编者注：本文是约翰·凯瑞三部曲系列文章的第二篇。第一部分于 6 月 28 日发布，标题为“风暴警报：极端天气是气候变化的产物”。
极端洪水、长期干旱、酷热热浪、大规模暴雨等等，似乎不仅仅是在过去几年中变得像新常态——根据再保险公司慕尼黑再保险公司收集的数据（见本系列第一部分），它们确实变得更加普遍。但是，这种增加是人为造成的气候变化导致的，还是仅仅是自然气候变化造成的？毕竟，有记录的洪水和干旱可以追溯到人类文明的早期，那时还没有煤炭、石油和天然气，现代工业世界也还不可能出现。
直到最近，科学家们还只能说，更极端的天气与人类排放到大气中的温室气体导致的气候变化“一致”。然而，现在他们可以开始说，由于人为造成的大气变化，发生极端天气的可能性增加了——并且如果没有全球变暖，许多个别事件就不会以同样的方式发生。原因是：气候变化的信号终于从天气的巨大自然变异性“噪音”中显现出来。
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科学家们将天气的正常变化比作掷骰子。向大气中添加温室气体就像给骰子加码，增加了发生极端天气事件的几率。然而，不仅仅是天气骰子被改变了。正如澳大利亚新南威尔士大学气候变化研究中心联合主任史蒂夫·舍伍德所说，“这更像是给其中一个骰子的每个面上涂上一个额外的点，使其从 2 到 7 而不是 1 到 6。这增加了掷出 11 或 12 的几率，但也使得掷出 13 成为可能。”
为什么？基本物理学在起作用：自工业化前时代以来，由于二氧化碳和其他温室气体排放到大气中，地球已经升温了大约 1 摄氏度。英国气象局哈德利气候变化中心的气候监测和归因负责人彼得·斯托特解释说，气温每升高 1 摄氏度（1.8 华氏度），大气可以容纳的水汽量就会增加 7%。 “这非常显著，”他说。在某些地方，增幅更大。爱荷华州立大学艾姆斯分校气象学教授吉恩·塔克勒收集的数据显示，在州首府得梅因，过去 50 年夏季水分增加了 13%。
降雨过多的物理学
大气中水分的增加不可避免地意味着更多的降雨。这是显而易见的。但并非任何类型的降雨，气候模型预测。斯托特说，由于地球的大规模能量平衡，“最终结果是，总降雨量每升高 1 摄氏度仅增加 2% 到 3%，而极端降雨量增加 6% 到 7%”。原因再次来自物理学。降雨发生在当大气冷却到足以使水蒸气凝结成液体时。“然而，由于对流层中温室气体数量的增加，辐射冷却效率降低，因为较少的辐射可以逸散到太空，”斯托特解释说。“因此，全球降水量增加较少，约为每升高 1 摄氏度增加 2% 到 3%。”但是，由于额外的水分，当发生降水（包括雨和雪）时，更有可能以更大的事件形式出现。
爱荷华州是符合这种模式的众多地方之一。塔克勒记录了该州高降雨事件增加了三到七倍，包括 1993 年 500 年一遇的密西西比河洪水、2008 年锡达拉皮兹洪水以及 2010 年艾姆斯的 500 年一遇事件，该事件淹没了希尔顿体育馆篮球场，水深八英尺（2.5 米）深 。 “我们不能有信心地说 2010 年艾姆斯洪水是由气候变化引起的，但我们可以说骰子被加码，会带来更多此类事件，”塔克勒说。
似乎每个月新闻中都会出现更多事件，从沙特阿拉伯利雅得前所未有的洪水，到 2011 年初袭击美国东北部的特大暴风雪，再到 2010 年 11 月至 2011 年 1 月澳大利亚的暴雨，淹没了德国和法国 大小的面积。澳大利亚当地官员称之为“圣经般的灾难”甚至引发了全球经济冲击波：该国生产力极高的煤矿被淹，导致世界煤炭价格飙升。
更多暴风雨天气
许多科学家说，大气中更多的水分和能量，以及更温暖的海洋温度，也意味着更强烈的飓风。事实上，2010 年是几十年来首次在北大西洋同时形成两个 4 级飓风——伊戈尔和朱莉娅。此外，改变的条件增加了发生更强雷暴的可能性，这些雷暴带有猛烈的上升气流，就像 2010 年 7 月 23 日发生在南达科他州维维安的暴风雨一样，它产生的冰雹在屋顶上砸出了垒球大小的洞——甚至创造了一个巨大的冰球，即使在部分融化后，其直径也达到了美国纪录的 8 英寸（20 厘米）。 “我以前从未见过这样的风暴——希望我永远不会再经历这样的事情，”维维安的农民和牧场主莱斯·斯科特说，他发现了冰雹 。
地球变暖也改变了大规模环流模式。科学家们知道，太阳加热赤道附近的潮湿空气，导致空气上升。当空气上升时，它会冷却并以热带雨的形式释放大部分水分。一旦升到 6 到 10 英里（9.5 到 16 公里）高空，现在干燥的空气就会向两极移动，当到达副热带地区时下降，通常在下加利福尼亚半岛的纬度。这种被称为哈德利环流的环流模式有助于荒漠化、信风和急流。
然而，气候模型预测，在更温暖的地球上，干燥的空气将在从赤道向北和向南移动更远之后才会下降，这使得美国西南部和地中海等地区更加干燥。这种扩大的哈德利环流也会将风暴向更北的方向转移。模型正确吗？哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的理查德·西格一直在寻找西南部气候变化引起的干燥趋势，“似乎有一些初步证据表明它正在开始发生，”他说。“这让我们对模型充满信心。”事实上，其他研究表明，哈德利环流不仅扩大了，而且扩大的幅度超过了模型的预测。
大气环流的这种变化可以解释西南部目前 11 年的干旱以及明尼苏达州去年成为美国龙卷风数量第一的州。2010 年 10 月 26 日，明尼阿波利斯地区甚至经历了创纪录的低气压，明尼苏达州 WeatherNation 的创始人兼首席执行官保罗·道格拉斯将其称为“陆地飓风”——一场席卷全国的类似飓风的风暴。“我以为我家的窗户会被吹破，”道格拉斯回忆道。“我追逐过龙卷风，也飞进过飓风，但从未经历过这样的事情。”他补充说，但这在气候变化的背景下是有道理的。“每一天，每一周，又一块拼图就位了，”他说。“更极端的天气似乎已成为常态，而不仅仅是在美国，在欧洲和亚洲也是如此。”
气候归因的兴起
人类真的要对此负责吗？这就是哈德利的彼得·斯托特和其他科学家开创的蓬勃发展的气候归因领域发挥作用的地方。这个想法是寻找温度或降水数据中的趋势，这些趋势提供了气候总体变化的证据。当这些趋势存在时，就有可能计算出气候变化对极端事件的贡献有多大。或者用更专业的术语来说，特定温度或降雨量的概率大致呈钟形曲线。气候变化会移动整个曲线。反过来，这增加了在钟形曲线尾端经历更极端天气的可能性。虽然日常天气仍然变化无常，但人类引起的气候潜在变化增加了极端事件的威力和数量。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的德克·阿恩特更生动地描述道：“天气出拳，但气候训练拳击手，”他说。因此，通过绘制总体变化，就有可能计算出全球变暖导致极端事件发生几率增加的程度。
早在 2003 年，斯托特在意大利和瑞士度蜜月旅行时经历了有记录以来最严重的热浪时，就已经有了这个想法。他注意到的一个引人注目的后果是，瑞士山脉失去了往常悦耳的牛铃声。“山上没有水，农民不得不把所有的奶牛都带到山谷里，”他说。他决定在他返回英格兰埃克塞特的办公室后，看看他是否可以将部分责任归咎于气候变化。“我没想到会得到积极的结果，”他说。
但他确实得到了。事实上，即使仅使用到 2000 年的数据，欧洲变暖气候的信号也非常明显。在《自然》杂志上发表的一篇具有里程碑意义的论文中，斯托特及其同事得出结论，像 2003 年事件这样的热浪发生的几率因气候变化而增加了一倍以上。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）此后收集的数据显示，与工业化前时代相比，发生的几率至少高出四倍。“我们非常清楚误归因的风险，”斯托特说。“我们不想指着具体的事件说它们是气候变化的一部分，而实际上它们是由于自然变异性造成的。但对于某些事件，如 2003 年的热浪，我们有可靠的证据来支持它。”
案例分析：卡特里娜飓风
科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心 (NCAR) 的气候分析负责人凯文·特伦伯斯说，另一个具有明显全球变暖成分的事件是卡特里娜飓风。特伦伯斯计算出，全球整体变暖、大气中水分升高和海面温度升高的综合作用意味着“卡特里娜飓风中 4% 到 6% 的降水——额外 1 英寸 [2.5 厘米] 的降雨——是由于全球变暖造成的，”他说。“这听起来可能不多，但这可能是压垮骆驼的最后一根稻草，或者导致堤坝溃坝。” 这也是一个非常保守的估计。“当水分凝结时产生的额外热量可以增强风暴，并在某个时刻，风暴就会爆发，”他说。“这肯定适用于纳什维尔。” 因此，他说，气候变化对卡特里娜飓风的贡献可能高达他计算结果的两倍。再加上更高的风速和额外的能量，很容易看出风暴如何变得更具破坏性。
这种归因科学并非没有争议。另一个案例分析：2010 年俄罗斯热浪，这场热浪摧毁了该国四分之一的小麦作物，并使莫斯科的天空因火灾而变得昏暗。实际的气象原因是毫无疑问的。“大气环流被阻塞了，”同样在博尔德的 NOAA 地球系统研究实验室的研究气象学家马丁·霍林解释说。“急流向北移动，带来了更长时间的高压和停滞天气条件。” 但是什么导致了阻塞？霍林在俄罗斯西部寻找潜在的长期温度趋势，这种趋势可能像斯托特对 2003 年欧洲事件所做的那样，增加了热浪发生的几率。他一无所获。“最好的解释是意外的黑天鹅事件——一些突如其来的事情，”他说。
NCAR 的特伦伯斯反驳说，错了。他认为，炎热干燥的地中海气候明显扩展到俄罗斯西部，这与气候变化预测相符——这也加剧了巴基斯坦季风。“我完全否定马蒂——让他说你不能将热浪归因于气候变化无济于事，”他说。“我们可以说的是，与卡特里娜飓风一样，如果没有全球变暖，这件事就不会以同样的方式发生。”
然而，即使是这场争论也比最初看起来要小。毫无疑问的是，俄罗斯热浪是一个预兆——气候模型预测的未来景象。即使是霍林也将其视为即将到来的自然灾害的预演。他说，到 2080 年，此类事件预计平均每五年发生一次：“这是一个很好的警钟。这种现象将变得非常普遍。”
明日：第三部分：“我们的极端未来：预测和应对变化的气候”。
本报道由皮尤全球气候变化中心资助