极端天气的新趋势，海洋热浪如何转变为强暴雨？
在气候变化的背景下，全球范围内的极端天气事件正变得越来越频繁和强烈，2023年夏季全国范围内发生了14次极端高温事件，约70%的国家气象站记录到了超过40°C的高温，与此同时，还发生了37次极端降水事件，55个气象站创下了历史最高降雨记录，这些极端天气事件共造成直接经济损失3306亿元人民币，导致537人死亡或失踪，华北地区在持续高温之后遭遇了罕见的极端降雨，累计降水量达到1003毫米，造成了重大损失。
以往的研究往往单独研究热浪或强降雨事件，但越来越多的证据表明，热浪和强降雨之间的快速转换正在成为一个全球性的气候特征，热浪结束到暴雨开始的时间间隔是否在缩短？这种现象背后的气候机制是什么呢？
要理解热浪如何转变为暴雨，需要了解大气物理转变的过程，在热浪期间，高温导致地表水分加速蒸发，空气中水汽含量增加，根据克劳修斯-克拉珀龙方程（Clausius-Clapeyron relation），气温每升高1°C，空气的饱和水汽压增加约7%，也就是说热浪可以为后续暴雨提供了更多的水蒸气，一旦热浪结束，温度下降，储存的水分就会被抬升到凝结高度，引发深对流和强降水。
克劳修斯-克拉珀龙方程如下，式中，es为饱和水汽压，LV为蒸发潜热，RV为水汽气体常数，T为绝对温度。
常温下，通过积分和简化后，气温每升高1°C，空气的饱和水汽压增加约7%。
同时，高温还会积累大气能量，研究人员通过对流可用位能（CAPE）量化这一过程，反映了空气因浮力上升的潜在能量，值越大，对流活动越强，导致大气更加不稳定，增加了短时间内发生强降雨的可能性。
为了系统研究热浪与强降雨事件之间的转换速度，中国科学院与香港理工大学联合团队分析了1970-2019年间中国大陆2000多个气象站的观测数据，通过整理这些数据，将日最高气温超过该站该日历日90百分位阈值并持续至少3天的天气事件作为热浪事件，而日降水量超过该站95百分位阈值的降水事件作为强降雨事件。
研究重点关注热浪与强降雨之间的联系，将热浪结束与强降雨发生的发生分为3类，第一类是热浪结束1~2天内发生强降雨的短时事件，第二类是3~4天的中时事件，第三类是5~7天的长时事件，通过长期的数据分析和比较筛选，量化了极端天气转换速度的变化趋势。
基于1970-2019年中国2000多个气象站的观测数据发现，24.1%的气象站出现了间隔期显著缩短的现象，短时事件的比例正以每十年1.4%的速度增长，在东北、华南和华东局部增速甚至达3-5%/十年，这种变化与大气能量和湿度的异常积累直接相关。这种变化并非均匀分布，东北地区表现出最强烈的缩短趋势，而长江中下游部分站点反而出现间隔延长，这可能与区域性气候变化差异有关，在夏季风减弱区域，热浪后水汽输送可能延迟，反而不利于快速形成降水。
数据显示，在短时事件中，热浪结束后对流可用位能的下降幅度明显小于长时事件，即使高温缓解，大气仍保持不稳定状态，为强对流天气创造条件。当热浪结束时，积累的能量和水汽需要释放，如果此时遇到冷空气或地形抬升等触发机制，就会在极短时间内转化为强降雨。
图：平均时间间隔的空间分布和趋势🔽
a 1970年至2019年研究期内各站点平均时间间隔。b基于时间间隔的站点数量统计。c 1970年至2019年研究期内各站点时间间隔变化趋势。大圆点表示趋势在95%置信水平下显著，小圆点表示趋势不显著。d基于趋势显著性的站点比例统计汇总。各子区域缩写见“方法”部分。
此外，研究还结合了欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据集，以及全球GHSL的人口数据，分析潜在物理机制和社会暴露度变化。
通过分析1975-2020年数据显示，中国暴露于短时事件的人口增加了6倍多，从从1975年的8770万人增加到2020年的5.855亿人，暴露比例从9.5%激增至40.8%。全国84.7%的气象站显示出暴露度增加的趋势，覆盖了全国75.7%的区域，特别是在长江三角洲和珠江三角洲这两个中国最大的城市群，人口和短时实践频率都急剧上升，导致暴露度增长超过了全国平均水平。
当然，这种实践的风险问题并不仅仅取决于自然因素，与人口分布也密切相关。研究显示，65.3%的暴露量增长归因于短时事件频率增加，8.2%归因于人口增长，两者的相互作用也贡献了26.5%。可能是由于城市热岛效应加剧初始热浪，而硬化地面又削弱了应对暴雨的渗透能力，这使得快速转换的极端天气更具破坏性。
这项研究通过系统的数据分析，量化了中国极端天气热浪与强降雨转变的趋势情况，在气候变暖背景下，大气正在变得更易储存能量和水分，可能会导致更多的暴雨事件产生，也就是说，当我们在设计考虑50年一遇或者100年一遇的防洪问题时，可以参考这种强降雨长期变化的趋势。
图：1975 年至 2020 年短时事件 (STE) 暴露的动态🔽
a . STEs暴露变化的空间格局。b . STEs暴露变化的面积比例。c . STEs暴露总人口（柱状图）和STEs暴露人口比例（虚线）的动态变化。d.中国20个主要城市群STEs暴露的变化（详见补充表S1）。各子区域的缩写见“方法”部分。
❓思考题：为什么热浪后容易出现强降雨？
A.热浪导致大气储存大量能量和水分
B.海洋温度突然下降
C.城市空调排放太多热量
D.随机事件，没有关系
参考答案：（点击查看）
A.
解析：热浪期间，高温使大气储存更多能量和水分，热浪结束后，这些能量和水分释放，容易形成强降雨。
参考文献：Li, J., Wang, S., Zhu, J. et al. Accelerated shifts from heatwaves to heavy rainfall in a changing climate. npj Clim Atmos Sci 8, 214 (2025). https://doi.org/10.1038/s41612-025-01113-w