200毫米降雨量為什麼巨大？因為它是降維打擊 | 袁嵐峯_風聞

導讀

　　人類平時其實主要是二維的動物，很少面對高度的變化，除了坐電梯等少數時候。而降雨量相當於強迫我們面對高度的變化，把我們從二維世界拉入三維世界，這種從天而降的降維打擊很容易令人措手不及。

　　2021年7月，鄭州發生嚴重水災。其中最重要的一個數據是，20日16時至17時，一個小時的降雨量達到201.9毫米。事後大家都對生命與財產的損失十分痛惜，不過有許多人感到很奇怪：200毫米也就是0.2米，聽起來不是個很大的數值，為什麼會造成這麼大的災害？

　　2021年7月19日20時至20日20時全國降水量預報圖

　　我不是氣象專家，不過我覺得用物理學中的量綱分析，就可以理解這個佯謬。基本的道理在於，降雨量是一種“降維打擊”，因為平時我們很少注意到高度這一維。

　　降雨量的定義非常簡單，百度詞條説它是“從天空降落到地面上的雨水，未經蒸發、滲透、流失而在水平面上單位面積積聚的水層深度”。請注意它的量綱是長度，一般用多少毫米來表示。換句話説，降雨量等於一個地區降雨的體積除以這個地區的面積。

　　上面這些定義都很容易理解，但下面有一點不在定義裏的現實情況，我覺得非常關鍵：一個地區的地面並不是完全平坦的。像鄭州這麼大的城市，肯定是有些地方高有些地方低，比如説，地鐵肯定是地勢最低的。這樣一來，降雨就不是在全市範圍內平均分佈，而是集中到地勢低的地方。那麼這些地方的水位，就遠遠不只是200毫米了，而是可以比它高好幾倍，高出的倍數等於全市的面積與地勢低的地區面積之比。這就是為什麼，200毫米這個聽着不大的數值足以導致災難。

　　現在是不是恍然大悟了？再延伸思考一下，人類平時其實主要是二維的動物，很少面對高度的變化，除了坐電梯等少數時候。而降雨量相當於強迫我們面對高度的變化，把我們從二維世界拉入三維世界，這種從天而降的降維打擊很容易令人措手不及。

　　有一個戲劇性的例子，來自2018年上映的電影《碟中諜6》。湯姆·克魯斯飾演的特工伊森·亨特，在他的搭檔班吉·鄧恩的GPS指揮下，追趕他的敵人。班吉指揮伊森左轉，伊森的左面卻是一扇玻璃窗。伊森只好抓起一把椅子砸碎玻璃，站在窗口。班吉問：你在等什麼？伊森回答：我正要跳出窗户！班吉才發現自己是在二維模式。班吉説了聲“Good luck”，然後伊森在眾目睽睽下跳窗而出，摔得七葷八素。這就是二維動物進入三維時的不適！

　　你在等什麼？我正要跳出窗户！

　　不好意思，我沒調成3D

　　有一種常見的解釋是，把面積乘以降雨量算出體積，然後説，你看這體積有多大。例如説一畝地面積是666.7平方米，1毫米降雨量就相當於往一畝地澆了0.6667立方米即666.7公斤的水。又如説鄭州的面積是7500平方公里，一小時200毫米的降雨量就是15億立方米，相當於在一小時內把150個西湖的水灌進了鄭州。

　　西湖的水我的淚

　　這些計算都是正確的，不過其實並不足以解決問題。因為它們只是説明了降雨的總量巨大，但別忘了地面的面積也巨大，兩者相除仍然是那個看起來不是很大的降雨量。只有考慮到地勢的不均勻性，才會理解為什麼看起來不大的降雨量已經足以導致災難。

　　實際上，中國氣象局的標準是：24小時降雨量小於10毫米的叫做小雨，10至25毫米的叫做中雨，25至50毫米的叫做大雨，50至100毫米的叫做暴雨，100至250毫米的叫做大暴雨，250毫米以上的叫做特大暴雨。鄭州在19日20時至20日20時的一天內降雨量552.5毫米，所以屬於特大暴雨。

　　中國氣象局發佈的降雨過程等級

　　從17日20時至20日20時，鄭州三天的降雨量是617.1毫米。而鄭州平時全年的降雨量平均值為640.8毫米，所以在這三天的時間裏，幾乎下了平時一年的雨！

　　中國年降水量分佈

　　下一個容易想到的問題是：這次氣象部門有沒有失職？

　　基本的回答是：沒有失職。例如中國氣象局7月16日曾向相關部門報送重大氣象信息專報，滾動發佈6期決策氣象服務材料。河南省氣象局7月15日報送的《重要天氣報告》指出，“17日到19日我省北部、中東部有暴雨大暴雨、局部特大暴雨，需加強防範”（https://view.inews.qq.com/a/20210721A061K600）。

　　在細節層面，最初預報暴雨中心是焦作，焦作為此如臨大敵，結果暴雨中心卻成了鄭州，誤差有百多公里。不過這種量級的誤差完全在正常範圍之內，不能求全責備。因此，我們可以批評河南省、鄭州市在預警面前響應不及時，但不應該批評氣象部門沒有發出預警。

　　更深入的問題是：人類當前天氣預報的水平如何？對此剛好有一個回答，來自2019年曾慶存院士獲得國家最高科學技術獎時我諮詢專家朋友後的評論（壞掉的機器人怎麼辦？機器人：沒事，我自己修 | 科技袁周慮第39期）。曾慶存先生正是因為天氣預報獲獎的，他首次成功實現原始方程數值天氣預報，創立氣象衞星大氣紅外遙感系統理論和定量反演方法，為氣象衞星遙感做出了開創性貢獻。下面來看我當時的評論。

　　曾慶存

　　每當你聽到這個天氣預報的音樂（《漁舟唱晚》），你就應該感謝曾慶存先生。

　　《自然》雜誌盛讚數值天氣預報的發展是一場靜悄悄的革命，世界氣象組織將數值天氣預報稱為20世紀最偉大的科技和社會進步之一，深刻改變了世界。以前靠天氣圖和預報員的經驗，有效性和精確度有限。現在可以在7天內達到很高的水準，例如登陸中國的颱風從來沒有漏過，減少的損失不可估量。雖然大家還在吐槽天氣預報，但正是因為進步了，才讓大家有可吐槽的。

　　數值天氣預報的難點主要有兩點：1）大氣運動方程組裏尺度混雜，從幾百米到上萬公里的系統共用一套流體力學方程組，所以非常容易出現不穩定；2）運算量極其巨大，即使超級計算機發展到E級，數值預報系統只要稍微調整下分辨率等，就很快讓超算跟不上。所以我國50年代後期開始發展數值天氣預報實驗時，用的都是簡化版本。

　　曾先生的貢獻在於，推動了用原始方程組進行積分運算，並且對數值預報的理論和技術進行了深入的分析。他是國內外公認的數值天氣預報的鼻祖之一。簡而言之，對國內的數值天氣預報，他做了0到1的工作。

　　上面是人人都能聽懂的，下面用專業術語深入解釋一下。曾慶存提出了數值積分的“半隱式差分法”。顯式、隱式和半隱式是不同的差分方案，各有優缺點。顯式算得快但容易不穩定，隱式穩定但算得慢，半隱式穩定又比較快，是比較好的計算方案。半隱式差分法至今仍在國際上廣泛使用，是數值天氣預報的核心技術之一。

　　瞭解了天氣預報之後，下一個容易想到的問題是：能不能用人工方法干預天氣，比如説讓雨分批下，以免短時間內下雨太多？

　　回答是：至少現在還不能。這種思路叫做“人工影響天氣”，確實是近年來發展比較快的一個領域。但只有在滿足一定條件的時候，我們才能對天氣略微施加一些影響，例如用碘化銀人工降雨（河南特大暴雨如何形成？人工干預讓暴雨分批下可行嗎？| 魏科）。

　　人工降雨 圖片來源：中國天氣網青海站

　　但對這次的大暴雨，我們就基本上無能為力。因為它的時間尺度持續好幾天，空間尺度持續上百公里，這樣的大規模降水既不能用人工消除，也不能把它搬走。

　　另一個例子是，特朗普曾經提議用核爆來阻止颶風，然後中國氣象局發了一條微博，解讀這種不自量力的想法（https://weibo.com/2117508734/I482I7qgT）：“一個成熟颱風釋放出來的熱量，相當於每20分鐘引爆一顆1千萬噸當量的核彈。颱風每小時釋放的熱量等於2600多顆廣島原子彈爆炸的能量。相比於颱風的能量，原子彈要弱太多，即便是向颱風眼投放核彈也無濟於事。”

　　我在講核武器的時候，就經常看到有觀眾以為核武器能毀滅地球，其實這大錯特錯。核武器最多隻能通過核污染毀滅人類，離毀滅地球還差得太多。許多人過高地估計了人類的力量，過低地估計了大自然的力量。實際情況是，人類在大自然面前還十分渺小。

　　不久前，德國也發生了嚴重的洪災，死亡一百多人。不少人在因為這些嘲諷德國或者嘲諷中國，其實都大可不必。人類是一個整體，無論在哪裏發生災難都是應該哀悼的，我們應該懂得這樣的大格局、大圖景。

　　知乎網友@甄昊元 的《暴雨自救手冊》

　　近年來氣候災害頻發，顯然跟全球氣候變化有關。許多人把氣候變化僅僅理解為全球變暖，然後每當遇到一次寒冷天氣就質疑氣候變化是騙局，其實這都是誤解。全球平均而言確實在變暖，但並不是每次氣象事件都是變暖。氣候變化的普遍後果是熱的更熱，冷的更冷，乾的更幹，濕的更濕，極端天氣增多。這種情況在我國可能更為突出，因為我國是一個典型的季風區，降水主要出現在夏季，不下則已，一下基本上都是暴雨，所以我們會看到更多的暴雨出現。

　　2019年《氣候變化綠皮書》統計了近三四十年間自然災害發生的情況，發現1980至2018年間，全球自然災害事件（包括地質、天氣、水文和氣候四類災害）發生次數從1980年的249次增加到2018年的848次。其中，2018年發生次數達到歷年之最（河南特大暴雨親歷者：我是研究氣候的，都沒有想到……）。這足以讓我們警醒。

　　我的朋友、中國科學院大氣物理研究所副研究員魏科博士指出，地球的氣候已經跟以前不一樣了，我們不能依然用以前的那些措施和方法對待它。我們需要從基礎設施建設、防災減災意識的培養、災害發生之後如何響應等多方面做出改變，把災害看成一個鏈條，從災害發生前、發生時和發生後來整體應對，才能達到最大的防災減災效果（河南特大暴雨如何形成？人工干預讓暴雨分批下可行嗎？| 魏科）。

　　我來總結一下。人類當前雖然還沒有飛越星辰大海的能力，卻已經有了自我毀滅的能力。因此，悲天憫人，反思自己，積極採取防災減災、碳達峯、碳中和等行動，才是正確的態度。這正是人類命運共同體的精神。

　　碳中和的概念 圖片來源：丁仲禮院士