为什么全球变暖会让降雨变多？从光谱角度阐述背后的物理机制

全球变暖不仅让温度上升，还会影响降雨，2024年极端降雨报告显示，2024年全球平均降水量打破了1998年的纪录，超出约3.2%。根据此前的研究，温度每升温1°C，降雨量增加2%，但是温度和降雨之间背后具体的机制是什么呢？最近SCI上的一项研究，首次从光谱物理学的角度解释了为什么全球降雨会随着变暖而增加的物理机制。

降雨与温度的关系

最近几十年，全球气温持续上升，随着地球变暖，未来的降雨量会增加还是减少呢？早前的一下研究利用卫星遥感数据分析1987–2006年的全球降水变化，发现全球平均降水每升温1°C，降雨量增加了约6.7%。

但按照以往的气候模型预测，大多数模型显示20~21世纪，全球降水每升温1°C，增幅约为1–3%。为什么模型预测结果远低于卫星观测的6.7%，到底哪个数据更可信呢？这种短期20年的观测数据是否更受自然变率和外部因素的直接影响呢？长期的气候模型数据是否低估了了降水对温度的依赖性呢？

要真正理解降水的变化，需要从大气能量收支的角度分析，地球表面的热量主要通过感热加热和潜热加热2种方式传递到大气中，感热加热直接对空气进行加热，潜热加热则是通过水蒸发带走热量，之后凝结成雨释放能量，也就是降雨形成。在目前的气候下，潜热加热比感热加热大得多，所以全球降雨量基本由大气的辐射冷却决定。大气通过向外太空发射红外辐射来降温，而降温的速度会影响多少水汽能凝结成雨。能量平衡公式如下：

LΔP+k_T​ΔT+ΔR_A≅0

式中：LΔP：降水相关的潜热释放；k_T​ΔT：温度依赖的辐射和感热冷却。ΔR_A：强迫（如 CO₂）直接影响（非温度依赖）。

通过计算，降水对温度依赖性的物理机制主导由晴空辐射冷却和云长波反馈影响，k_T​通常的值通常在1.4–3.4% 之间，每升温1°C，全球降水会增加1.4–3.4%；短波云反馈影响温度，但不怎么影响降水。

虽然不同的气候模型对全球变暖的预测差异很大，但它们对降水变化的预测却相对一致，k_T​通常在1.4–3.4%范围内，这一结论也表明了模型的长期预测的可靠性。

而短期卫星观测到的差距，可能是受短期气候波动或气溶胶的影响。ΔR_A受自然变率中如CO₂和气溶胶等影响，也可以解释短期的降雨情况，不代表长期趋势。

降雨增加的物理学解释

上述的研究从能量平衡的角度来解释了降雨与温度之间的关系，最近一项研究，深入到水汽和CO₂吸收热辐射的细节，从光谱物物理学的角度分析。

地球向外太空散热主要靠红外辐射，但大气中的水汽和CO₂会吸收一部分，再把热量辐射回地面形成温室效应。不过，某些波长的红外光能穿透大气，直接逃到太空，在这个大气窗口里，地面发出的热辐射可以直接逃逸。

当气候变暖时，大气中的水汽增加，一般每升温1°C，水汽约增加7%，由于水汽增加，导致红外光能直接穿透的大气窗口逐渐封堵，更多的热量被水汽吸收，再从大气中辐射出去，这个过程让大气的总辐射冷却增强，从而促使更多水汽凝结成雨。

为什么温度每升温1°C，降雨量增加2%？研究发现，辐射冷却增加最快的地方，是那些水汽光学厚度τ≈1的波段。如果τ≪1，此时大气很透明，变暖对冷却影响很小；如果τ≫1，大气完全不透明，变暖也不会让冷却明显增强；只有在τ≈1的地方，水汽增加才会显著改变冷却效率。计算表明，远红外波段正处于τ≈1的范围，对辐射冷却的贡献最大，而且τ≈1的范围地表的辐射很强，再加上阳光短波加热的抵消作用，最终净效应就是全球降雨以~2%/°C的速度增长。

那么CO₂增加不影响降雨增速呢？CO₂作为一种温室气体，但它和水汽不同，CO₂的浓度不随温度自动变化。研究发现，CO₂主要在742–593cm⁻¹波段吸收热量，而这个波段原本就有较强水汽吸收，所以，CO₂增加不会明显改变冷却速率，只是稍微影响，这也解释了为什么即使CO₂翻倍，降雨的增长率扔保持2%/°C稳定性。

此外，这项研究还有一个重要的发现，按照现在的温度降雨的比例，也就是说温度持续增高，降雨应该持续增加，但研究发现，如果地球变得非常热，约47°C，全球降雨量会开始下降。在这种极端高温下，水汽不仅在线吸收波段变得不透明，连原本透明的大气窗口也会关闭，当当τ≫1时，大气冷却效率不再增加，但短波吸收还在增强，这会抑制降雨。

图：大气光谱控制平均降雨量对地表温度的敏感性

我们将各种 GCM [褪色线；( 40 )] 与我们的纸笔模型在恒定 CO2 浓度 400 ppm（橙色，等式 12）和变化 CO2 浓度下的预测结果[黑色，等式12和等式10 ，使用 Wolf等人给出的气候敏感度（41 )]进行了比较。灰线显示了源缩放的预测（等式 13）。插图：这些相同的分析模型预测的平均降雨量随地表温度变化的百分比（相同颜色标签）。HS，水文敏感度。

❓参考文献：降雨变化的关键因素是什么？

A.风向改变
B.水汽和CO₂的光谱特性
C.海洋盐度
D.火山喷发

参考文献：A spectroscopic theory for how mean rainfall changes with surface temperature. Science Advances，9 May 2025，Vol 11, Issue 19，DOI: 10.1126/sciadv.adv6191