大气河流加剧了澳大利亚各地的极端降水和洪水灾害

《Weather and Climate Extremes》：Atmospheric Rivers intensify extreme precipitation and flooding across Australia

澳大利亚大气河流与极端降水及洪水关系研究。利用467个水文站点数据，结合Mundhenk和Reid500算法检测大气河流（ARs），发现东南部AR与极端降水/洪水关联率达75%-100%，使20年一遇事件的回报期缩短至1.7年。AR通过延长滞后期（3-5天）显著加剧洪水频率，对5-20年回报期事件的影响比为2-12倍。研究强调AR对水文极端事件的主导作用，需纳入水文模型优化防洪管理。

　　在澳大利亚，大气河流（Atmospheric Rivers, ARs）对极端降水和洪水的影响引起了广泛关注。这些狭窄的、高强度水汽输送带在气象学中被认为是具有重要影响的天气系统，其对水文极端事件的贡献不仅体现在降水的强度上，还涉及对洪水发生频率和严重程度的显著提升。本研究利用澳大利亚的467个水文参考站点（Hydrologic Reference Stations, HRS）数据，通过分析不同滞后期（lag periods）下ARs与极端降水和洪水事件的关联性，进一步揭示了ARs在极端水文事件中的作用。研究结果表明，东南澳大利亚地区的极端降水和径流事件与ARs的关联性最高，可达75%-100%。同时，当极端事件发生时，如果与ARs相关，其极端程度的中位数比非ARs相关事件高出20%-70%。此外，极端洪水和降水事件的重现期在ARs存在的情况下平均缩短了2到12倍。这些发现凸显了ARs在澳大利亚不同地区极端天气事件频率增加中的关键作用，强调了将ARs影响纳入水文模型的重要性，以更好地进行水资源管理和洪水风险评估。

极端降水和洪水对经济和社会的影响不容忽视，全球范围内，自然灾害每年平均造成65,566人死亡，而仅在2023年，这一数字便攀升至86,473人。澳大利亚作为一个拥有多种气候条件的大陆，近年来经历了多次严重的洪水灾害，如2021年和2022年的洪水事件，其造成的保险损失高达数十亿美元。因此，理解并建模极端洪水的原因对于提高灾害预防和应对能力至关重要，尤其是在全球范围内，极端降水和洪水事件预计会变得更加频繁和强烈。研究表明，ARs不仅在极端降水中扮演重要角色，还对洪水的发生具有显著影响。例如，在美国西部，ARs导致的极端径流是洪水的重要诱因，而在澳大利亚，其对极端降水和径流的影响同样不可小觑。

研究团队采用两种全球主流的AR识别算法——Mundhenk和Reid500，以确保分析的全面性和准确性。这两种算法分别基于绝对阈值和相对阈值来识别ARs，以避免单一方法可能带来的偏差。通过计算极端降水和洪水事件在不同滞后期（0天、0-1天、0-3天、0-5天）与ARs的关联概率，研究发现，在东南沿海地区，ARs与极端降水和洪水事件的关联性最强，甚至在某些情况下，极端洪水事件的发生概率高达90%-100%。相比之下，澳大利亚北部地区由于主要受季风降水和热带气旋影响，ARs与极端事件的关联性较低。这一差异反映了不同气候区域中主导天气系统对极端事件的不同影响，也提示了ARs在不同地区的地理分布和气候条件之间的复杂关系。

在分析极端事件的强度差异时，研究团队计算了ARs与非ARs事件在中位数上的相对百分比差异。结果显示，在澳大利亚东部和东南部地区，ARs对极端降水和径流的影响更为显著，其中位数差异可达50%-70%。而在内陆和北部沿海地区，这种差异较小，甚至可以忽略不计。这些结果表明，ARs在沿海地区对极端水文事件的放大效应更为明显，特别是在那些与ARs相关的洪水和降水事件中，其重现期显著缩短，意味着极端事件更频繁地发生。此外，研究还发现，随着滞后期的增加，ARs对极端事件的影响更加显著，特别是在较长的重现期事件中，其作用更为突出。这表明，ARs可能通过多个连续的降水事件或与本地气象条件的相互作用，增强了极端水文事件的发生频率。

为了进一步评估ARs对极端事件尾部行为（tail behavior）的影响，研究团队采用了广义帕累托分布（Generalized Pareto Distribution, GPD）对极端降水和径流事件进行建模。通过比较ARs存在和不存在时的极端事件重现期，研究揭示了ARs在极端事件发生频率和强度上的双重作用。例如，在某些地区，当ARs发生在极端降水事件之前时，其重现期显著缩短，这意味着极端降水事件在这些地区变得更加频繁。同时，这种影响在极端洪水事件中尤为明显，尤其是在东部和东南部地区，洪水的重现期可能减少至原来的1/12，即这些地区在ARs影响下，极端洪水的发生频率显著增加。

研究还发现，ARs对极端事件的影响存在明显的空间异质性。例如，在夏季主导降水的北部地区，由于这些地区的降水通常发生在湿润的背景下，ARs对极端降水事件的影响相对较小。而在冬季主导降水的南部和东南部地区，ARs对极端降水和洪水的影响则更为显著。这种空间差异可能是由于不同地区的气候特征、地形条件以及水文响应机制的不同所导致。例如，南部地区极端降水可能全年发生，而洪水的发生则更依赖于降水前的土壤湿度条件，这使得ARs在这些地区对洪水的影响更为突出。

在分析不同NRM（自然资源管理）区域时，研究发现，东部沿海和 Murray-Darling 流域等地区，ARs对极端降水和洪水的影响最为显著。在这些区域，ARs与极端事件的关联性高达75%-100%，而极端事件的重现期则显著缩短。相比之下，北部地区和夏季降水主导的区域，ARs的影响较弱，其与极端事件的关联性较低，且重现期的变化幅度较小。这种区域差异反映了ARs在不同气候带和地形条件下的作用机制。例如，在东部沿海地区，由于地形抬升作用，ARs带来的水汽更容易凝结并形成强降水，从而增加洪水的风险。

研究还指出，ARs的影响不仅限于降水和径流，还与土壤湿度等前兆条件密切相关。例如，某些区域在ARs发生前，土壤已经处于湿润状态，这使得降水更容易转化为洪水。因此，ARs对洪水的影响可能不仅仅取决于降水本身的强度，还与降水前的土壤条件密切相关。这种复杂的相互作用表明，理解ARs对极端事件的影响需要综合考虑多种因素，包括降水强度、持续时间、地理位置以及前兆条件等。

此外，研究团队通过分析不同滞后期下的频率曲线，进一步揭示了ARs对极端事件的长期影响。例如，在较长的滞后期（如0-5天）下，极端洪水事件的频率曲线比非ARs事件更陡峭，这表明ARs的存在使得极端洪水的发生更加频繁。这一发现对于水文模型的改进和极端事件的预测具有重要意义，因为传统的模型可能无法充分考虑ARs的累积效应和对不同滞后时间的响应。因此，未来的研究需要进一步探索如何将ARs的影响纳入到更广泛的水文和气候模型中，以提高对极端事件的预测能力和风险管理水平。

综上所述，本研究通过详细的分析，揭示了ARs在澳大利亚极端降水和洪水事件中的重要作用。结果表明，ARs不仅显著提高了极端事件的发生频率，还增强了其强度，特别是在东南沿海和 Murray-Darling 流域等地区。这些发现对于改进水资源管理和洪水风险评估具有重要指导意义，同时也强调了在应对气候变化带来的极端天气事件时，必须考虑ARs的影响。未来的研究应进一步探索ARs与其他气候现象（如季风、热带气旋等）之间的相互作用，以更全面地理解极端水文事件的形成机制，并为相关政策制定提供科学依据。