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今年以來，各地極端天氣事件頻發。
3月31日，江西南昌遭遇雷暴、強降雨、冰雹、極端大風等強對流天氣，致4人死亡、10余人受傷，南昌市多處基礎設施受損嚴重。4月27日，廣州遭遇局地冰雹和龍卷風，強龍卷造成5人死亡、33人受傷。5月21日，一架從倫敦飛往新加坡的客機遭遇嚴重雷暴湍流，造成1人死亡、數十人受傷。7月5日，山東省菏澤市東明縣、鄄城縣等地突發強對流龍卷風自然災害，造成5人死亡、88人受傷。8月11日，江蘇常州經開區橫山橋鎮遭遇強對流天氣，雷擊致公園涼亭坍塌，6人遇難。8月24日，甘肅河西大部遭遇強對流天氣，導致2人死亡。
這些極端天氣事件背後都指向一個共同的原因——強對流天氣。
根據國家應急管理部7月發布的2024年上半年全國自然災害情況，上半年，全國共出現22次區域性短時強降雨、雷暴大風和冰雹等強對流天氣過程，造成28省（區、市）900余個縣（區）受災。1–3月，我國大部分地區強對流偏少偏弱；4月份後，進入強對流高發期，且類型復雜、強度極端。北方以大風、冰雹為主，農作物及部分設施農業受損較重；南方以短時強降雨、雷暴大風等強對流天氣為主[1]。
上半年，風雹災害共造成全國522.3萬人次不同程度受災，因災死亡56人，農作物受災面積657.9千公頃，直接經濟損失85.9億元」[1]。同時，上半年全國平均降水量316.9毫米，較常年同期偏多13.9%。與往年相比，今年強降雨過程頻繁、強度大、極端性明顯，南方多地重復受災。
奧地利科學技術研究所鮑嘉偉博士長期從事極端降水和對流關系研究，他向《知識分子》介紹說，春季和夏季的氣象條件非常有利於強對流天氣的發生，是強對流的高發季節。
氣象上有一個專有名詞——對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）。該值是衡量大氣潛在不穩定性、判斷對流是否容易發生的重要指標之一。CAPE的數值越高，表明對流活動越強烈，發生強對流天氣的可能性越大。
總體而言，春季和夏季是CAPE值較高的季節。
春季由於氣溫由冷轉暖，地面和低層大氣的升溫速度較快，而高層大氣的溫度回升較慢，形成了顯著的垂直溫度梯度，這種溫差容易造成大氣不穩定；另外春季常有冷暖氣團交匯，冷空氣南下與暖濕空氣相遇，容易在鋒面系統或低壓槽附近形成強對流。
而在夏季，強烈的太陽輻射加熱地表導致地面溫度高，地表空氣被加熱，大氣變得不穩定從而快速擡升。此外由於夏季空氣中的水汽含量大，水汽在擡升過程中凝結釋放潛熱，促使大氣變得更加不穩定，從而形成強對流天氣。
為什麽今年強對流天氣這麽頻發？
根據中央氣象臺氣象專家的分析，「從春季情況看，今年影響我國的冷暖空氣都異常活躍且實力相當，特別是在西南地區東部、江南、華南一帶長期維持、反復拉鋸，給強對流天氣多輪次發生提供了比較有利的條件」[2]。
從氣候的大背景來看，世界氣象組織的數據顯示，2023-2024年的厄爾尼諾是有記錄以來最強的五次厄爾尼諾事件之一，雖然2024年上半年厄爾尼諾強度減弱，但仍對全球氣候產生持續影響，增加了某些地區發生極端天氣和氣候事件的可能性[3]。中央氣象臺氣象專家也表示，「今年是厄爾尼諾形成次年，通常強對流相對活躍」[2]。
* 強對流預報的痛點
強對流天氣的研究難點在於，傳統氣候數值模式的時空精度相較於對流的尺度較低，模式無法直接通過數值方法求解對流物理過程。鮑嘉偉介紹道，傳統的全球氣候模式分辨率通常在100公裏左右，對流的空間尺度一般在幾十公裏左右，有的僅有幾公裏。簡單來說，如果把氣候模式的格點比喻為漁網，對流過程比喻為小魚，漁網的網格現在太大，無法捕捉到小魚。
而目前解決這一問題的方法是，將「對流參數化方案」引入數值模式，即基於已知的物理理論結合氣象觀測數據，選取經驗參數表達對流過程。簡單來說，就是通過一些經驗值，人為判斷漁網的網格裏是否有小魚。
但是，對流參數化方案本身存在局限性——追求簡單高效的同時卻省略了部分復雜物理過程，因此會導致模式模擬結果不準確。
德國馬克斯-普朗克氣象研究所研究員李超進一步解釋說，數值天氣預報模式和觀測數據的時空分辨率也會影響準確性。
一方面，數值天氣預報本身存在一定誤差。
天氣預報模型基於物理原理和數值方法構建，這些模型在描述大氣運動、湍流、輻射傳輸等方面存在一定的誤差。模型的時空分辨率也會影響預報的準確性，高分辨率模型雖能更精細地模擬中小尺度對流天氣事件，但相應的計算成本也更高。
另一方面，觀測數據的局限性。
天氣預報模型需要初始場數據作為輸入，這些數據來自氣象觀測站、衛星、雷達等設備，這意味著，將這些不同時空尺度和不同來源的觀測數據融合到天氣數值預報模型中，就是一個復雜的問題；而觀測數據還可能不準確或缺失。
例如，氣象觀測資料的時間和空間精度可能大於對流的尺度，強對流天氣事件通常在短時間內（幾分鐘到幾小時）迅速發展和消散。這種快速變化性使得實時監測相當棘手。
此外，處理原始數據的過程往往存在誤差，例如，處理原始的雷達信號，需要將其經過二次加工成為雷達反演產品之後才能作為初始值，提供給數值天氣預報模式。而反演方法本身存在誤差，則會導致雷達反演產品不準確，進而導致天氣預報失準。
南京氣象科技創新研究院副研究員朱壽鵬告訴《知識分子》，氣象觀測數據的完備對於提高交通氣象預報預警能力，進而增強交通安全，起到非常關鍵的作用。
朱壽鵬提到，以江蘇省為例，自2011年起，江蘇省氣象局逐漸建成了覆蓋全省高速公路的304個交通氣象站，密度達10-15公裏，同時結合周邊氣象觀測站、雷達、衛星等探測設備，構建了多維度的高速公路交通氣象觀測系統。相比之下，航空氣象觀測則較為有限，通常只能依靠雷達和衛星數據。因此，針對性的航空氣象觀測與預報（如雷暴湍流、晴空湍流等）均面臨諸多挑戰。
國際範圍內，提高強對流天氣預報準確率主要有兩個方向。
一是提高數值天氣預報模式的時空尺度精度（即縮小漁網的網格），這需要超級計算機的支持——既要有強大的計算能力，又要具備存儲大量數據的能力，同時還需要處理非常復雜的代碼調試工作。
二是改進目前采用的對流參數化方案（即提高人為判斷漁網網格裏是否有小魚的準確性）。要實現這一點，需要氣象學者深入研究強對流的物理機製。此外，將以物理框架為基礎的傳統對流參數化方案與機器學習方法相結合，也是目前的一個熱門研究方向。
自2015年，德國氣象局開發並運行數值天氣預報ICON模式，用於全球和區域預報。ICON的全球網格分辨率為13公裏，歐洲區域預報分辨率為6.4公裏，針對德國、比荷盧三國、瑞士、奧地利和其他領國的部分地區的區域模式的分辨率為2.2公裏，可以很好地預報強對流天氣，例如超級單體和多單體，飈線，中尺度對流復合體[4]。
朱壽鵬介紹，2023年5月底，隨著中國氣象局全球同化預報系統正式業務運行，全球預報空間分辨率從25公裏提升到12.5公裏。
* 直擊技術痛點之外：公眾準確接收預警至關重要
氣象部門及時、準確發出預警之外，關鍵還在於公眾能夠準確接收並理解預警信息，采取相應防護措施。
以2021年德國西部地區洪災為例，盡管德國氣象局連續多天發布洪水預警，但沒有引起當地相關政府部門足夠重視。且暴雨發生在夜間，公眾警惕性較低，最終導致了嚴重傷亡。
李超認為，氣象部門傳達的數字信息對於公眾來說可能過於抽象。例如，「每小時降雨量達到100毫米」，公眾來很難理解其究竟是多少，但是如果告訴大家「相當於一個小時內，整片區域都降下了10厘米的水，如果路面不平整均勻，水往低處流，地勢稍低的地方會形成齊腰深的水」，大家就能清晰地理解這個數字的含義。
另外，「公眾更關註的信息是哪些地方，在什麽時候會面臨洪澇的風險。這些信息也需要通過預警傳達」李超說。
鮑嘉偉介紹，目前國際上對雷暴並沒有一個統一的定義標準，各國的預警標準也不同。例如，根據澳洲氣象局的規定，如果氣象預報預計雷暴會產生以下任何一種情況：大冰雹（直徑2厘米），破壞性陣風（時速90公裏以上），龍卷風，可能導致山洪的暴雨，氣象局則會發出嚴重雷暴預警[5]。德國氣象局對嚴重雷暴預警的定義相對模糊：有冰雹、大雨或颶風般的陣風，可能有龍卷風的危險[6]。
各國氣象部門普遍采用顏色編碼的預警信號（類似於交通信號燈）向公眾傳達氣象災害預警信息。
我國的氣象災害預警信號的依據氣象災害可能造成的危害程度、緊急程度和發展態勢，一般劃分為四級，並用四種顏色表示——藍色（一般預警）、黃色（較重預警）、橙色（嚴重預警）和紅色（特別嚴重預警）。根據不同的氣象現象，氣象部門發布不同類型的預警，包括雷暴預警、強降雨預警、冰雹預警、大風預警。由於強對流天氣往往伴隨著大風，強降雨和冰雹等多種天氣現象，氣象局通常會同時發布多個不同天氣現象的預警。
雖然預警顏色可以傳達不同程度的氣象災害信息，但是每種顏色具體對應的防禦措施，人們可能並不是很清楚。德國氣象局將災害預警信號分為四級——黃色（預警）、橙色（重要預警）、紅色（嚴重預警）和紫色（極端嚴重預警），每小時多次更新惡劣天氣警告圖。
實際操作中氣象部門發現，很多人看到惡劣天氣警告圖時並不理解黃色到紫色分別代表的具體含義，因此氣象預警的科普工作顯得尤為重要。在德國，氣象局預計某一地區會出現雷暴天氣時，會在雷暴發生前兩到三個小時發布「惡劣天氣預報」。由於此時還無法在空間和時間上精確定位雷暴，一些被警報的地區可能並不會下雨，這種預警也可以簡單理解為 「知道一鍋水正在變熱，但是不知道第一個泡從哪裏升起」。之後，根據雷暴的發展情況，氣象部門會及時更新發布預警：
一級預警（黃色）：從這個預警級別開始，氣象部門能夠更好地對雷暴進行時間和空間上的定位。預計會有雷暴和陣風的區域會在地圖上用黃色標記。
二級預警（橙色）：這個階段則表明出現強雷暴、陣風、大雨、連續降雨等天氣情況。
三級預警（紅色）：從這個級別開始，氣象部門建議民眾不外出
四級預警（紫紅色）：最後這個警告級別則表明當前風暴很可能危及生命和造成重大損失。
圖1德國氣象局發布強風暴災害預警：通過不同顏色編碼對德國巴伐利亞南部的強風暴進行分級預警，並附有文字描述，詳細說明強風暴將要發生區域的降雨量、風速以及冰雹情況。圖源[7]
強對流湍流加劇，未來飛行或將更加顛簸？
5月21日，新加坡航空一架客機遭遇湍流，備降曼谷機場，事故導致1人死亡、數十人受傷，引發人們對大氣湍流威脅飛行安全的廣泛討論。
* 事故因何而起？
氣象界主要有兩種觀點：英國雷丁大學氣象系教授保羅·威廉姆斯認為，事故有可能是晴空湍流導致[8]；部分學者則認為，飛機是遭遇了強對流伴隨的上升氣流導致的湍流[9]。
歐洲空間局氣象專家西蒙·普勞德則認為，從衛星圖看，客機當時位於一個正處於快速發展的雷暴單體的上升氣流附近。他還提到，「商業航空中大多數與湍流相關的嚴重事故都與雷暴湍流有關，而非晴空湍流」[9]。
學者的爭議點在於其不同的產生機製。客機巡航位於對流層中上部和平流層下部，該高度正是大氣湍流的多發區域[10]，大氣湍流主要分為三種不同類型：晴空湍流（CAT，Clean air turbulence），對流湍流（CIT，convectively-induced turbulence）以及山波湍流（MWT，mountain wave turbulence）。
晴空湍流，顧名思義，通常發生在晴天（75%左右[11]），周圍沒有明顯雲層和可見的天氣現象[12]，飛行員難以預先察覺。晴空湍流通常發生在4500米以上，主要是不同空氣層之間的速度差異（風切變）引起的空氣擾動。
對流湍流則是指由對流引起的空氣擾動。雷暴湍流屬於對流湍流的一種，這種湍流往往發生在雷暴的上下和周圍區域，伴隨著劇烈的垂直或水平風速變化，會導致飛機過度受力或失速，對飛機飛行構成極大威脅。
山波湍流是由地形（山脊）引起的湍流，往往出現在山脊下風處。
圖2 晴空湍流，雷暴湍流和山波湍流的形成機制。---圖源：pilotinstitutep[13]
美國宇航局曾統計1987-2008年864起航空安全事故的成因，結果顯示，對流湍流和雷暴是影響飛行航空安全的主要大氣因素：156起（18.1%）事故原因為遭遇對流湍流，177 起（20.5%）事故遭遇雷暴（事故報告未提及湍流），113起（13.1%）事故遭遇晴空湍流， 68起（7.9%）事故受山波湍流影響[14]。
圖3西蒙·普勞德在社交媒體上引用日本氣象雷達圖，顯示7點50分左右飛機行駛路線上緬甸上空有雷暴單體形成，圖源[9]
新航事故發生一周後，新加坡交通安全調查局公布了事故初步調查公告[15]。
其中第三點指出，「新航SQ321在2024年5月20日從倫敦出發，湍流事件發生前飛行正常。
2024年5月21日07:49:21(UTC)，飛機正在緬甸南部上空以37,000英尺的高度飛行，可能飛經一個正在形成的對流活動區域」，公告同時提到，「大約在飛機輕微震動開始的同時，記錄到飛機高度和速度不受指令地增加，這很可能是由於飛機受到上升氣流的作用（即空氣向上運動）」。
盡管調查仍在進行，但是目前的官方結論支持了普勞德關於「雷暴湍流」的推斷。
值得注意的是，不同大氣湍流的預報預警難度有所不同。
晴空湍流具有「隱形」的特點，即無法被氣象雷達或衛星捕捉到，非常難預測，目前仍存在相當大的技術空白；相對而言，雷暴對流預測則較容易。
理論上，雷暴可以通過雷達或氣象衛星等監測到，飛行員在預飛行規劃中會考慮避開雷暴區域；但是在實際飛行中，由於雷暴過程發展迅猛，飛機可能無法避免途徑雷暴發生區域，從而遭遇強對流和雷暴湍流。
研究指出，全球氣候變暖正增加晴空湍流、對流湍流和山波湍流的強度，這可能導致未來航班遇到更多顛簸。學者們強調，必須加強對氣候變化影響下航空湍流全球性變化的研究，這有助於我們製定出更優、更安全的飛行策略來應對未來的挑戰[10,12,16]。
* 警報已經拉響
氣候變暖導致強對流將更加頻發，強度更大？
鮑嘉偉介紹道，對流強度更大和頻率更高是兩個不同的概念。他提到，目前還沒有關於氣候變化導致對流上升氣流的物理理論，但是數值模式模擬結果表明，全球氣候變暖會導致極端上升氣流強度增加。
此外，氣候變暖為強對流創造了更有利的條件——目前的理論研究、觀測數據和數值模擬結果都表明，全球變暖會導致對流有效位能（CAPE）增加[17]。
原因是全球變暖導致地表變熱，並通過蒸發使空氣中的水分增多，從而增加CAPE。
全球變暖的影響不僅體現在對對流的影響。
研究表明，氣候變暖很可能會增加強極端降水事件的強度和頻率[18]。學者預測，全球變暖每上升1度，極端降水事件的發生率可能會幾乎翻倍。乾旱地區會變得更加乾旱，但當降水發生時，將會是大雨傾盆。而濕潤地區則會經歷更多的降水和更嚴重的洪水[19]。
根據世界氣象組織（WMO）最新報告[20]，在未來5年中，有80%的可能性至少有一年的全球平均溫度將比工業化前水平暫時高出1.5°C。而過去12個月（2023年6月 – 2024年5月）全球平均溫度為有記錄以來最高，比1850-1900年工業化前平均值高1.63°C[20]。
WMO副秘書長蔻∙巴雷特表示，這些統計數字背後隱藏著一個嚴峻的現實，那就是我們遠遠偏離了實現《巴黎協定》所設定目標的軌道，「我們必須緊急采取更多減少溫室氣體排放的措施，否則我們將付出越來越沈重的代價，造成數萬億美元的經濟損失，數百萬人的生命受到更加極端天氣的影響，環境和生物多樣性受到廣泛的損害」[20]。
警報已經拉響，未來人們將面臨更多極端天氣事件的挑戰，這不僅對人們的預報、預警和應對能力提出了更高的要求，也對全球合作從源頭減緩氣候變化，保障人類自身安全提出了新的挑戰。---[知識分子The Intellectual*撰文: 程鴿*責編: 馮灝/來源: 知識分子]
