氣候模式數(shù)據(jù)，探討了全球極端降水的變化趨勢及其與人類活動的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，全球極端降水的變化存在區(qū)域差異，部分地區(qū)極端降水增加明顯，而部分地區(qū)則變化不顯著甚至減少，這與全球大氣環(huán)流模式的調(diào)整以及不同地區(qū)對氣候變化的響應(yīng)差異有關(guān)。區(qū)域尺度上，國外的研究更加注重對不同區(qū)域的具體分析。例如，針對歐洲地區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)人類活動導(dǎo)致的氣溶膠排放變化對該地區(qū)極端降水有顯著影響，氣溶膠的散射和吸收作用改變了大氣輻射平衡，進(jìn)而影響大氣環(huán)流和降水模式。在北美，研究人員通過對不同區(qū)域的降水?dāng)?shù)據(jù)和氣候模式模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)城市化進(jìn)程導(dǎo)致的下墊面變化以及溫室氣體排放，使得城市及其周邊地區(qū)極端降水事件增多，強(qiáng)度增強(qiáng)。國內(nèi)在區(qū)域尺度極端降水變化研究方面也取得了豐碩成果。針對中國不同區(qū)域，眾多學(xué)者開展了深入研究。在華北地區(qū)，研究表明人類活動排放的污染物以及不合理的土地利用方式，破壞了區(qū)域的生態(tài)平衡，影響了大氣環(huán)流和水汽輸送，導(dǎo)致該地區(qū)極端降水事件的頻率和強(qiáng)度發(fā)生變化。在華南地區(qū)，受城市化和工業(yè)化進(jìn)程影響，區(qū)域氣候發(fā)生改變，極端降水事件增多，且與海洋溫度變化、季風(fēng)活動等因素密切相關(guān)。中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所等單位的研究人員，基于英國哈德萊中心開發(fā)的大氣模式HadGEM3-GA6超級集合模擬試驗(yàn)和IPCC檢測歸因比較計(jì)劃的14個全球氣候模式模擬結(jié)果，對中國南、北方季風(fēng)區(qū)2020年夏季的月尺度和日尺度極端降水事件進(jìn)行歸因分析，發(fā)現(xiàn)雖然人為強(qiáng)迫降低了長江中下游的月尺度極端降水事件發(fā)生的可能性，但增加了東亞季風(fēng)區(qū)北部和南部代表區(qū)域日極端降水事件的發(fā)生概率。在局地尺度上，國外研究多聚焦于城市等小范圍區(qū)域。通過高分辨率的氣象觀測和數(shù)值模擬，研究城市熱島效應(yīng)、城市下墊面性質(zhì)改變等因素對局地極端降水的影響。例如，對美國紐約等大城市的研究發(fā)現(xiàn)，城市中大量的水泥、瀝青等人工材料覆蓋，使得地表反照率降低，熱量吸收增加，形成城市熱島，進(jìn)而影響局地的大氣環(huán)流和水汽分布，導(dǎo)致極端降水事件在城市中心及其周邊地區(qū)的發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加。國內(nèi)的局地尺度研究也在不斷深入。以北京、上海等城市為例，研究人員利用精細(xì)化的氣象觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模式，分析了城市建設(shè)、工業(yè)排放等人類活動對局地極端降水的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，城市的擴(kuò)張和發(fā)展改變了下墊面的粗糙度和水汽蒸發(fā)條件，使得城市內(nèi)部和周邊地區(qū)的降水分布更加不均勻，極端降水事件的發(fā)生風(fēng)險增加。盡管國內(nèi)外在不同空間尺度極端降水變化及人類活動影響研究方面已取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)據(jù)方面，全球和區(qū)域尺度的觀測數(shù)據(jù)在空間覆蓋和時間連續(xù)性上存在局限性，特別是在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和海洋區(qū)域，觀測站點(diǎn)稀少，數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，這給研究帶來了困難。局地尺度的高分辨率觀測數(shù)據(jù)獲取難度較大，且不同觀測站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)一致性和可比性有待提高。在研究方法上，氣候模式雖然能夠模擬極端降水的變化，但模式中對物理過程的參數(shù)化方案存在不確定性，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際觀測存在一定偏差。檢測歸因方法在區(qū)分自然因素和人類活動因素對極端降水變化的貢獻(xiàn)時，仍存在一定的誤差和不確定性。在研究內(nèi)容上，對于不同空間尺度之間的相互作用和耦合機(jī)制研究較少，人類活動對極端降水的影響在不同時間尺度上的變化規(guī)律也有待進(jìn)一步探索。1.3研究內(nèi)容與方法本研究的主要內(nèi)容包括：在全球尺度上，分析全球極端降水的長期變化趨勢，利用全球氣候模式模擬結(jié)果，結(jié)合觀測數(shù)據(jù)，研究人類活動排放的溫室氣體、氣溶膠等對全球極端降水變化的影響機(jī)制，探討全球尺度極端降水變化與全球氣候變化的關(guān)系。在區(qū)域尺度上，選取具有代表性的區(qū)域，如亞洲季風(fēng)區(qū)、歐洲、北美等，分析這些區(qū)域極端降水的時空變化特征，研究區(qū)域內(nèi)人類活動，如土地利用變化、城市化進(jìn)程、工業(yè)排放等對極端降水的影響，探討區(qū)域氣候系統(tǒng)與極端降水變化的相互作用。在局地尺度上，以典型城市或小流域?yàn)槔酶叻直媛实臍庀笥^測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，研究城市熱島效應(yīng)、下墊面性質(zhì)改變等局地人類活動對極端降水的影響，分析局地極端降水的形成機(jī)制和變化規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，將采用以下研究方法：數(shù)據(jù)收集與整理，收集全球、區(qū)域和局地不同空間尺度的降水觀測數(shù)據(jù)，包括地面氣象站、衛(wèi)星遙感等數(shù)據(jù)，同時收集相關(guān)的氣候模式模擬數(shù)據(jù)，如CMIP系列數(shù)據(jù)。整理人類活動相關(guān)數(shù)據(jù)，如溫室氣體排放、氣溶膠排放、土地利用變化等數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)分析方法，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析、相關(guān)性分析等，揭示極端降水的時空變化特征。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（REOF）等方法，分析極端降水的空間分布模態(tài)和時間變化規(guī)律。檢測歸因方法，利用最優(yōu)指紋法等檢測歸因方法，區(qū)分自然因素和人類活動因素對極端降水變化的貢獻(xiàn)。通過設(shè)計(jì)不同的敏感性試驗(yàn)，分析不同人類活動因子對極端降水變化的影響程度。數(shù)值模擬方法，運(yùn)用全球氣候模式和區(qū)域氣候模式，進(jìn)行不同情景下的數(shù)值模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證和補(bǔ)充觀測分析結(jié)果。利用高分辨率的城市氣候模式，模擬局地人類活動對極端降水的影響，深入研究其物理機(jī)制。二、全球尺度下極端降水變化與人類活動2.1全球極端降水變化特征與趨勢在全球變暖的大背景下，極端降水的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜且顯著的特征與趨勢。從頻率角度來看，眾多研究表明，全球范圍內(nèi)極端降水事件的發(fā)生頻率總體呈上升趨勢。國際權(quán)威研究機(jī)構(gòu)通過對大量氣象數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，過去幾十年間，全球許多地區(qū)極端降水事件的出現(xiàn)次數(shù)明顯增多。例如，在一些中高緯度地區(qū)，原本較為罕見的極端暴雨事件近年來發(fā)生的頻率顯著增加。這種頻率的上升并非偶然，而是與全球氣候系統(tǒng)的變化密切相關(guān)。大氣中水汽含量的增加為極端降水的形成提供了更多的物質(zhì)基礎(chǔ)，使得極端降水事件有了更頻繁發(fā)生的條件。在強(qiáng)度方面，極端降水事件的強(qiáng)度也在不斷增強(qiáng)。有研究指出，全球平均每升溫1°C，極端降水事件強(qiáng)度預(yù)計(jì)增加15%。以美國為例，該國部分地區(qū)近年來遭遇的極端暴雨強(qiáng)度遠(yuǎn)超以往，造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。2017年，美國休斯頓地區(qū)遭遇了“哈維”颶風(fēng)帶來的極端降水，降雨量在短時間內(nèi)急劇增加，許多地區(qū)的降雨量打破了歷史紀(jì)錄。這場極端降水導(dǎo)致城市大面積被淹，大量房屋被沖毀，基礎(chǔ)設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳顜砹藰O大的困擾，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元。這種強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象在全球其他地區(qū)也有類似表現(xiàn)，如歐洲的部分國家，在暴雨季節(jié)時，極端降水事件的強(qiáng)度不斷刷新歷史紀(jì)錄，引發(fā)了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)造成了巨大的沖擊。從空間分布來看，極端降水的變化存在明顯的區(qū)域差異。在熱帶和亞熱帶地區(qū)，由于其獨(dú)特的地理位置和氣候條件，極端降水事件原本就較為頻繁，而在全球變暖的影響下，這些地區(qū)的極端降水強(qiáng)度和頻率進(jìn)一步增加。例如，東南亞地區(qū)，每年的雨季都會遭遇強(qiáng)降雨天氣，近年來極端降水事件的增多，使得洪澇災(zāi)害的發(fā)生愈發(fā)頻繁，許多河流的水位急劇上漲，淹沒了周邊的農(nóng)田和村莊，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成了嚴(yán)重影響。在一些高海拔地區(qū)，如喜馬拉雅山脈周邊地區(qū)，極端降水事件也在增加，這不僅對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成了破壞，還引發(fā)了泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳踩Ｏ啾戎拢糠指珊岛桶敫珊档貐^(qū)的極端降水變化則不太明顯，甚至在某些情況下，極端降水事件的頻率有所減少。然而，一旦這些地區(qū)發(fā)生極端降水，由于其生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，往往會造成更為嚴(yán)重的后果。如非洲的一些干旱地區(qū)，偶爾發(fā)生的極端降水可能會導(dǎo)致原本干涸的河流瞬間泛濫，沖毀沿途的一切，而由于當(dāng)?shù)厝狈?yīng)對這種災(zāi)害的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)驗(yàn)，造成的損失往往難以估量。從時間序列上分析，極端降水的變化還呈現(xiàn)出階段性特征。在某些時期，極端降水事件的頻率和強(qiáng)度會出現(xiàn)快速增長，而在另一些時期則相對穩(wěn)定。這種階段性變化與全球氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率以及外部強(qiáng)迫因素的綜合作用密切相關(guān)。例如，在厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）事件發(fā)生期間，全球大氣環(huán)流模式會發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響極端降水的分布和強(qiáng)度。在厄爾尼諾事件期間，南美洲的部分地區(qū)會出現(xiàn)異常的強(qiáng)降水，而澳大利亞和東南亞部分地區(qū)則可能出現(xiàn)干旱。這種由于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率導(dǎo)致的極端降水變化，在不同的時間尺度上都有所體現(xiàn)，從年際變化到年代際變化，都對全球極端降水的格局產(chǎn)生著重要影響。2.2全球氣候模式模擬與人類活動影響全球氣候模式（GCMs）是研究全球氣候變化的重要工具，在模擬極端降水方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。GCMs通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程組，對大氣、海洋、陸地等地球系統(tǒng)的物理過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而預(yù)測氣候的變化。在模擬極端降水時，模式需要考慮大氣中的水汽輸送、凝結(jié)、降水形成等過程，以及海洋表面溫度、陸地表面特征等因素對降水的影響。不同的GCMs在物理過程的參數(shù)化方案、模式分辨率等方面存在差異，這導(dǎo)致它們對極端降水的模擬結(jié)果也有所不同。在眾多GCMs中，一些模式在模擬極端降水方面表現(xiàn)出了較好的能力。例如，歐洲中期天氣預(yù)報中心開發(fā)的EC-Earth模式，能夠較為準(zhǔn)確地模擬出全球極端降水的空間分布和變化趨勢。該模式通過對大氣環(huán)流、水汽輸送等過程的精細(xì)模擬，較好地捕捉到了熱帶和亞熱帶地區(qū)極端降水事件頻繁發(fā)生的特征，以及中高緯度地區(qū)極端降水強(qiáng)度增加的趨勢。美國國家大氣研究中心的CESM模式在模擬極端降水時，也能較好地反映出全球氣候變暖對極端降水的影響，如大氣中水汽含量增加導(dǎo)致極端降水強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象。然而，也有一些模式在模擬極端降水時存在一定的偏差。部分模式可能會低估某些地區(qū)極端降水的強(qiáng)度和頻率，或者在模擬極端降水的空間分布時出現(xiàn)偏差。一些模式在模擬熱帶氣旋引發(fā)的極端降水時，由于對熱帶氣旋的生成、發(fā)展和移動過程模擬不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對相關(guān)地區(qū)極端降水的模擬結(jié)果與實(shí)際觀測存在較大差異。人類活動對全球氣候模式模擬的極端降水變化有著顯著影響。溫室氣體排放是人類活動影響極端降水的重要因素之一。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，人類大量燃燒化石燃料，排放了大量的二氧化碳、甲烷等溫室氣體。這些溫室氣體在大氣中不斷積累，增強(qiáng)了大氣的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣溫升高。全球氣候模式模擬顯示，氣溫升高使得大氣中的水汽含量增加，為極端降水的形成提供了更充足的水汽條件。大氣溫度每升高1°C，大氣中的水汽含量大約會增加7%，這使得極端降水事件發(fā)生時的降水量更大，強(qiáng)度更強(qiáng)。研究表明，在溫室氣體排放持續(xù)增加的情景下，全球極端降水事件的強(qiáng)度和頻率都將顯著增加，許多地區(qū)將面臨更嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害風(fēng)險。氣溶膠排放也是人類活動影響極端降水的重要方面。氣溶膠是懸浮在大氣中的固體或液體微粒，主要來源于工業(yè)排放、交通運(yùn)輸、生物質(zhì)燃燒等人類活動。氣溶膠對極端降水的影響較為復(fù)雜，它既可以通過散射和吸收太陽輻射，直接影響大氣的能量平衡，也可以作為云凝結(jié)核，影響云的微物理過程和降水的形成。一些氣溶膠具有反射太陽輻射的作用，能夠使到達(dá)地面的太陽輻射減少，從而降低地面溫度，抑制大氣對流，減少降水的發(fā)生。然而，另一些氣溶膠，如黑碳等，具有吸收太陽輻射的作用，能夠使大氣升溫，增強(qiáng)大氣對流，增加降水的可能性。在某些地區(qū)，氣溶膠排放的增加可能導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增加，云滴粒徑減小，從而抑制降水的形成；而在另一些地區(qū)，氣溶膠排放的增加可能會促進(jìn)云的發(fā)展，增加降水的強(qiáng)度和頻率。全球氣候模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠排放的變化對不同地區(qū)極端降水的影響存在差異，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，氣溶膠排放的增加可能會導(dǎo)致極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度發(fā)生改變。土地利用變化同樣對全球氣候模式模擬的極端降水產(chǎn)生影響。隨著城市化進(jìn)程的加速和農(nóng)業(yè)活動的擴(kuò)張，大量的自然地表被人工建筑、農(nóng)田等所取代，土地利用方式發(fā)生了顯著變化。這種變化改變了地表的反照率、粗糙度和水汽蒸發(fā)條件，進(jìn)而影響了局地和區(qū)域的氣候。在城市地區(qū)，大量的水泥、瀝青等人工材料覆蓋，使得地表反照率降低，熱量吸收增加，形成城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)會導(dǎo)致城市及其周邊地區(qū)的大氣環(huán)流發(fā)生改變，水汽上升運(yùn)動增強(qiáng)，從而增加了極端降水事件發(fā)生的可能性。全球氣候模式模擬結(jié)果顯示，城市化程度較高的地區(qū)，極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度往往比周邊農(nóng)村地區(qū)更高。農(nóng)業(yè)活動中的灌溉、施肥等也會改變土壤的水分含量和地表的水汽蒸發(fā)條件，對區(qū)域氣候和極端降水產(chǎn)生影響。在一些干旱和半干旱地區(qū)，不合理的農(nóng)業(yè)灌溉可能會導(dǎo)致土壤水分過度蒸發(fā)，增加大氣中的水汽含量，從而增加極端降水事件發(fā)生的風(fēng)險。2.3案例分析：全球重大極端降水事件中的人類活動因素卡特里娜颶風(fēng)是美國歷史上損失最為慘重的自然災(zāi)害之一，其引發(fā)的極端降水事件對新奧爾良市造成了毀滅性打擊，深入分析其中的人類活動因素，對于理解極端降水與人類活動的關(guān)系具有重要意義?？ㄌ乩锬蕊Z風(fēng)于2005年8月23日在巴哈馬群島附近生成，隨后逐漸增強(qiáng)并向北移動，8月29日在路易斯安那州登陸。在登陸過程中，颶風(fēng)帶來了極其強(qiáng)烈的降水，新奧爾良市部分地區(qū)的降水量在短時間內(nèi)超過了500毫米。暴雨引發(fā)了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，城市80%的區(qū)域被洪水淹沒，大量房屋、基礎(chǔ)設(shè)施被沖毀，許多居民被困，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，卡特里娜颶風(fēng)共造成1833人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1250億美元。人類活動在卡特里娜颶風(fēng)引發(fā)的極端降水事件中扮演了重要角色。溫室氣體排放導(dǎo)致的全球氣候變暖是一個重要的背景因素。隨著工業(yè)革命以來人類對化石燃料的大量使用，大氣中溫室氣體濃度不斷上升，全球氣溫逐漸升高。全球氣候變暖使得海洋表面溫度升高，為颶風(fēng)的形成和發(fā)展提供了更充足的能量。研究表明，海洋表面溫度每升高1°C，颶風(fēng)的潛在強(qiáng)度可能增加5%-10%。在卡特里娜颶風(fēng)形成期間，其經(jīng)過的海域海水溫度異常偏高，這為颶風(fēng)的快速增強(qiáng)提供了有利條件，進(jìn)而導(dǎo)致其引發(fā)的極端降水強(qiáng)度更大。沿海地區(qū)的濕地破壞和城市發(fā)展也加劇了卡特里娜颶風(fēng)的影響。新奧爾良市位于密西西比河河口，周邊原本擁有大量的濕地。濕地具有重要的生態(tài)功能，它可以像海綿一樣吸收和儲存洪水，減緩洪水的流速和沖擊力，從而減輕洪水對周邊地區(qū)的影響。然而，隨著城市的發(fā)展和人口的增長，大量的濕地被開發(fā)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市建設(shè)。濕地面積的減少削弱了其對洪水的調(diào)節(jié)能力，使得洪水在遇到城市時無法得到有效的緩沖，直接沖擊城市，造成了更為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。城市化進(jìn)程中，城市的下墊面性質(zhì)發(fā)生了改變，大量的自然地表被水泥、瀝青等人工材料覆蓋。這種改變導(dǎo)致城市的地表徑流增加，雨水無法及時滲透到地下，而是迅速匯聚形成洪水，進(jìn)一步加劇了城市內(nèi)澇的程度。城市的熱島效應(yīng)也可能對極端降水產(chǎn)生影響，使得城市及其周邊地區(qū)的大氣環(huán)流和水汽分布發(fā)生變化，增加了極端降水事件發(fā)生的可能性。卡特里娜颶風(fēng)引發(fā)的極端降水事件還凸顯了人類在應(yīng)對極端降水方面的不足。城市的防洪設(shè)施建設(shè)不完善，無法抵御如此強(qiáng)烈的洪水。新奧爾良市的防洪堤在颶風(fēng)引發(fā)的洪水沖擊下多處決口，使得洪水迅速涌入城市，造成了更大的破壞。在災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)方面也存在問題，未能及時有效地組織居民疏散，導(dǎo)致許多居民在洪水中喪生。這些問題表明，人類活動不僅在一定程度上導(dǎo)致了極端降水事件的發(fā)生和加劇，還在應(yīng)對極端降水災(zāi)害時暴露出諸多缺陷，需要我們深刻反思并加以改進(jìn)。三、區(qū)域尺度下極端降水變化與人類活動3.1不同區(qū)域極端降水變化特點(diǎn)亞洲季風(fēng)區(qū)作為全球重要的氣候區(qū)域，其極端降水變化具有顯著特點(diǎn)。該區(qū)域涵蓋了印度、東南亞、中國東部等人口密集地區(qū)，對全球氣候和人類社會有著重要影響。在時空分布上，亞洲季風(fēng)區(qū)的極端降水呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異。從季節(jié)上看，夏季是極端降水的高發(fā)期，這與夏季風(fēng)的活動密切相關(guān)。夏季風(fēng)帶來了大量的水汽，使得該地區(qū)降水充沛，也為極端降水的形成提供了有利條件。在印度，每年的6-9月是季風(fēng)季節(jié)，期間極端降水事件頻繁發(fā)生，常常引發(fā)洪澇災(zāi)害。2018年印度喀拉拉邦遭遇了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，這場災(zāi)害就是由極端降水引發(fā)的。在短短一個月內(nèi)，該地區(qū)的降水量遠(yuǎn)超常年同期水平，許多河流決堤，大量房屋被淹沒，超過1000人死亡，數(shù)百萬人受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。從區(qū)域分布來看，亞洲季風(fēng)區(qū)的不同地區(qū)極端降水變化也有所不同。在南亞地區(qū)，印度半島和孟加拉灣一帶是極端降水的高發(fā)區(qū)域。這里的地形和氣候條件使得水汽容易在此匯聚，形成強(qiáng)降水。喜馬拉雅山脈的阻擋作用使得來自印度洋的暖濕氣流在山前抬升，形成大量降水，當(dāng)氣流異常強(qiáng)盛時，就容易引發(fā)極端降水事件。在東南亞地區(qū)，菲律賓、越南等國家也經(jīng)常受到極端降水的影響。這些地區(qū)地處熱帶，海洋性氣候顯著，水汽豐富，加上熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)的影響，極端降水事件時有發(fā)生。2013年，臺風(fēng)“海燕”襲擊了菲律賓，帶來了狂風(fēng)暴雨，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。“海燕”在菲律賓登陸時，帶來了極端降水，許多地區(qū)的降水量在短時間內(nèi)超過了500毫米，引發(fā)了洪水和山體滑坡，超過6000人死亡，大量基礎(chǔ)設(shè)施被摧毀。歐洲地區(qū)的極端降水變化同樣具有獨(dú)特的時空分布特征。在空間上，歐洲的極端降水呈現(xiàn)出從南歐到北歐逐漸減少的趨勢。南歐地區(qū)，如地中海沿岸國家，由于其特殊的地理位置和氣候條件，極端降水事件相對較多。地中海地區(qū)夏季受副熱帶高壓控制，氣候炎熱干燥，而冬季則受西風(fēng)帶影響，降水較多。這種氣候的季節(jié)性變化使得該地區(qū)在冬季容易出現(xiàn)極端降水事件。2019年，意大利威尼斯遭遇了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，城市大部分地區(qū)被淹沒。這場洪水是由極端降水引發(fā)的，在短時間內(nèi)，威尼斯地區(qū)的降水量達(dá)到了歷史罕見的水平，導(dǎo)致河水泛濫，許多歷史建筑和文化遺產(chǎn)受到了嚴(yán)重破壞。北歐地區(qū)雖然總體降水量相對較少，但極端降水事件也時有發(fā)生。在挪威、瑞典等國家，由于地形和大氣環(huán)流的影響，部分地區(qū)在特定季節(jié)也會出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。挪威的峽灣地區(qū)，由于山脈的阻擋和地形的抬升作用，當(dāng)暖濕氣流經(jīng)過時，容易形成強(qiáng)降水。從時間上看，歐洲的極端降水在秋季和冬季相對較多，這與大西洋風(fēng)暴路徑的季節(jié)性變化有關(guān)。秋季和冬季，大西洋上的風(fēng)暴活動頻繁，這些風(fēng)暴攜帶了大量的水汽，當(dāng)它們登陸歐洲時，就容易引發(fā)極端降水事件。在一些年份，歐洲還會出現(xiàn)跨季節(jié)的極端降水事件，如春季的暴雨天氣，這可能與氣候異常和大氣環(huán)流的異常變化有關(guān)。3.2區(qū)域氣候模式模擬與人類活動作用區(qū)域氣候模式（RCMs）是研究區(qū)域尺度氣候變化的重要工具，它能夠在比全球氣候模式更高的分辨率下，對區(qū)域氣候進(jìn)行模擬，從而更準(zhǔn)確地刻畫區(qū)域氣候特征和極端降水的變化。RCMs通常嵌套在全球氣候模式中，利用全球氣候模式提供的大尺度邊界條件，對區(qū)域內(nèi)的氣候過程進(jìn)行詳細(xì)模擬。在模擬極端降水時，RCMs可以考慮地形、海陸分布、土地利用等區(qū)域特征對降水的影響，通過對大氣動力、熱力過程以及水汽輸送等物理過程的精細(xì)模擬，來預(yù)測極端降水的發(fā)生和變化。不同的RCMs在模擬極端降水方面具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。例如，WRF（WeatherResearchandForecasting）模式是一種廣泛應(yīng)用的區(qū)域氣候模式，它具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠通過多種物理過程參數(shù)化方案來模擬不同的氣候條件。在模擬山區(qū)極端降水時，WRF模式可以通過對地形的精細(xì)描述，準(zhǔn)確地模擬氣流在地形作用下的抬升和下沉運(yùn)動，從而較好地再現(xiàn)山區(qū)極端降水的分布特征。在模擬歐洲阿爾卑斯山區(qū)的極端降水時，WRF模式能夠捕捉到由于地形強(qiáng)迫導(dǎo)致的降水增強(qiáng)現(xiàn)象，模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)具有較好的一致性。RegCM（RegionalClimateModel）模式也是一種常用的區(qū)域氣候模式，它在模擬區(qū)域氣候平均態(tài)和極端氣候事件方面表現(xiàn)出色。在模擬亞洲季風(fēng)區(qū)的極端降水時，RegCM模式能夠較好地模擬出季風(fēng)降水的季節(jié)性變化和極端降水事件的發(fā)生頻率，為研究亞洲季風(fēng)區(qū)的極端降水變化提供了重要的參考依據(jù)。人類活動對區(qū)域氣候模式模擬的極端降水變化有著重要影響。在區(qū)域尺度上，土地利用變化是人類活動影響極端降水的重要因素之一。城市化進(jìn)程的加速導(dǎo)致大量的自然土地被城市建設(shè)用地所取代，城市的熱島效應(yīng)和下墊面性質(zhì)的改變對區(qū)域氣候和極端降水產(chǎn)生了顯著影響。研究表明，城市熱島效應(yīng)會使城市及其周邊地區(qū)的氣溫升高，大氣對流活動增強(qiáng)，從而增加極端降水事件發(fā)生的可能性。通過區(qū)域氣候模式模擬發(fā)現(xiàn)，在一些大城市，如北京、上海等，城市化導(dǎo)致的熱島效應(yīng)使得城市中心區(qū)域的極端降水事件頻率比周邊農(nóng)村地區(qū)高出20%-30%。農(nóng)業(yè)活動中的土地利用變化，如農(nóng)田灌溉、森林砍伐等，也會改變區(qū)域的水汽循環(huán)和能量平衡，進(jìn)而影響極端降水的發(fā)生。在一些干旱和半干旱地區(qū)，過度的農(nóng)田灌溉會導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增加，大氣中的水汽含量升高，當(dāng)水汽條件和動力條件適宜時，就容易引發(fā)極端降水事件。氣溶膠排放也是區(qū)域尺度上人類活動影響極端降水的重要因素。不同類型的氣溶膠對極端降水的影響存在差異。硫酸鹽氣溶膠主要來源于化石燃料的燃燒，它具有較強(qiáng)的散射太陽輻射的能力，能夠使到達(dá)地面的太陽輻射減少，從而降低地面溫度，抑制大氣對流，減少降水的發(fā)生。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，如長三角、珠三角等，大量的硫酸鹽氣溶膠排放導(dǎo)致該地區(qū)的云滴數(shù)濃度增加，云滴粒徑減小，降水效率降低，極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度受到一定程度的抑制。而黑碳?xì)馊苣z則主要來源于生物質(zhì)燃燒和不完全燃燒的化石燃料，它具有較強(qiáng)的吸收太陽輻射的能力，能夠使大氣升溫，增強(qiáng)大氣對流，增加降水的可能性。在一些生物質(zhì)燃燒頻繁的地區(qū)，如非洲的部分地區(qū)，黑碳?xì)馊苣z的排放增加了當(dāng)?shù)貥O端降水事件發(fā)生的概率。溫室氣體排放對區(qū)域極端降水的影響也不容忽視。在區(qū)域尺度上，溫室氣體排放導(dǎo)致的氣溫升高會使大氣中的水汽含量增加，為極端降水的形成提供更充足的水汽條件。研究表明，在溫室氣體排放持續(xù)增加的情景下，一些區(qū)域的極端降水事件強(qiáng)度和頻率將顯著增加。在亞洲季風(fēng)區(qū)，隨著溫室氣體濃度的升高，夏季風(fēng)帶來的水汽量增加，極端降水事件的強(qiáng)度和發(fā)生頻率都呈上升趨勢，這將對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理和生態(tài)環(huán)境帶來巨大的挑戰(zhàn)。3.3案例分析：中國區(qū)域極端降水與人類活動關(guān)聯(lián)2020年長江流域的“暴力梅”事件是近年來中國區(qū)域極端降水的典型案例，此次事件持續(xù)時間長、降水強(qiáng)度大，給當(dāng)?shù)貛砹藝?yán)重的洪澇災(zāi)害，深入研究其與人類活動的關(guān)聯(lián)，對于理解中國區(qū)域極端降水變化具有重要意義。2020年夏季，長江流域經(jīng)歷了一次“超長梅雨季”，梅雨季持續(xù)時間長達(dá)62天，與2015年并列為1961年以來歷史最長，期間降水量達(dá)到759.2毫米，較常年偏多1.2倍，這場極端降水事件被網(wǎng)友稱為“超級暴力梅”。如此長時間和高強(qiáng)度的降水，導(dǎo)致長江流域多個地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。許多城市遭遇內(nèi)澇，大量房屋被淹，農(nóng)田被浸泡，基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次洪澇災(zāi)害造成了大量人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了沉重打擊。人類活動在2020年長江流域“暴力梅”事件中扮演了重要角色。從溫室氣體排放角度來看，長期以來，人類大量使用化石燃料，導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度不斷上升。溫室氣體排放的持續(xù)增加使得全球氣候變暖，這在一定程度上為“暴力梅”的形成提供了大尺度的氣候背景。全球氣候變暖導(dǎo)致大氣中水汽含量增加，為極端降水提供了更充足的水汽條件。研究表明，大氣溫度每升高1°C，大氣中的水汽含量大約會增加7%，這使得在“暴力梅”期間，降水的強(qiáng)度和持續(xù)時間都超出了正常范圍。氣溶膠排放的變化也是影響此次極端降水事件的重要因素。2020年正處于新冠肺炎疫情防控期間，人類活動的減少使得氣溶膠排放量出現(xiàn)顯著降低。南京信息工程大學(xué)楊洋教授團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，疫情防控期間，人為排放的減少影響了地氣系統(tǒng)輻射平衡。長三角地區(qū)氣溶膠排放減少，導(dǎo)致我國東部陸地異常升溫。這是因?yàn)闅馊苣z具有反射陽光的作用，其排放減少后，更多的太陽輻射照到地面，使得地面溫度升高。地面溫度的升高增強(qiáng)了華東地區(qū)和南海、菲律賓海之間的大氣環(huán)流，進(jìn)而造成水汽向我國輸送，最終導(dǎo)致長三角地區(qū)降水增加。研究表明，這種人為排放減少的因素對2020年長三角地區(qū)出現(xiàn)的“超級暴力梅”極端天氣具有約三分之一的貢獻(xiàn)。土地利用變化對長江流域的極端降水也產(chǎn)生了影響。隨著城市化進(jìn)程的加速，長江流域的城市面積不斷擴(kuò)大，大量的自然地表被水泥、瀝青等人工材料覆蓋。這種土地利用方式的改變導(dǎo)致城市的熱島效應(yīng)加劇，城市及其周邊地區(qū)的氣溫升高，大氣對流活動增強(qiáng)。城市熱島效應(yīng)還會改變局地的水汽分布和大氣環(huán)流，使得水汽更容易在城市上空聚集，增加了極端降水事件發(fā)生的可能性。在長江流域的一些大城市，如武漢、南京等，由于城市化導(dǎo)致的熱島效應(yīng)，使得這些城市在“暴力梅”期間的降水強(qiáng)度和頻率都高于周邊農(nóng)村地區(qū)。人類活動在2020年長江流域“暴力梅”事件中起到了關(guān)鍵作用，溫室氣體排放、氣溶膠排放變化以及土地利用變化等人類活動因素相互作用，共同影響了此次極端降水事件的發(fā)生和發(fā)展。通過對這一案例的研究，我們可以更深入地了解人類活動對中國區(qū)域極端降水的影響機(jī)制，為未來的極端降水預(yù)測和應(yīng)對提供重要的科學(xué)依據(jù)。四、局地尺度下極端降水變化與人類活動4.1局地極端降水變化特征在局地尺度上，極端降水變化呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，這些特征與局地的地形、地貌以及下墊面性質(zhì)等因素密切相關(guān)。以城市地區(qū)為例，城市化進(jìn)程的加速使得城市的下墊面性質(zhì)發(fā)生了顯著改變，大量的自然地表被水泥、瀝青等人工材料覆蓋，這對局地的極端降水產(chǎn)生了重要影響。從降水強(qiáng)度來看，城市地區(qū)的極端降水強(qiáng)度往往高于周邊農(nóng)村地區(qū)。城市中的高樓大廈林立，增加了地表的粗糙度，使得氣流在城市中流動時受到更多的阻礙，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。這種上升運(yùn)動有利于水汽的凝結(jié)和聚集，從而增加了降水的強(qiáng)度。城市熱島效應(yīng)也會導(dǎo)致城市氣溫升高，大氣中的水汽含量增加，進(jìn)一步為極端降水的形成提供了條件。有研究表明，在一些大城市，如北京、上海等，城市中心區(qū)域的極端降水強(qiáng)度比周邊農(nóng)村地區(qū)高出20%-30%。在2012年北京“7?21”特大暴雨中，城市中心部分地區(qū)的小時降水量超過了100毫米，而周邊農(nóng)村地區(qū)的降水強(qiáng)度相對較小。這場暴雨導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重，許多街道被淹沒，交通癱瘓，大量車輛被困，給城市居民的生活帶來了極大的不便，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在降水頻率方面，城市地區(qū)的極端降水頻率也有增加的趨勢。城市化導(dǎo)致的熱島效應(yīng)和下墊面性質(zhì)改變，使得城市及其周邊地區(qū)的大氣環(huán)流發(fā)生變化，水汽更容易在城市上空聚集，從而增加了極端降水事件發(fā)生的頻率。城市中的工業(yè)排放、交通尾氣等污染物也會影響大氣的物理和化學(xué)性質(zhì)，為降水的形成提供更多的凝結(jié)核，進(jìn)一步增加了降水的可能性。對美國紐約市的研究發(fā)現(xiàn)，隨著城市的發(fā)展，極端降水事件的發(fā)生頻率在過去幾十年里呈現(xiàn)出上升趨勢。在我國，一些快速發(fā)展的城市，如深圳、廣州等，極端降水事件的發(fā)生頻率也有所增加，給城市的排水系統(tǒng)和居民生活帶來了較大的壓力。從降水的時空分布來看，局地極端降水具有明顯的不均勻性。在城市中，不同區(qū)域的極端降水情況存在差異。城市的商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等人口密集和建筑密集的區(qū)域，由于熱島效應(yīng)和下墊面粗糙度的影響，極端降水事件往往更為頻繁和強(qiáng)烈；而城市的公園、綠地等自然區(qū)域，由于其下墊面性質(zhì)相對接近自然狀態(tài)，極端降水的強(qiáng)度和頻率相對較低。在時間上，局地極端降水也呈現(xiàn)出集中性的特點(diǎn)，往往在短時間內(nèi)集中發(fā)生，導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)不堪重負(fù)，引發(fā)城市內(nèi)澇等災(zāi)害。例如，在2021年河南鄭州“7?20”特大暴雨中，降水主要集中在7月20日這一天，部分地區(qū)的降水量在短時間內(nèi)超過了600毫米，這種短時間內(nèi)的高強(qiáng)度降水遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了城市排水系統(tǒng)的承受能力，導(dǎo)致城市大面積內(nèi)澇，許多地鐵、隧道被淹，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。局地尺度下的極端降水變化還受到地形地貌的影響。在山區(qū)，地形的起伏會導(dǎo)致氣流的抬升和下沉，形成獨(dú)特的降水分布。當(dāng)暖濕氣流遇到山脈阻擋時，會被迫抬升，水汽冷卻凝結(jié)，形成降水。在山脈的迎風(fēng)坡，降水往往較為豐富，極端降水事件也更容易發(fā)生；而在山脈的背風(fēng)坡，由于氣流下沉，降水相對較少，極端降水事件的發(fā)生概率也較低。在喜馬拉雅山脈南坡，由于受到來自印度洋暖濕氣流的影響，降水豐富，極端降水事件頻繁發(fā)生；而在山脈北坡，降水相對較少，極端降水事件也較為罕見。山谷地區(qū)由于地形相對低洼，容易匯聚降水，當(dāng)降水強(qiáng)度較大時，也容易引發(fā)洪水等災(zāi)害。在一些山區(qū)的山谷中，一旦遭遇極端降水，河水會迅速上漲，淹沒周邊的村莊和農(nóng)田，對當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。4.2局地人類活動對極端降水的影響機(jī)制城市化是局地人類活動中對極端降水影響較為顯著的因素之一。隨著城市化進(jìn)程的加速，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口密度持續(xù)增加，這一系列變化對局地的氣候和極端降水產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。城市熱島效應(yīng)是城市化影響極端降水的重要機(jī)制之一。城市中大量的水泥、瀝青等人工材料覆蓋，使得地表反照率降低，熱量吸收增加。與自然地表相比，人工材料的比熱容較小，在白天吸收太陽輻射后升溫迅速，而在夜間散熱也較快，這導(dǎo)致城市氣溫明顯高于周邊農(nóng)村地區(qū)，形成城市熱島。城市熱島效應(yīng)會使城市及其周邊地區(qū)的大氣對流活動增強(qiáng)，大氣中的水汽更容易上升凝結(jié)，從而增加了極端降水事件發(fā)生的可能性。研究表明，城市熱島強(qiáng)度每增加1°C，極端降水事件發(fā)生的概率可能增加10%-20%。在一些大城市，如北京、上海等，夏季夜晚城市熱島效應(yīng)明顯，常常會出現(xiàn)局地性的強(qiáng)對流天氣，引發(fā)短時強(qiáng)降水。城市冠層的改變也對極端降水產(chǎn)生影響。城市中的高樓大廈林立，形成了復(fù)雜的城市冠層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)增加了地表的粗糙度，使得氣流在城市中流動時受到更多的阻礙。當(dāng)氣流遇到建筑物時，會發(fā)生繞流、爬升等現(xiàn)象，導(dǎo)致氣流的垂直運(yùn)動增強(qiáng)。這種垂直運(yùn)動有利于水汽的抬升和聚集，為降水的形成提供了動力條件。城市冠層還會改變局地的水汽輸送和擴(kuò)散路徑，使得水汽更容易在城市中聚集，增加了極端降水事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在城市冠層較為復(fù)雜的區(qū)域，極端降水事件的發(fā)生頻率比周邊地區(qū)高出30%-50%。土地利用變化也是局地人類活動影響極端降水的重要方面。隨著人類活動的增加，大量的自然土地被開發(fā)利用，土地利用方式發(fā)生了顯著改變。森林砍伐、濕地開墾、農(nóng)田擴(kuò)張等活動，改變了地表的植被覆蓋和土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響了局地的水文循環(huán)和氣候。森林具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候的重要功能。森林的植被覆蓋可以減少地表徑流，增加土壤水分的入滲，使得水分能夠在土壤中儲存和緩慢釋放。當(dāng)森林被砍伐后，這種調(diào)節(jié)功能喪失，地表徑流增加，土壤水分減少，導(dǎo)致局地的水汽蒸發(fā)量降低，大氣中的水汽含量減少，從而減少了降水的可能性。森林的砍伐還會導(dǎo)致地表粗糙度降低，氣流的垂直運(yùn)動減弱，不利于降水的形成。研究表明，在一些森林砍伐嚴(yán)重的地區(qū)，極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都有所下降。濕地是重要的生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)洪水、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)等多種功能。濕地可以像海綿一樣吸收和儲存大量的降水，減緩洪水的流速和沖擊力。當(dāng)濕地被開墾或破壞后，其調(diào)節(jié)洪水的功能減弱，降水在短時間內(nèi)迅速匯聚，容易引發(fā)洪水和極端降水事件。濕地的破壞還會改變局地的水汽循環(huán)，使得大氣中的水汽含量和分布發(fā)生變化，影響降水的形成和分布。在一些濕地退化嚴(yán)重的地區(qū)，極端降水事件的發(fā)生頻率明顯增加，洪水災(zāi)害的風(fēng)險也隨之增大。農(nóng)田擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)活動也會對局地極端降水產(chǎn)生影響。農(nóng)業(yè)灌溉會增加土壤水分的蒸發(fā)，使得大氣中的水汽含量增加。當(dāng)大氣中的水汽條件和動力條件適宜時，就容易引發(fā)降水。不合理的農(nóng)業(yè)灌溉可能會導(dǎo)致土壤水分過度蒸發(fā)，增加大氣中的水汽含量，從而增加極端降水事件發(fā)生的風(fēng)險。農(nóng)業(yè)活動中的施肥、使用農(nóng)藥等還會改變土壤的性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，影響土壤的水分保持和水汽蒸發(fā)，進(jìn)而影響局地的氣候和極端降水。在一些干旱和半干旱地區(qū)，過度的農(nóng)業(yè)灌溉和不合理的農(nóng)業(yè)活動，導(dǎo)致局地的極端降水事件發(fā)生頻率增加，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。4.3案例分析：城市內(nèi)澇與人類活動的關(guān)系北京“7?21暴雨”是典型的因極端降水引發(fā)城市內(nèi)澇的案例，這場暴雨給城市帶來了巨大的損失，深入剖析其中人類活動的影響，對于理解局地尺度極端降水與人類活動的關(guān)系具有重要意義。2012年7月21日，北京遭遇了一場罕見的特大暴雨。此次暴雨持續(xù)時間長，累計(jì)降雨量大，全市平均降雨量達(dá)到170毫米，最大降雨量出現(xiàn)在房山河北鎮(zhèn)，高達(dá)460毫米，突破了歷史紀(jì)錄。暴雨引發(fā)了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，許多街道變成了一片汪洋，積水深度超過1米，部分地區(qū)甚至達(dá)到2-3米。城市交通全面癱瘓，大量車輛被困在水中，公共交通被迫停運(yùn)。地鐵部分線路也因積水而停運(yùn)，乘客被困在車廂內(nèi)，情況十分危急。許多房屋被淹，居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全受到了嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次暴雨災(zāi)害造成79人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)116.4億元。在這場暴雨災(zāi)害中，人類活動的影響顯著。城市化導(dǎo)致的下墊面變化是重要因素之一。隨著北京城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大量的自然地表被水泥、瀝青等人工材料覆蓋，城市的不透水面積大幅增加。這種下墊面性質(zhì)的改變使得雨水難以滲透到地下，地表徑流迅速增加。研究表明，北京城市建成區(qū)的不透水面積比例已超過70%，相比自然地表，其徑流系數(shù)增加了2-3倍。在“7?21暴雨”中，大量的雨水迅速匯聚，形成了強(qiáng)大的地表徑流，超過了城市排水系統(tǒng)的承受能力，導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重。城市熱島效應(yīng)也在一定程度上加劇了極端降水。北京作為特大城市，人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，能源消耗巨大，城市熱島效應(yīng)明顯。城市熱島效應(yīng)使得城市氣溫高于周邊地區(qū)，大氣對流活動增強(qiáng)，水汽更容易上升凝結(jié)，從而增加了極端降水事件發(fā)生的可能性。在暴雨發(fā)生前，北京城區(qū)的氣溫比周邊郊區(qū)高出3-5°C，這種溫度差異促進(jìn)了大氣的對流運(yùn)動，使得暴雨的強(qiáng)度和持續(xù)時間增加。城市排水系統(tǒng)的不完善也是導(dǎo)致內(nèi)澇嚴(yán)重的重要原因。北京的城市排水系統(tǒng)建設(shè)相對滯后，排水標(biāo)準(zhǔn)較低，無法應(yīng)對如此高強(qiáng)度的降水。許多排水管道管徑較小，排水能力有限，在暴雨來臨時，排水管道很快就被雨水填滿，無法及時排出多余的雨水。部分地區(qū)的排水系統(tǒng)還存在老化、堵塞等問題，進(jìn)一步降低了排水效率。一些老舊小區(qū)的排水管道年久失修，管道內(nèi)淤積了大量的泥沙和雜物，導(dǎo)致排水不暢。城市規(guī)劃中對排水系統(tǒng)的重視程度不夠，缺乏對極端降水情況的充分考慮，也是造成此次內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重的原因之一。北京“7?21暴雨”中，人類活動通過改變下墊面性質(zhì)、加劇城市熱島效應(yīng)以及排水系統(tǒng)不完善等方面，對極端降水引發(fā)的城市內(nèi)澇產(chǎn)生了重要影響。這一案例警示我們，在城市發(fā)展過程中，必須充分考慮人類活動對極端降水的影響，加強(qiáng)城市規(guī)劃和管理，完善城市排水系統(tǒng)，提高城市應(yīng)對極端降水的能力，以減少類似災(zāi)害的發(fā)生。五、不同空間尺度下人類活動檢測歸因方法5.1基于觀測數(shù)據(jù)的分析方法基于觀測數(shù)據(jù)的分析方法是研究極端降水變化及人類活動影響的重要手段，它通過對降水觀測數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，揭示極端降水的變化特征，并探究人類活動在其中所起的作用。在數(shù)據(jù)收集方面，地面氣象站是獲取降水?dāng)?shù)據(jù)的重要來源之一。全球范圍內(nèi)分布著眾多的地面氣象站，它們長期、連續(xù)地記錄著降水量、降水時間等信息。這些數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)檠芯刻峁﹫?jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。中國的地面氣象站網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛，從東部沿海到西部內(nèi)陸，從南方熱帶到北方寒溫帶，都有氣象站分布。通過對這些氣象站數(shù)據(jù)的收集和整理，可以獲取不同地區(qū)、不同時間的降水?dāng)?shù)據(jù)，為研究中國區(qū)域的極端降水變化提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。衛(wèi)星遙感技術(shù)也為降水?dāng)?shù)據(jù)的獲取提供了新的途徑。衛(wèi)星可以從高空對地球表面進(jìn)行大面積的觀測，獲取全球范圍內(nèi)的降水信息。與地面氣象站相比，衛(wèi)星遙感具有觀測范圍廣、時空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)地面氣象站在空間覆蓋上的不足。一些氣象衛(wèi)星，如美國的TRMM（熱帶降雨測量任務(wù)）衛(wèi)星和GPM（全球降水測量計(jì)劃）衛(wèi)星，能夠提供高精度的降水?dāng)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于研究全球尺度的極端降水變化具有重要價值。在數(shù)據(jù)分析過程中，統(tǒng)計(jì)分析方法是常用的手段之一。趨勢分析可以通過計(jì)算極端降水指標(biāo)（如年最大日降水量、強(qiáng)降水日數(shù)等）的變化趨勢，來判斷極端降水是否發(fā)生了顯著變化。利用線性回歸等方法對多年的年最大日降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果回歸系數(shù)為正且顯著，則表明年最大日降水量呈上升趨勢，即極端降水強(qiáng)度在增加。相關(guān)性分析則可以探討極端降水與人類活動相關(guān)因子（如溫室氣體排放、氣溶膠排放等）之間的關(guān)系。通過計(jì)算極端降水指標(biāo)與溫室氣體排放量之間的相關(guān)系數(shù)，如果相關(guān)系數(shù)顯著不為零，則說明兩者之間存在一定的相關(guān)性，進(jìn)而可以進(jìn)一步分析人類活動對極端降水的影響。為了更深入地分析極端降水的時空變化特征，還可以采用一些復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)方法。經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）是一種常用的方法，它可以將降水?dāng)?shù)據(jù)分解為不同的空間模態(tài)和時間系數(shù)，從而揭示降水的主要空間分布特征和時間變化規(guī)律。在研究亞洲季風(fēng)區(qū)極端降水變化時，通過EOF分析可以得到亞洲季風(fēng)區(qū)極端降水的主要空間分布模態(tài)，如南北反相模態(tài)、東西差異模態(tài)等，同時還可以得到每個模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)，從而了解不同模態(tài)隨時間的變化情況。旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（REOF）則是在EOF的基礎(chǔ)上，通過旋轉(zhuǎn)使得空間模態(tài)更加易于解釋。在分析中國區(qū)域極端降水變化時，利用REOF可以將中國區(qū)域劃分為不同的子區(qū)域，每個子區(qū)域具有獨(dú)特的極端降水變化特征，這有助于更細(xì)致地研究不同區(qū)域極端降水的變化規(guī)律及其與人類活動的關(guān)系。在利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行人類活動檢測歸因時，需要考慮到自然因素的干擾。為了分離出人類活動的影響，通常會采用一些對比分析方法。可以選取自然條件相似但人類活動強(qiáng)度不同的地區(qū)進(jìn)行對比分析。在研究城市化對極端降水的影響時，可以選取兩個地理位置相近、氣候條件相似但城市化水平不同的城市，對比它們的極端降水變化特征。如果城市化水平高的城市極端降水事件的頻率和強(qiáng)度明顯高于城市化水平低的城市，且排除了其他自然因素的影響，則可以推斷城市化對極端降水產(chǎn)生了影響。還可以利用長時間序列的觀測數(shù)據(jù)，分析在人類活動強(qiáng)度發(fā)生顯著變化前后極端降水的變化情況。在某地區(qū)大規(guī)模工業(yè)化之前和之后，對比該地區(qū)的極端降水?dāng)?shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)工業(yè)化后極端降水事件明顯增多或強(qiáng)度增強(qiáng)，則可以初步判斷人類活動（工業(yè)化）對極端降水產(chǎn)生了影響。5.2氣候模式模擬與數(shù)據(jù)融合方法氣候模式模擬在極端降水變化的檢測歸因研究中占據(jù)著核心地位，然而，由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性和模式本身的局限性，單純依靠氣候模式模擬結(jié)果往往存在一定的不確定性。為了提高檢測歸因的準(zhǔn)確性，將氣候模式模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合是一種有效的方法。在氣候模式模擬方面，全球氣候模式（GCMs）和區(qū)域氣候模式（RCMs）是常用的工具。GCMs能夠從全球尺度上對氣候系統(tǒng)進(jìn)行模擬，考慮了大氣、海洋、陸地等多個圈層的相互作用，為研究全球極端降水變化提供了重要的框架。在模擬全球極端降水的長期變化趨勢時，GCMs可以通過對大氣環(huán)流、水汽輸送等過程的模擬，預(yù)測不同地區(qū)極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度變化。然而，GCMs的分辨率相對較低，對于一些區(qū)域和局地尺度的氣候特征和極端降水事件的模擬能力有限。RCMs則彌補(bǔ)了GCMs在區(qū)域尺度上的不足。RCMs通常嵌套在GCMs中，利用GCMs提供的大尺度邊界條件，對區(qū)域內(nèi)的氣候過程進(jìn)行更詳細(xì)的模擬。RCMs能夠考慮地形、海陸分布、土地利用等區(qū)域特征對氣候的影響，在模擬區(qū)域極端降水變化時具有更高的精度。在模擬山區(qū)極端降水時，RCMs可以通過對地形的精細(xì)描述，準(zhǔn)確地模擬氣流在地形作用下的抬升和下沉運(yùn)動，從而更好地再現(xiàn)山區(qū)極端降水的分布特征。觀測數(shù)據(jù)是驗(yàn)證和補(bǔ)充氣候模式模擬結(jié)果的重要依據(jù)。地面氣象站觀測數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠提供長時間序列的降水?dāng)?shù)據(jù)，為研究極端降水的變化趨勢和特征提供了基礎(chǔ)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)則具有觀測范圍廣、時空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲取全球范圍內(nèi)的降水信息，尤其是在一些地面觀測站點(diǎn)稀少的地區(qū)，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)發(fā)揮著重要作用。然而，觀測數(shù)據(jù)也存在一定的局限性，地面氣象站觀測數(shù)據(jù)在空間分布上存在不均勻性，部分地區(qū)觀測站點(diǎn)稀少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)代表性不足；衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在反演降水時存在一定的誤差，尤其是對于一些復(fù)雜地形和天氣條件下的降水反演，精度有待提高。為了實(shí)現(xiàn)氣候模式模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的有效融合，通常采用數(shù)據(jù)同化和偏差校正等方法。數(shù)據(jù)同化是將觀測數(shù)據(jù)與模式模擬結(jié)果進(jìn)行融合，通過不斷調(diào)整模式的初始條件和參數(shù)，使模式模擬結(jié)果更接近觀測數(shù)據(jù)。在進(jìn)行極端降水模擬時，可以將衛(wèi)星遙感獲取的降水?dāng)?shù)據(jù)和地面氣象站觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)同化方法融入到氣候模式中，從而提高模式對極端降水的模擬能力。偏差校正則是針對氣候模式模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的偏差，采用統(tǒng)計(jì)方法對模擬結(jié)果進(jìn)行校正?？梢岳脷v史觀測數(shù)據(jù)和模式模擬數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型，對未來的模式模擬結(jié)果進(jìn)行偏差校正，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在研究未來極端降水變化時，對氣候模式模擬的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行偏差校正，能夠使模擬結(jié)果更符合實(shí)際觀測情況，為檢測歸因研究提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。通過將氣候模式模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高對不同空間尺度極端降水變化的檢測歸因能力。這種融合方法能夠更準(zhǔn)確地揭示極端降水變化的特征和趨勢，深入探究人類活動在其中的影響機(jī)制，為應(yīng)對極端降水變化提供更科學(xué)的依據(jù)。5.3檢測歸因方法的對比與選擇在極端降水變化的人類活動檢測歸因研究中，存在多種檢測歸因方法，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的研究場景和數(shù)據(jù)條件。最優(yōu)指紋法是一種廣泛應(yīng)用的檢測歸因方法，它通過將觀測到的氣候信號與氣候模式模擬的自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫信號進(jìn)行對比，來判斷人類活動對氣候的影響。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為準(zhǔn)確地分離出自然因素和人類活動因素對極端降水變化的貢獻(xiàn)，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。在研究全球極端降水變化時，利用最優(yōu)指紋法可以通過分析全球氣候模式模擬的溫室氣體排放、氣溶膠排放等人為強(qiáng)迫信號，以及太陽輻射變化、火山活動等自然強(qiáng)迫信號，與實(shí)際觀測到的極端降水變化進(jìn)行對比，從而確定人類活動在全球極端降水變化中所占的比重。最優(yōu)指紋法也存在一些局限性，它對氣候模式的依賴性較強(qiáng)，模式中物理過程的不確定性以及模式模擬的偏差可能會影響檢測歸因的準(zhǔn)確性。該方法在處理復(fù)雜的氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率時存在一定的困難，可能會導(dǎo)致對人類活動影響的高估或低估。貝葉斯模型平均法是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的檢測歸因方法，它通過對多個氣候模式模擬結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，來降低單個模式的不確定性，提高檢測歸因的可靠性。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分考慮不同氣候模式之間的差異，利用多個模式的信息來提高檢測歸因的準(zhǔn)確性。在研究區(qū)域極端降水變化時，不同的區(qū)域氣候模式對該區(qū)域的極端降水模擬結(jié)果可能存在差異，貝葉斯模型平均法可以根據(jù)每個模式的模擬性能和不確定性，為每個模式分配不同的權(quán)重，然后對多個模式的模擬結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到更準(zhǔn)確的檢測歸因結(jié)果。該方法也存在一些缺點(diǎn)，它需要大量的計(jì)算資源和時間，因?yàn)樾枰獙Χ鄠€模式的模擬結(jié)果進(jìn)行處理和分析。貝葉斯模型平均法對先驗(yàn)概率的設(shè)定較為敏感，不同的先驗(yàn)概率設(shè)定可能會導(dǎo)致不同的檢測歸因結(jié)果，這增加了結(jié)果的不確定性?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的檢測歸因方法近年來得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，它利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)極端降水變化與人類活動因素之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)檢測歸因。該方法的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動能力，能夠處理復(fù)雜的非線性關(guān)系，對于一些難以用傳統(tǒng)物理模型描述的氣候過程，機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠通過數(shù)據(jù)挖掘找到其中的規(guī)律。在研究局地極端降水變化時，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以對城市的氣象觀測數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)與極端降水之間的關(guān)系，從而檢測出人類活動對局地極端降水的影響。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的檢測歸因方法也存在一些問題，它對數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求較高，如果數(shù)據(jù)存在缺失、噪聲等問題，可能會影響模型的訓(xùn)練和預(yù)測效果。機(jī)器學(xué)習(xí)模型的可解釋性相對較差，難以直觀地解釋人類活動是如何影響極端降水變化的，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。在本研究中，選擇最優(yōu)指紋法作為主要的檢測歸因方法，主要基于以下考慮：本研究旨在深入探究不同空間尺度下極端降水變化與人類活動之間的因果關(guān)系，最優(yōu)指紋法能夠較為準(zhǔn)確地分離自然和人為因素的貢獻(xiàn)，符合研究目的。雖然該方法對氣候模式有一定依賴，但通過選用多種經(jīng)過驗(yàn)證的高質(zhì)量氣候模式，并對模式結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的評估和篩選，可以在一定程度上降低模式不確定性帶來的影響。本研究擁有豐富的觀測數(shù)據(jù)和多種氣候模式模擬數(shù)據(jù)，為最優(yōu)指紋法的應(yīng)用提供了充足的數(shù)據(jù)支持。在實(shí)際應(yīng)用中，還將結(jié)合其他方法的優(yōu)點(diǎn)，如利用貝葉斯模型平均法對多個氣候模式結(jié)果進(jìn)行綜合分