干旱、热浪和洪水：如何判断气候变化是否是罪魁祸首

北半球又在经历一个异常炎热的夏季。日本已宣布其创纪录的气温为自然灾害。欧洲在持续的高温下烘烤，希腊和异常的北极地区发生了破坏性的野火。而干旱引发的野火正在美国西部蔓延。

对于英国牛津大学的气候建模师弗里德里克·奥托来说，过去一周是忙乱的，因为记者们纷纷要求她对气候变化在夏季高温中的作用发表看法。“这太疯狂了，”她说。通常的科学回应是，由于全球变暖，严重的热浪将变得更加频繁。但是奥托和她的同事们想回答一个更具体的问题：气候变化如何影响了这次特定的热浪？经过三天使用计算机模型的工作，他们于7月27日宣布，他们对北欧的初步分析表明，气候变化使许多地方发生热浪的可能性增加了一倍以上。

很快，记者们或许可以从气象机构定期获得这种快速分析，而不是从学术界临时获得。在奥托的帮助下，德国国家气象局正准备成为世界上第一个提供快速评估全球变暖与特定气象事件之间联系的机构。该机构希望在2019年或2020年之前，几乎立即在社交媒体上发布其发现，并在事件发生后一两周内发布完整的公开报告。“我们希望量化气候变化对任何可能给德国或中欧带来极端天气的大气条件的影响，”位于奥芬巴赫的气象机构副总裁保罗·贝克尔说。“科学已经成熟，可以开始这样做了”。

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欧盟也对此感兴趣。位于英国雷丁的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）正准备到2020年试行一个类似的项目，该项目将寻求将极端事件（如热浪或洪水）归因于人为引起的气候变化。欧盟哥白尼气候变化服务部负责人理查德·迪表示，如果效果良好，欧盟的定期归因服务可能会在一两年后到位。“这很雄心勃勃，但可以做到，”也是在协助建立欧盟工作的奥托说。

气象机构正在考虑提供这种常规服务，这表明自十多年前的第一个前沿研究项目试图将个别天气事件归因于气候变化以来，“归因科学”已经取得了长足的进步。现在，经过同行评审期刊中超过170项研究之后，归因科学准备走出实验室，进入日常世界。它在某些类型的极端天气现象方面仍然存在困难，但是随着气象服务开始定期提供归因信息，更大的挑战是如何使研究对可能使用它们的人们有所帮助。“做出科学上可靠的归因陈述是一回事，”牛津大学的社会科学家彼得·沃尔顿说。“如何使用这些信息是另一回事。”

归因101

归因科学背后的想法很简单。诸如破纪录的热浪和极端降雨等灾难可能会变得越来越普遍，因为温室气体的积累正在改变大气层。较暖的空气含有更多的水蒸气并储存更多的能量；气温升高还会改变大规模的大气环流模式。但是极端天气也可能来自自然循环，例如厄尔尼诺现象，它会周期性地使热带太平洋海面温度升高。

研究人员表示，梳理出人为造成的全球变暖（而不是自然波动）在个别极端天气中的作用，将有助于城市规划者、工程师和房主了解哪些类型的洪水、干旱和其他天气灾害的风险正在增加。调查表明，当人们刚刚经历过极端天气时，他们更有可能支持专注于适应气候变化影响的政策，因此，快速验证区域事件与气候变化之间的联系，或排除这种联系，可能特别有效。

牛津大学环境变化研究所副所长奥托是归因科学的资深人士，已经进行了二十多项分析。例如，6月4日，她和她的同事完成了一项针对非洲南部边缘的研究，该地区遭受了三年干旱的困扰。到今年年初，南非西开普省的局势变得如此严峻，以至于开普敦的官员警告说他们很快就会达到“零日”，届时该地区将用完满足基本需求的水——这对于一个主要城市来说是第一次。

随着“零日”的报道成为国际头条新闻，奥托和开普敦大学的气候科学家马克·纽决定，该事件是归因研究的一个很好的候选对象。由于他们没有为该项目提供专门的资金，所以他们在业余时间工作，来自荷兰、南非、美国和英国的研究人员首先确定了多年干旱的区域范围。他们还创建了一个严重程度指数，该指数结合了降雨和热量的测量值。然后，这些团队转向了归因研究的主力：模拟地球气候的复杂计算机模型。在五个独立的模型上，他们进行了数千次模拟。其中一些考虑了观测到的人为产生的温室气体水平；另一些则以自然浓度的气体运行，就好像工业革命从未发生过一样。研究人员比较了在数千次测试运行中出现类似严重程度和范围的干旱的次数。大多数团队使用自己的专用计算机，但是该研究的牛津分部在weather@home模型集合上进行了模拟，这是一个分布式计算框架，利用了数千名志愿者的个人计算机的空闲时间。

到该团队在6月份会面时，南非已经恢复降雨，并且推迟了“零日”的到来。但是科学家们仍在追查特大干旱的原因，这可能有助于确定该地区是否可能很快再次面临这种情况。奥托在牛津的办公室里协调了一次四方Skype电话会议，当同事们同意分析产生了结果时，她看起来松了一口气。“全球变暖使该地区连续三年干旱的可能性增加了两倍，”她说。

这些发现来得正是时候，让位于荷兰海牙红十字会红新月会气候中心的风险顾问鲁普·辛格在两周后在开普敦举行的气候变化适应会议上介绍了研究结果。辛格说，那里的研究人员并没有发现研究结果特别令人震惊，但他们确实引发了激烈的讨论，即干旱风险的增加是否可以帮助证明加大对开普敦供水来源多样化的投资是合理的。奥托的研究于7月13日发表在世界天气归因网站上，该网站是由六个研究机构（包括牛津大学）组成的合作伙伴关系，于2014年共同分析和交流气候变化对极端天气事件的可能影响。

尽管开普敦今年避免了“零日”，但该地区的政策制定者表示，奥托的研究结果给可能倾向于低估全球变暖风险的供水部门发出了一个令人警醒的警告。“这是一个非常强烈的信号，我们不能忽视，”西开普省政府经济发展和旅游部绿色经济主管海伦·戴维斯说。“我们可能需要对水资源管理采取全新的方法，”她说。

奥托团队的工作加入了关于气候归因的快速增长的研究体系。根据《自然》杂志的一项分析，从2004年到2018年中期，科学家发表了170多篇报告，涵盖了全球190起极端天气事件，该分析建立在此前《碳简报》发表的工作的基础之上。到目前为止，研究结果表明，所研究的极端天气事件中约有三分之二是由人为引起的气候变化造成的，或者变得更加严重（见“归因科学”）。热极端事件占此类事件的43％以上，其次是干旱（18％）和极端降雨或洪水（17％）。2017年，研究首次指出，如果没有气候变化，就不会发生三起极端事件：2016年亚洲的热浪、同年全球创纪录的高温以及2014-16年阿拉斯加湾和白令海的海洋变暖。但是在《自然》杂志的分析中，有29％的案例，现有证据要么没有显示出明显的人为影响，要么不具决定性，科学家无法做出任何判断。

有时，关于特定事件的研究似乎得出了相反的结论。一项关于2010年俄罗斯热浪的研究发现，其严重程度仍在自然变异的范围内。另一项分析确定气候变化使该事件发生的可能性更高。媒体发现研究结果令人困惑，但气候科学家说，这种差异并不奇怪，因为这两项研究着眼于不同的问题：严重程度和频率。奥托说：“这个例子表明，提出和交流归因问题是一个真正的挑战。”但是她补充说，从那时起，研究人员在如何建立和展示研究方面变得更加成熟。

快速报告

如果研究人员能够全身心投入，南非的研究本可以更快完成。今年在欧洲热浪期间进行的工作并非首次快速研究：例如，2015年，在欧洲另一次酷热热浪期间，一个国际研究团队（包括奥托）在几周内发现，气候变化如何使类似的热浪在一些欧洲城市发生的可能性增加了四倍，并且在欧洲大陆的大部分地区至少增加了两倍。气象机构计划在将这些实验方法投入常规运行时，以更快的速度工作。在过去的几个月中，奥托与德国气象局的工作人员进行了广泛的交谈，向他们介绍了如何使用最佳方法进行归因研究。6月21日，她与该机构签署了一项协议，允许免费使用牛津大学的weather@home模型。与此同时，哥白尼气候变化服务中心已要求奥托和她的两位同事撰写一篇论文，描述进行快速归因研究的工作流程和方法，该论文将于9月发表。

奥托说，之所以需要快速归因服务，是因为在极端天气事件发生后，人们经常会立即提出关于气候变化作用的问题。“如果我们科学家不发表任何意见，其他人会根据他们的议程而非科学证据来回答这个问题。因此，如果我们希望科学成为正在进行的讨论的一部分，我们需要快速发表一些看法，”她说。

如果天气预报员在工作经过同行评审之前就宣布结果，一些科学家可能会感到不舒服。但英国爱丁堡大学的气候科学家加布里埃尔·黑格尔表示，在这些情况下，方法已经过广泛审查。黑格尔也是美国国家科学院2016年报告的合著者，该报告的结论是，归因科学发展迅速，并受益于与业务天气预测的联系。“对于我们理解得相当好的事件类型，例如热浪，快速获得结果可能非常有用，”她说。“你不需要同行评审天气预报，”奥托补充道。

但黑格尔说，并非所有参与归因研究的科学都是确定的。计算机算法仍然难以模拟由空气快速对流引起的严重局部风暴，例如小型冰雹和龙卷风，因此科学家无法判断气候变化是否使这些事件更有可能发生。在一些非洲国家等缺乏长期气候记录的地方，可靠的归因也很困难甚至不可能。而且，可能仍然存在在相对较短的直接气候观测记录中未完全显现的自然气候变异。为了追踪非常长期的气候波动——例如由大气压力模式或每几十年循环一次的海面温度变化引起的波动——研究人员必须依赖低分辨率的替代数据，例如来自树木年轮的数据。苏黎世瑞士联邦理工学院的气候科学家埃里希·费舍尔表示，这种变异性并非总是出现在直接观测中，这确实给研究带来了一些不确定性，特别是对于干旱归因的研究。

在2012年于牛津举行的一次会议上，一些批评者质疑，鉴于缺乏观测数据和当时气候模型的不足之处，气候科学家是否可以对归因研究的结论充满信心。但自那时以来，疑虑基本上已被消除。研究人员现在使用几个独立的气候模型运行研究，这减少了不确定性，因为他们可以寻找一致的结果。科学家们在做出概率性声明时也更加谨慎。“自开始以来，极端事件归因取得了很大进展，尽管资源匮乏，”费舍尔说。“它可能仍然不适用于小型冰雹或龙卷风。但对于任何可以通过最先进的气候模型表示的大规模天气模式，归因声明现在都相当可靠。”

影响不明

在南非，戴维斯说，奥托的最新研究应有助于推动区域水资源管理新方法的实施。“在第二年干旱之后，气象学家向我们保证，不可能连续第三年出现干旱。但我们不能再将过去用于预测未来可能发生的事情。我们需要学会适应不断变化的气候，而我们需要归因来正确地做到这一点。”她说，最近的干旱和归因分析的教训之一是，西开普省不应仅仅依赖降雨来补充其供水。相反，它应该通过开采地下水以及扩大海水淡化和废水处理设施来实现多元化。

但社会科学家说，总的来说，很难知道归因研究正在产生什么影响。这是因为很难将这些发现的影响与预测与气候变化相关的极端天气风险增加的其他研究的影响，或与天气事件本身的冲击区分开来。尽管如此，如果归因研究开始定期出现在天气报告中，而不仅仅是在科学期刊中，那么它们的影响可能会变得更加明显，德国斯图加特大学的空间和区域规划专家约恩·伯克曼说。“如果这些事件明确归因于气候变化，那么计划和批准新住宅区、医院或火车站的城市和基础设施规划人员需要更准确地考虑极端天气事件的风险，”他说。

伯克曼和伦敦的国际环境律师组织 ClientEarth 的首席执行官詹姆斯·桑顿认为，归因报告中的证据也可以用于气候变化的诉讼。桑顿说，尚未有指控未能为气候变化影响做好准备的法庭案件引用归因研究。但他认为，法官将越来越多地依赖它们来帮助决定被告——可能是石油公司、建筑师或政府机构——是否可以承担责任。“法院倾向于相信政府数据，”他说。“如果归因从科学转向公共服务，法官将更愿意使用结果。”

德国气象局的贝克尔表示，他相信归因研究将成为社会许多部门的宝贵服务。“阐明气候与天气之间的联系是我们使命的一部分，”他说。“对这些信息有需求，有科学可以提供它，我们很高兴传播它。”

本文经许可转载，并于 2018 年 7 月 30 日首次发表。