“百年一遇”的極端事件為什麼會頻繁發生？丨大氣悟理_風聞

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裏發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

“百年一遇”是我們描述極端事件強度的一個形容詞，給我們的第一印象是——“一般不使用，一旦使用就是大災難”，然而有細心的讀者可能會發現，“百年一遇”近幾年在新聞媒體中出現的頻率好像越來越高了，前幾年不是剛報道了“百年一遇”嗎？怎麼沒過幾年又 “百年一遇”了？

什麼是“百年一遇”的事件？

“百年一遇”極端事件發生後，常常會給大家帶來一種“虛假的安全感”。比如剛剛經歷的2020年夏季長江中下游流域（包括湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江、上海等省市）破紀錄的洪澇，被定義為“50年一遇”的災害。雖然當時給我們帶來了很多經濟財產損失，但從另一個角度看，長江流域至少半個世紀內不會再遭受這種強度的洪澇了。

2020年夏季長江流域破紀錄的洪澇迫使安徽歙縣高考延期

等等，讓我們回想一下，早在2016年夏季長江流域就已經遭受過“50年一遇”的洪澇災害，怎麼去年夏季又有洪澇了呢？沒錯，因為 “N年一遇”並不是從字面上理解的“每隔N年才會發生一次”，而是“平均每N年發生一次”。如“百年一遇”，則是“平均每100年出現一次”，換一種説法則是：這種極端事件每年發生的可能性是1%。今年極端事件的發生，對明年極端事件是否發生不會產生任何影響。這就好比買彩票，中獎率是1%，你刮開的第一張彩票中不中獎對下一張的中獎概率不會產生影響。

“百年一遇”概念常用於工程的風險評估，但用於描述極端災害事件時，常常會使人望文生義產生誤解（圖片來源：舒樂樂）

如何計算“百年一遇”的事件？

我國氣象觀測網自上世紀50年代開始組建，站點觀測資料的時間跨度至今也不過70年，那些“百年一遇”、甚至“千年一遇”的極端事件到底是如何計算出來的呢？

主要有兩種方法。一是利用樹木年輪、石筍、黃土、冰芯等古氣候代用資料將觀測資料的長度拉長（如由站點資料的70年拉長至距今上千年）。我們以樹輪為例，某一年降水充沛、氣温較高，樹輪可能就會長得更寬一些，反之則相反。利用樹木的這種特性，就可以推算出我國某地近千年降水、氣温的演變。

樹輪承載着歲月的痕跡，向我們訴説過去的故事（圖片來源：大科技雜誌社）

二是利用統計學思想。當我們隨機採集的樣本足夠多時，就可以認為這些樣本和整體服從同一分佈，樣本就能近似反映整體的統計特徵。因此，我們就可以通過我國過去幾十年的觀測樣本數據，推測出極端事件整體分佈的具體形態，最終反求出“百年一遇”、乃至“千年一遇”極端事件的閾值。閾值確定了以後，今後發生的等於或超過這個閾值的事件都會被稱作該閾值對應的“N年一遇”事件。

從2003年至2010年，三峽大壩的防洪能力越來越差？當然不是！圖中“萬年一遇”、“千年一遇”標準防護的對象為三峽大壩本身，而“百年一遇”的標準，針對的則是大壩下游河段的防洪。它們是平行存在的，是針對不同對象的防洪指標。（圖片來源於網絡）

為什麼“百年一遇”的事件會頻繁發生？

 “百年一遇”極端事件頻繁發生的原因可能有以下四種。首先是因為概念上的誤解。比如今年發生了一個“十年一遇”的乾旱事件，那它明年發生的概率其實還是10%，5年內發生的概率會有41%（1-0.9^5）。這和大家所認為的該事件在10年內不會再發生的心理預期有很大偏差，進而導致了大家認為“N年一遇”的極端事件發生得很頻繁。

“百年一遇”事件在10年內發生的概率是10%，在100年內發生的概率是63%（圖片來源：NOAA，本文作者翻譯）

第二點原因和地區的選取有關。對於極端事件的定義是聚焦於一個區域的，這是因為一些中小尺度天氣過程，如一次強的雷暴，或者冷鋒過程，作為影響極端事件的主要因素，其影響範圍都很小。以北京為例，將其分為100個區域，假設每個區域間發生極端事件的可能性互相獨立，那北京每年至少有一個區域發生“百年一遇”極端事件的可能性就有63%（1-0.99^100），這就是一個非常高的概率了。回到我們上面買彩票的例子，一個人買彩票中獎的概率很低，但如果有100個人買彩票，那其中至少有一個人中獎的概率就會高很多。因此，大家每隔幾年可能就能在新聞媒體上看見，“北京”又發生“百年一遇”的極端事件了。

第三則是與極端指數的選取有關，比如一次強雷暴過境，半小時內降水強度可能會達到“百年一遇”事件的標準，但一小時內降水強度很可能只能達到“50年一遇”事件的標準。出於不同的研究需要，國際組織ETCCDI定義了27個描述極端事件的核心指數。連續發生的兩次“N年一遇”暴雨事件，可能一個選取的指數是Rx1day（月最大單日降水），另一個選取的指數是Rx5day（月最大連續5日降水）。正如我們不能“拋開劑量談毒性”一樣，今後大家再看到“N年一遇”極端事件時，一定得了解它所選取的指數和定義的時間段。

美國得克薩斯州休斯敦市在2015-17年連續三年遭受了三次“500年一遇”的大洪水，（底圖來源：紐約時報，本文作者翻譯）

除此之外，還有一個真正能使“N年一遇”極端事件頻繁發生的原因，且每個人都耳熟能詳，那就是全球變暖。全球變暖會加劇氣候系統的不穩定性，使得突破“N年一遇”極端事件閾值的可能性大幅提高。全球變暖背景下，“N年一遇”也不再僅是一個統計學問題。比如剛剛過去的2020/21年冬季，12月-1月破紀錄的低温寒潮與2月破紀錄的高温熱浪接連出現，全球變暖可能在其中扮演着重要角色（一次又一次的寒潮，結果是一個暖冬？| 世界氣象日）。中科院大氣所鄭飛研究員近日也在 Advances in Atmospheric Sciences 上發文指出，全球變暖背景下，北極較赤道增暖更快，導致兩者温度對比減弱，進一步引起北半球中高緯大氣環流的持續性異常，進而在2020/21年前冬給我國帶來了嚴寒天氣。

不僅是冷冬，全球變暖也使得極端乾旱出現得愈加頻繁。中國氣象科學研究院馬雙梅博士與祝從文研究員去年同樣於《Advances in Atmospheric Sciences》上發文指出，2019年伏秋長江中下游地區遭遇了近60年來最嚴重的極端乾旱事件，而全球增暖能顯著提高該類事件的發生概率。除了極端乾旱以外，全球變暖還可能引起更為頻繁的洪澇，這是因為全球平均温度每升高1°C，大氣水汽含量就會增加7%，而全球平均降水會增加2%（受全球變暖背景下大氣環流減弱的影響，增加的水汽無法完全轉換為降水）。

氣候模式模擬的逐日降水變化顯示，如果全球平均温度升高3°C，絕大多數陸地區域將會遭受更多的極端暴雨（圖片來源：Nature）

不過，大家也無需太過擔心，雖然極端事件愈加頻繁發生，但我國應對災害的能力也在逐年提升。大氣所魏科副研究員與成都山地所歐陽朝軍研究員於Innovation 上發表的一篇研究顯示，儘管2020年夏季長江流域的大洪水較之1998年更強，但其造成的災害規模遠低於1998年或其他極端年份，這主要是由於近20年來我國大型水利工程的建設以及生態系統修復等措施的實施。

2020年梅雨季，與長江流域洪澇災害相關的有利及不利因子（圖片來源：Wei et al. 2020）

但是，要想從根本上減少極端事件的頻繁發生，可能還是得努力控制全球變暖，這不僅取決於國家層面，更和我們每個個體息息相關。隨手關燈、自備購物袋等，這些看似微小的舉動，長期來看，説不定也能對減少“百年一遇”事件的頻繁發生產生深遠的影響呢。

參考文獻：

1.Ma, S. M., C. W. Zhu, and J. Liu, 2020: Combined impacts of warm central equatorial Pacific sea surface temperatures and anthropogenic warming on the 2019 severe drought in East China. Adv. Atmos. Sci., 37(11), 1149−1163, https://doi.org/10.1007/s00376-020-0077-8

2.Wei, K., Ouyang, C., Duan, H., Li, Y., & Zhou, S, 2020: Reflections on the catastrophic 2020 yangtze river basin flooding in southern china. The Innovation, 100038.

3.Zheng, F., and Coauthors, 2021: The 2020/21 extremely cold winter in China influenced by the synergistic effect of La Niña and warm Arctic. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1033-y

來源：中國科學院大氣物理研究所