200毫米降雨量为什么巨大？因为它是降维打击 | 袁岚峰

　　导读

　　人类平时其实主要是二维的动物，很少面对高度的变化，除了坐电梯等少数时候。而降雨量相当于强迫我们面对高度的变化，把我们从二维世界拉入三维世界，这种从天而降的降维打击很容易令人措手不及。

　　2021年7月，郑州发生严重水灾。其中最重要的一个数据是，20日16时至17时，一个小时的降雨量达到201.9毫米。事后大家都对生命与财产的损失十分痛惜，不过有许多人感到很奇怪：200毫米也就是0.2米，听起来不是个很大的数值，为什么会造成这么大的灾害？

　　2021年7月19日20时至20日20时全国降水量预报图

　　我不是气象专家，不过我觉得用物理学中的量纲分析，就可以理解这个佯谬。基本的道理在于，降雨量是一种“降维打击”，因为平时我们很少注意到高度这一维。

　　降雨量的定义非常简单，百度词条说它是“从天空降落到地面上的雨水，未经蒸发、渗透、流失而在水平面上单位面积积聚的水层深度”。请注意它的量纲是长度，一般用多少毫米来表示。换句话说，降雨量等于一个地区降雨的体积除以这个地区的面积。

　　上面这些定义都很容易理解，但下面有一点不在定义里的现实情况，我觉得非常关键：一个地区的地面并不是完全平坦的。像郑州这么大的城市，肯定是有些地方高有些地方低，比如说，地铁肯定是地势最低的。这样一来，降雨就不是在全市范围内平均分布，而是集中到地势低的地方。那么这些地方的水位，就远远不只是200毫米了，而是可以比它高好几倍，高出的倍数等于全市的面积与地势低的地区面积之比。这就是为什么，200毫米这个听着不大的数值足以导致灾难。

　　现在是不是恍然大悟了？再延伸思考一下，人类平时其实主要是二维的动物，很少面对高度的变化，除了坐电梯等少数时候。而降雨量相当于强迫我们面对高度的变化，把我们从二维世界拉入三维世界，这种从天而降的降维打击很容易令人措手不及。

　　有一个戏剧性的例子，来自2018年上映的电影《碟中谍6》。汤姆·克鲁斯饰演的特工伊森·亨特，在他的搭档班吉·邓恩的GPS指挥下，追赶他的敌人。班吉指挥伊森左转，伊森的左面却是一扇玻璃窗。伊森只好抓起一把椅子砸碎玻璃，站在窗口。班吉问：你在等什么？伊森回答：我正要跳出窗户！班吉才发现自己是在二维模式。班吉说了声“Good luck”，然后伊森在众目睽睽下跳窗而出，摔得七荤八素。这就是二维动物进入三维时的不适！

　　你在等什么？我正要跳出窗户！

　　不好意思，我没调成3D

　　有一种常见的解释是，把面积乘以降雨量算出体积，然后说，你看这体积有多大。例如说一亩地面积是666.7平方米，1毫米降雨量就相当于往一亩地浇了0.6667立方米即666.7公斤的水。又如说郑州的面积是7500平方公里，一小时200毫米的降雨量就是15亿立方米，相当于在一小时内把150个西湖的水灌进了郑州。

　　西湖的水我的泪

　　这些计算都是正确的，不过其实并不足以解决问题。因为它们只是说明了降雨的总量巨大，但别忘了地面的面积也巨大，两者相除仍然是那个看起来不是很大的降雨量。只有考虑到地势的不均匀性，才会理解为什么看起来不大的降雨量已经足以导致灾难。

　　实际上，中国气象局的标准是：24小时降雨量小于10毫米的叫做小雨，10至25毫米的叫做中雨，25至50毫米的叫做大雨，50至100毫米的叫做暴雨，100至250毫米的叫做大暴雨，250毫米以上的叫做特大暴雨。郑州在19日20时至20日20时的一天内降雨量552.5毫米，所以属于特大暴雨。

　　中国气象局发布的降雨过程等级

　　从17日20时至20日20时，郑州三天的降雨量是617.1毫米。而郑州平时全年的降雨量平均值为640.8毫米，所以在这三天的时间里，几乎下了平时一年的雨！

　　中国年降水量分布

　　下一个容易想到的问题是：这次气象部门有没有失职？

　　基本的回答是：没有失职。例如中国气象局7月16日曾向相关部门报送重大气象信息专报，滚动发布6期决策气象服务材料。河南省气象局7月15日报送的《重要天气报告》指出，“17日到19日我省北部、中东部有暴雨大暴雨、局部特大暴雨，需加强防范”（https://view.inews.qq.com/a/20210721A061K600）。

　　在细节层面，最初预报暴雨中心是焦作，焦作为此如临大敌，结果暴雨中心却成了郑州，误差有百多公里。不过这种量级的误差完全在正常范围之内，不能求全责备。因此，我们可以批评河南省、郑州市在预警面前响应不及时，但不应该批评气象部门没有发出预警。

　　更深入的问题是：人类当前天气预报的水平如何？对此刚好有一个回答，来自2019年曾庆存院士获得国家最高科学技术奖时我咨询专家朋友后的评论（坏掉的机器人怎么办？机器人：没事，我自己修 | 科技袁周虑第39期）。曾庆存先生正是因为天气预报获奖的，他首次成功实现原始方程数值天气预报，创立气象卫星大气红外遥感系统理论和定量反演方法，为气象卫星遥感做出了开创性贡献。下面来看我当时的评论。

　　曾庆存

　　每当你听到这个天气预报的音乐（《渔舟唱晚》），你就应该感谢曾庆存先生。

　　《自然》杂志盛赞数值天气预报的发展是一场静悄悄的革命，世界气象组织将数值天气预报称为20世纪最伟大的科技和社会进步之一，深刻改变了世界。以前靠天气图和预报员的经验，有效性和精确度有限。现在可以在7天内达到很高的水准，例如登陆中国的台风从来没有漏过，减少的损失不可估量。虽然大家还在吐槽天气预报，但正是因为进步了，才让大家有可吐槽的。

　　数值天气预报的难点主要有两点：1）大气运动方程组里尺度混杂，从几百米到上万公里的系统共用一套流体力学方程组，所以非常容易出现不稳定；2）运算量极其巨大，即使超级计算机发展到E级，数值预报系统只要稍微调整下分辨率等，就很快让超算跟不上。所以我国50年代后期开始发展数值天气预报实验时，用的都是简化版本。

　　曾先生的贡献在于，推动了用原始方程组进行积分运算，并且对数值预报的理论和技术进行了深入的分析。他是国内外公认的数值天气预报的鼻祖之一。简而言之，对国内的数值天气预报，他做了0到1的工作。

　　上面是人人都能听懂的，下面用专业术语深入解释一下。曾庆存提出了数值积分的“半隐式差分法”。显式、隐式和半隐式是不同的差分方案，各有优缺点。显式算得快但容易不稳定，隐式稳定但算得慢，半隐式稳定又比较快，是比较好的计算方案。半隐式差分法至今仍在国际上广泛使用，是数值天气预报的核心技术之一。

　　了解了天气预报之后，下一个容易想到的问题是：能不能用人工方法干预天气，比如说让雨分批下，以免短时间内下雨太多？

　　回答是：至少现在还不能。这种思路叫做“人工影响天气”，确实是近年来发展比较快的一个领域。但只有在满足一定条件的时候，我们才能对天气略微施加一些影响，例如用碘化银人工降雨（河南特大暴雨如何形成？人工干预让暴雨分批下可行吗？| 魏科）。

　　人工降雨 图片来源：中国天气网青海站

　　但对这次的大暴雨，我们就基本上无能为力。因为它的时间尺度持续好几天，空间尺度持续上百公里，这样的大规模降水既不能用人工消除，也不能把它搬走。

　　另一个例子是，特朗普曾经提议用核爆来阻止飓风，然后中国气象局发了一条微博，解读这种不自量力的想法（https://weibo.com/2117508734/I482I7qgT）：“一个成熟台风释放出来的热量，相当于每20分钟引爆一颗1千万吨当量的核弹。台风每小时释放的热量等于2600多颗广岛原子弹爆炸的能量。相比于台风的能量，原子弹要弱太多，即便是向台风眼投放核弹也无济于事。”

　　我在讲核武器的时候，就经常看到有观众以为核武器能毁灭地球，其实这大错特错。核武器最多只能通过核污染毁灭人类，离毁灭地球还差得太多。许多人过高地估计了人类的力量，过低地估计了大自然的力量。实际情况是，人类在大自然面前还十分渺小。

　　不久前，德国也发生了严重的洪灾，死亡一百多人。不少人在因为这些嘲讽德国或者嘲讽中国，其实都大可不必。人类是一个整体，无论在哪里发生灾难都是应该哀悼的，我们应该懂得这样的大格局、大图景。

　　知乎网友@甄昊元 的《暴雨自救手册》

　　近年来气候灾害频发，显然跟全球气候变化有关。许多人把气候变化仅仅理解为全球变暖，然后每当遇到一次寒冷天气就质疑气候变化是骗局，其实这都是误解。全球平均而言确实在变暖，但并不是每次气象事件都是变暖。气候变化的普遍后果是热的更热，冷的更冷，干的更干，湿的更湿，极端天气增多。这种情况在我国可能更为突出，因为我国是一个典型的季风区，降水主要出现在夏季，不下则已，一下基本上都是暴雨，所以我们会看到更多的暴雨出现。

　　2019年《气候变化绿皮书》统计了近三四十年间自然灾害发生的情况，发现1980至2018年间，全球自然灾害事件（包括地质、天气、水文和气候四类灾害）发生次数从1980年的249次增加到2018年的848次。其中，2018年发生次数达到历年之最（河南特大暴雨亲历者：我是研究气候的，都没有想到……）。这足以让我们警醒。

　　我的朋友、中国科学院大气物理研究所副研究员魏科博士指出，地球的气候已经跟以前不一样了，我们不能依然用以前的那些措施和方法对待它。我们需要从基础设施建设、防灾减灾意识的培养、灾害发生之后如何响应等多方面做出改变，把灾害看成一个链条，从灾害发生前、发生时和发生后来整体应对，才能达到最大的防灾减灾效果（河南特大暴雨如何形成？人工干预让暴雨分批下可行吗？| 魏科）。

　　我来总结一下。人类当前虽然还没有飞越星辰大海的能力，却已经有了自我毁灭的能力。因此，悲天悯人，反思自己，积极采取防灾减灾、碳达峰、碳中和等行动，才是正确的态度。这正是人类命运共同体的精神。

　　碳中和的概念 图片来源：丁仲礼院士