Evaluation and Future Projections of Hourly Precipitation Extremes from ERA5- and CMIP6-Driven Regional Climate Simulations of over Australia
本研究通过将 ERA5 和 CMIP6 驱动的区域气候模拟与观测数据进行对比评估，旨在证明尽管澳大利亚未来小时降水极端事件的预测随排放情景和模型的不同而有所差异，但在高排放条件下，预计这些事件的发生频率和强度都将稳健增加，从而强调了减少排放以及利用多模型集合来改进洪水风险评估的紧迫性。
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降雨是地球生命的基本组成部分，但当降雨速度过快时，它就会变成一种破坏性的力量。虽然科学家早已了解每日降水总量如何随气候变暖而变化，但最危险的洪水往往发生在更短的时间尺度上。这些是闪电洪水，由在短短一小时内倾泻大量降水的风暴引起。为了理解并预测这些事件，研究人员必须观察单小时内的降雨强度，而不仅仅是全天的总量。这是一项艰巨的任务，因为大气层非常复杂，而用于模拟大气的工具——强大的计算机模型——在历史上一直难以捕捉到驱动城市内涝和基础设施失效的那些剧烈且短暂的降雨爆发。随着地球变暖，空气可以容纳更多的水分，这可能会为这些强降雨提供动力，但在像澳大利亚这样广阔且多样的洲上，这种模式的具体演变方式仍不明确。
一个研究团队致力于通过测试最新一代的气候模拟技术，将其与现实世界的数据进行对比，并预测未来每小时降水极端情况的变化，从而试图解开这个谜题。他们将重点放在了澳大利亚，这是一个洪水频发且造成巨大损失的灾害多发区，影响着从热带北部到温带南部的各个社区。该团队使用了五种不同的区域气候模型，这些是能够通过缩小特定区域范围来提供详细天气预报的高级计算机程序。这些模型的运行使用了两种不同类型的输入：一组使用历史天气数据，以观察模型在多大程度上能够重现过去；另一组则使用未来的气候情景，以预测到本世纪末可能发生的情况。研究人员将模型输出结果与高质量的全球数据集进行了对比，该数据集结合了卫星、雷达和地面站的观测数据，从而构建了一个关于实际发生情况的可靠图景。
对过去的评估表明，这些模型能够很好地捕捉澳大利亚降水的总体模式。它们成功地重现了降水最频繁的地区以及降水如何随季节变化。然而，涉及到最极端的事件时——即那些造成最大破坏的罕见的一小时强降雨——模型表现出了明显的弱点。虽然它们可以模拟降水的平均行为，但往往低估了最严重风暴的实际强度。一些模型的效果优于其他模型；一些特定的配置能够更准确地复制观测到的极端情况，而另一些模型则始终无法达标，特别是在发生最剧烈对流现象的热带北部地区。这一发现强调了虽然气候的大致轮廓已被理解，但极端天气的精细细节对于目前的科技水平而言仍是一个挑战。
当研究人员将注意力转向未来时，结果很大程度上取决于人类在温室气体排放方面所选择的路径。在人类大幅减少排放的情景下，每小时降水极端的变化较为微弱且不一致，不同的模型对于降水会变得略微湿润还是更干燥存在分歧。然而，在排放量持续上升的情景下，情况变得清晰得多，也更加令人担忧。在这种高排放的未来，所有模型都一致认为，整个大陆的每小时降水强度将会显著增加。最极端的风暴，即那些在最短时间内倾泻最多水量的情况，预计将变得更加频繁且更加猛烈。这种增强并非均匀分布；澳大利亚的北部和东部预计将出现降水强度的最大绝对增幅。
或许最令人震惊的发现是，事件的稀有程度如何影响其未来的风险。研究人员计算了每当全球升温一度时，这些风暴发生的频率会增加多少。他们发现，虽然常见的强降雨事件会变得更加频繁，但最罕见且最剧烈的风暴增加的速度要快得多。对于最极端的每小时降水事件，其发生频率预计每升温一度就会增加百分之三十以上。这意味着，目前属于罕见现象的最危险闪电洪水，在更温暖的世界中可能会变得显著常见。这项研究表明，随着气候变暖，灾难性洪水的风险不仅在增加，而且在不成比例地加速增加。
该研究还强调，这些预测中的不确定性主要源于模型之间的差异。由于模型使用不同的数学方法来模拟大气，它们会产生不同的结果，尤其是在处理最剧烈的事件时。然而，尽管存在这些差异，变化的趋势是一致的：一个更温暖的世界将带来更频繁且更剧烈的每小时降水极端情况。研究人员得出结论，为了管理未来的洪水风险，规划者和决策者必须依赖这些集合预测（ensemble projections），因为这些预测考虑了一系列可能性，而非单一的模型。他们还指出，未来的研究应侧重于更高分辨率的模型，这些模型能够显式地模拟风暴的物理过程，从而进一步提高我们预测这些危险事件的能力。这项工作强调了一个关键事实：虽然我们尚不能精确预测每一次未来风暴的具体规模，但趋势是明确的，最严重的冲击很可能会发生在那些原本就易受强降雨影响的地区。
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