2013年9月，一个气旋环流在科罗拉多州博尔德上空盘旋，从墨西哥海岸附近的太平洋吸取了一条水汽河流。它连续五天向下面的人们倾泻大雨。
仅在那一个月，博尔德的降水量就超过了全年降水量的一半。饱和的土壤拒绝吸水。水从山坡上倾泻而下，咆哮着穿过城镇。为了寻找合适的最高级形容词，美国国家气象局称这场风暴为“圣经式”的。
科罗拉多州的洪水发生在超级风暴桑迪之后，桑迪在前一年淹没了东北海岸，给美国造成了750亿美元的损失。人们问道，这是新的常态吗？以及这种风暴再次发生的风险是什么？
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这个问题是归因科学的基础，归因科学是一个相对较新的研究领域，由一小群科学家实践。他们的研究结果旨在帮助掌握权力的人——政治家、人道主义工作者、水资源管理者、医院管理者——就适应不断变化的世界做出决策。
2015年，美国发生了10起极端天气事件，每次事件造成的损失都超过了10亿美元。这些事件造成155人死亡。全球的死亡人数更加严峻。根据慕尼黑再保险集团的数据，1980年至2014年间，全球约有85万人死于热带风暴、洪水、热浪、干旱和其他灾难。大多数死亡发生在亚洲。大多数货币损失发生在北美。
这些损失赋予了科学家们的报告政治力量。奥巴马总统利用反常天气来帮助说服人们气候变化已经到来，这让共和党人感到不安。众议院科学、空间和技术委员会主席、自称气候怀疑论者的拉马尔·史密斯（R-得克萨斯州）在二月份批评了这种尝试。
史密斯说：“奥巴马总统和其他人试图将极端天气事件与气候变化联系起来的言论是毫无根据的。”
那么，谁是对的呢？这取决于情况。一方面，我们生活在一个不断变化的世界中，所有极端事件都是由气候变化和自然共同造成的。另一方面，科学家们无法利用他们掌握的技术，非常有信心地在许多极端天气事件中找到人类的指纹。他们最多可以将热浪和寒潮与气候变化联系起来。根据美国国家科学、工程和医学研究院的说法，他们对干旱和强降雨的了解较少，对飓风、热带风暴、野火、极端降雪和冰雹风暴的了解则很少。
这导致至少一位直言不讳的科学家质疑传统的归因是否低估了人类对气候的影响。现在，科学界面临着一个新问题：不是问人类是否会影响极端天气事件，而是假设他们会影响，转而质疑他们影响的程度。
地球在抽烟吗？
归因科学诞生于一场洪水。2003年，牛津大学的气候科学家迈尔斯·艾伦在《自然》杂志上发表的一篇评论中写道，他眼看着泰晤士河水位上升到离他家厨房门不到30厘米（近12英寸）的地方。在广播中，一位气象学家告诉听众，科学家们不能确定地说这场洪水是由气候变化引起的，但类似的事件可能会更频繁地发生。
这对艾伦来说还不够。他写道，那些可能失去家园的人想要更明确的答案。
自那以后，艾伦和他的同事们一直走在前列，努力说明特定的极端天气事件是否因气候变化而变得更有可能发生。
这是一项艰巨的任务，因为所有的风暴都是由一套独特的的大气和海洋驱动因素引起的，而这些驱动因素以相同方式重复的概率为零。正如以弗所的赫拉克利特所说，“人不能两次踏入同一条河流，因为有其他水不断地流淌进来。”
艾伦提出了一个变通办法。与其将特定极端事件的责任归咎于人类，不如让科学家们研究一类事件，例如某个地理区域的强降雨，并说明过去的人类行为是否增加了它们的风险。
非营利组织气候中心的科学家海蒂·库伦说：“这类似于研究，吸烟如何增加死亡的可能性或患癌症的风险？”
第二年，即2004年，艾伦和英国气象局负责人彼得·斯托特发布了第一份气候变化归因研究。前一年夏天，欧洲的气温创下了历史新高。12个国家共有超过8万人死亡。2003年8月10日，英国的气象学家在他们的CRT电脑屏幕上看到气温超过了100华氏度的历史最高纪录。该纪录是在1990年创下的。
艾伦和斯托特发现，人类的行为使这种热浪的风险增加了一倍。他们说，人类的行为造成了75%的风险增加。
库伦说：“在2004年欧洲热浪论文发表后，闸门真正打开了，更多的科学家开始对研究个别事件感兴趣。”
艾伦和斯托特分析了全球变暖最简单的部分——热浪。这些发现可能是一个突破，但它们并不令人惊讶。事实上，如果人类排放的所有碳没有导致更多的热浪，那才是不寻常的，英国雷丁大学的气候科学家特德·谢泼德说。
他说：“如果没有极端高温的增加，那几乎是不可思议的，需要非常不寻常的事情才会发生。”
我们需要两个世界
对于其他类型的极端情况，归因很快变得复杂起来。要理解原因，请考虑这些研究是如何进行的。
20世纪90年代，加州大学伯克利分校的科学家开始在从太空捕获的无线电信号中寻找来自外星人的信息。正如预期的那样，寻找外星人需要大量的计算能力。科学家们没有建造一台超级计算机，而是建立了一个名为“stay@home”的虚拟网络，该网络利用全球联网桌面的空闲计算能力。运行它的唯一需要是那些具有一点极客精神的人，他们相互竞争以分析最多的信号，并在排行榜上跟踪他们的贡献。
牛津物理学家弗里德里克·奥托与艾伦一起领导着天气归因计划，他说：“我们只是问那些正在做stay@home的人，你们是否也有兴趣研究极端天气和气候事件？”
这些实验在70,000台计算机上运行。它们的设置类似于临床试验，例如医生通过比较服用药物的实验鼠和未服用药物的实验鼠来测试一种药物。对于地球来说，这种药物是二氧化碳。科学家们想知道它是否会改变极端天气事件的发生。他们当然需要两组行星——一组暴露在人类面前，一组没有——才能进行真正的研究。
相反，他们求助于计算机。气候模型是将地球划分为网格的虚拟表示。每个单元格都包含反映海洋、云、水汽、气溶胶、树木、土壤和其他微小组件之间相互作用的算法。科学家可以将从现实世界中获取的观测结果输入到模型中，模型会及时进行计算，并输出未来几十年的气候预测。
正如人们可能猜测的那样，在算法中表示树如何与云相互作用（它们确实相互作用）是具有挑战性的。如今，大约有30个气候模型可用，每个模型都有略微不同的物理特性，这意味着它们的预测并不总是一致。科学家们不依赖任何一个模型，而是考虑来自一组模型的多个结果，这些模型组成了一个集合，就像一群牛组成一个牛群一样。
这些集合在温度预测方面非常一致。它们在预测动态天气（如雷暴）方面不太一致。
牛津小组运行他们的气候模型数千次。一些运行类似于我们现在的地球；另一些运行则更接近18世纪的地球。极端的世界在气候系统的混乱中展开。在一些世界中，热浪会炙烤欧洲。在另一些世界中，欧洲大陆沐浴在宜人的夏日中。
奥托和她的同事们统计了在变暖的世界中，感兴趣的天气事件与18世纪地球相比发生的频率。统计数据揭示了人类是否发挥了作用，以及该事件可能复发的频率。
奥托说：“我们已经证明，对于比较容易发生的事件，这是可以做到的。”
根据一些科学家的说法，这种方法对于复杂的天气效果不佳。
在2013年科罗拉多州洪水之后，国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室在博尔德的大气科学家马丁·霍林和他的同事们发现，气候变化降低了科罗拉多州北部强降雨的可能性和强度。
这些发现成了新闻：“2013年的洪水引发的降雨并非由气候变化引起，”博尔德的《每日相机报》宣称。
这些标题激怒了国家大气研究中心的另一位大气科学家凯文·特伦伯斯，他和霍林一样驻扎在科罗拉多州。但在人类应为极端天气承担多少责任的问题上，他们的观点截然相反。特伦伯斯认为，许多归因研究往往低估了人类对气候的影响。在他看来，几乎每一个事件都受到我们排放的影响。
特伦伯斯说，一些科学家也同意，使用气候模型的归因研究对于局部和动态的天气事件（即昙花一现）效果不佳。这些事件包括野火、飓风、冰雹和雷暴。在某些情况下，它们包括干旱和强降雨。
特伦伯斯说，当模型没有为特定事件找到人为造成的气候变化的指纹时，这并不意味着人类可以免责。
他说：“问题始终在于，模型有多好，模型与真实世界相比有多真实？在美国完成的一些工作中，尤其是在NOAA方面，很多工作过于偏重模型，而模型不够好。结果，这些陈述对真实世界来说是不可靠的。”
当然，归因科学家们也意识到了这些局限性。他们会仔细选择模型，叠加不同的方法，并强调他们知识的局限性。他们经常用诸如“这是一个单一模型，或是一种单一方法”这样的声明来强调注意事项。但有时，他们并没有这样做。
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）国家环境信息中心的归因科学家斯蒂芬妮·赫林承认，公众可能不理解其中的细微差别。
她说：“像霍林等人那样直接说他们无法在科罗拉多州的洪水中找到气候变化的作用，我认为，这太容易被解读为，气候变化对科罗拉多州的洪水没有任何影响。”
哥伦比亚大学的气候科学家亚当·索贝尔说，随着科学家们不断改进气候模型，飓风和其他动态天气事件的归因有望得到改善。
他说：“模型进步得非常快，计算机也进步得非常快。这不仅仅取决于这些，但这是一个可以更快改变事情的因素。”
归因：证明气候变化还是否定它？
特伦伯斯去年在《自然》杂志上发表了他的担忧。他写道，科学家不应该问人类活动是否改变了未来特定风暴发生的可能性。
他建议，科学家应该研究特定风暴的特征，例如其降雨量，是如何受到全球变暖影响的。
特伦伯斯在一次采访中说：“鉴于我们已经有了一场风暴，人类对由此产生的温度和降水的影响是什么？”
例如，在2012年袭击东北海岸的桑迪超级风暴的案例中，北卡罗来纳州立大学的科学家加里·拉克曼分析了这个问题：既然风暴发生了，气候变化是否使其变得更糟？他发现全球变暖可能对桑迪的风暴路径和强度产生了适度的影响。
劳伦斯伯克利国家实验室的归因科学家达伊西·斯通说，大多数归因科学家都抵制特伦伯斯的方法。这种方法基于简单的经验法则，保证了人为全球变暖在极端事件中发挥作用。他说，有时，人类根本没有在极端天气中发挥作用。
他说：“我们很可能没有影响美国东海岸风暴的任何特征。这可能是分析的结果——我认为认识到这是一个结果非常重要。”
美国国家海洋和大气管理局的赫林说，另一个缺点是特伦伯斯的方法给出了定性的结果，这对政策制定没有太大用处。
她说：“简单地告诉水资源管理者，‘哦，是的，气候变化正在使强降水事件更有可能发生’，这并不是特别有用的信息。这真的会改变我们的决策吗？”
霍林认为关于归因的争议是短视的。他说，气候科学家研究极端事件是为了更好地了解气候系统，最终目标是生成更准确的天气预报。他认为，最好的方法是使用传统的方法。
他说：“导致极端事件发生的各种因素是我们正在进行的关于天气的研究的一部分——是什么导致天气变得极端。是否有一个新因素实质性地改变了极端天气的发生方式？对于热浪来说，是的。对于其他事件，我认为这是科学进步面临的挑战之一。”
与特伦伯斯合作过的雷丁大学的谢泼德说，传统归因方法和特伦伯斯的方法都可以在不同的背景下使用。传统的归因方法可用于分析热浪、寒潮、干旱和强降雨。特伦伯斯的方法可用于飓风、野火、雷暴等事件。
他说：“我建议人们尝试这两种方法，看看哪种方法更有信息量，并找到某种方式将它们结合起来。”
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