2013年9月，一個氣旋環流在科羅拉多州博爾德上空盤旋，從墨西哥海岸附近的太平洋吸取了一條水汽河流。它連續五天向下面的人們傾瀉大雨。
僅在那一個月，博爾德的降水量就超過了全年降水量的一半。飽和的土壤拒絕吸水。水從山坡上傾瀉而下，咆哮著穿過城鎮。為了尋找合適的最高階形容詞，美國國家氣象局稱這場風暴為“聖經式”的。
科羅拉多州的洪水發生在超級風暴桑迪之後，桑迪在前一年淹沒了東北海岸，給美國造成了750億美元的損失。人們問道，這是新的常態嗎？以及這種風暴再次發生的風險是什麼？
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這個問題是歸因科學的基礎，歸因科學是一個相對較新的研究領域，由一小群科學家實踐。他們的研究結果旨在幫助掌握權力的人——政治家、人道主義工作者、水資源管理者、醫院管理者——就適應不斷變化的世界做出決策。
2015年，美國發生了10起極端天氣事件，每次事件造成的損失都超過了10億美元。這些事件造成155人死亡。全球的死亡人數更加嚴峻。根據慕尼黑再保險集團的資料，1980年至2014年間，全球約有85萬人死於熱帶風暴、洪水、熱浪、乾旱和其他災難。大多數死亡發生在亞洲。大多數貨幣損失發生在北美。
這些損失賦予了科學家們的報告政治力量。奧巴馬總統利用反常天氣來幫助說服人們氣候變化已經到來，這讓共和黨人感到不安。眾議院科學、空間和技術委員會主席、自稱氣候懷疑論者的拉馬爾·史密斯（R-得克薩斯州）在二月份批評了這種嘗試。
史密斯說：“奧巴馬總統和其他人試圖將極端天氣事件與氣候變化聯絡起來的言論是毫無根據的。”
那麼，誰是對的呢？這取決於情況。一方面，我們生活在一個不斷變化的世界中，所有極端事件都是由氣候變化和自然共同造成的。另一方面，科學家們無法利用他們掌握的技術，非常有信心地在許多極端天氣事件中找到人類的指紋。他們最多可以將熱浪和寒潮與氣候變化聯絡起來。根據美國國家科學、工程和醫學研究院的說法，他們對乾旱和強降雨的瞭解較少，對颶風、熱帶風暴、野火、極端降雪和冰雹風暴的瞭解則很少。
這導致至少一位直言不諱的科學家質疑傳統的歸因是否低估了人類對氣候的影響。現在，科學介面臨著一個新問題：不是問人類是否會影響極端天氣事件，而是假設他們會影響，轉而質疑他們影響的程度。
地球在抽菸嗎？
歸因科學誕生於一場洪水。2003年，牛津大學的氣候科學家邁爾斯·艾倫在《自然》雜誌上發表的一篇評論中寫道，他眼看著泰晤士河水位上升到離他家廚房門不到30釐米（近12英寸）的地方。在廣播中，一位氣象學家告訴聽眾，科學家們不能確定地說這場洪水是由氣候變化引起的，但類似的事件可能會更頻繁地發生。
這對艾倫來說還不夠。他寫道，那些可能失去家園的人想要更明確的答案。
自那以後，艾倫和他的同事們一直走在前列，努力說明特定的極端天氣事件是否因氣候變化而變得更有可能發生。
這是一項艱鉅的任務，因為所有的風暴都是由一套獨特的的大氣和海洋驅動因素引起的，而這些驅動因素以相同方式重複的機率為零。正如以弗所的赫拉克利特所說，“人不能兩次踏入同一條河流，因為有其他水不斷地流淌進來。”
艾倫提出了一個變通辦法。與其將特定極端事件的責任歸咎於人類，不如讓科學家們研究一類事件，例如某個地理區域的強降雨，並說明過去的人類行為是否增加了它們的風險。
非營利組織氣候中心的科學家海蒂·庫倫說：“這類似於研究，吸菸如何增加死亡的可能性或患癌症的風險？”
第二年，即2004年，艾倫和英國氣象局負責人彼得·斯托特釋出了第一份氣候變化歸因研究。前一年夏天，歐洲的氣溫創下了歷史新高。12個國家共有超過8萬人死亡。2003年8月10日，英國的氣象學家在他們的CRT電腦螢幕上看到氣溫超過了100華氏度的歷史最高紀錄。該紀錄是在1990年創下的。
艾倫和斯托特發現，人類的行為使這種熱浪的風險增加了一倍。他們說，人類的行為造成了75%的風險增加。
庫倫說：“在2004年歐洲熱浪論文發表後，閘門真正打開了，更多的科學家開始對研究個別事件感興趣。”
艾倫和斯托特分析了全球變暖最簡單的部分——熱浪。這些發現可能是一個突破，但它們並不令人驚訝。事實上，如果人類排放的所有碳沒有導致更多的熱浪，那才是不尋常的，英國雷丁大學的氣候科學家特德·謝潑德說。
他說：“如果沒有極端高溫的增加，那幾乎是不可思議的，需要非常不尋常的事情才會發生。”
我們需要兩個世界
對於其他型別的極端情況，歸因很快變得複雜起來。要理解原因，請考慮這些研究是如何進行的。
20世紀90年代，加州大學伯克利分校的科學家開始在從太空捕獲的無線電訊號中尋找來自外星人的資訊。正如預期的那樣，尋找外星人需要大量的計算能力。科學家們沒有建造一臺超級計算機，而是建立了一個名為“stay@home”的虛擬網路，該網路利用全球聯網桌面的空閒計算能力。執行它的唯一需要是那些具有一點極客精神的人，他們相互競爭以分析最多的訊號，並在排行榜上跟蹤他們的貢獻。
牛津物理學家弗裡德里克·奧托與艾倫一起領導著天氣歸因計劃，他說：“我們只是問那些正在做stay@home的人，你們是否也有興趣研究極端天氣和氣候事件？”
這些實驗在70,000臺計算機上執行。它們的設定類似於臨床試驗，例如醫生透過比較服用藥物的實驗鼠和未服用藥物的實驗鼠來測試一種藥物。對於地球來說，這種藥物是二氧化碳。科學家們想知道它是否會改變極端天氣事件的發生。他們當然需要兩組行星——一組暴露在人類面前，一組沒有——才能進行真正的研究。
相反，他們求助於計算機。氣候模型是將地球劃分為網格的虛擬表示。每個單元格都包含反映海洋、雲、水汽、氣溶膠、樹木、土壤和其他微小元件之間相互作用的演算法。科學家可以將從現實世界中獲取的觀測結果輸入到模型中，模型會及時進行計算，並輸出未來幾十年的氣候預測。
正如人們可能猜測的那樣，在演算法中表示樹如何與雲相互作用（它們確實相互作用）是具有挑戰性的。如今，大約有30個氣候模型可用，每個模型都有略微不同的物理特性，這意味著它們的預測並不總是一致。科學家們不依賴任何一個模型，而是考慮來自一組模型的多個結果，這些模型組成了一個集合，就像一群牛組成一個牛群一樣。
這些集合在溫度預測方面非常一致。它們在預測動態天氣（如雷暴）方面不太一致。
牛津小組執行他們的氣候模型數千次。一些執行類似於我們現在的地球；另一些執行則更接近18世紀的地球。極端的世界在氣候系統的混亂中展開。在一些世界中，熱浪會炙烤歐洲。在另一些世界中，歐洲大陸沐浴在宜人的夏日中。
奧托和她的同事們統計了在變暖的世界中，感興趣的天氣事件與18世紀地球相比發生的頻率。統計資料揭示了人類是否發揮了作用，以及該事件可能復發的頻率。
奧托說：“我們已經證明，對於比較容易發生的事件，這是可以做到的。”
根據一些科學家的說法，這種方法對於複雜的天氣效果不佳。
在2013年科羅拉多州洪水之後，國家海洋和大氣管理局地球系統研究實驗室在博爾德的大氣科學家馬丁·霍林和他的同事們發現，氣候變化降低了科羅拉多州北部強降雨的可能性和強度。
這些發現成了新聞：“2013年的洪水引發的降雨並非由氣候變化引起，”博爾德的《每日相機報》宣稱。
這些標題激怒了國家大氣研究中心的另一位大氣科學家凱文·特倫伯斯，他和霍林一樣駐紮在科羅拉多州。但在人類應為極端天氣承擔多少責任的問題上，他們的觀點截然相反。特倫伯斯認為，許多歸因研究往往低估了人類對氣候的影響。在他看來，幾乎每一個事件都受到我們排放的影響。
特倫伯斯說，一些科學家也同意，使用氣候模型的歸因研究對於區域性和動態的天氣事件（即曇花一現）效果不佳。這些事件包括野火、颶風、冰雹和雷暴。在某些情況下，它們包括乾旱和強降雨。
特倫伯斯說，當模型沒有為特定事件找到人為造成的氣候變化的指紋時，這並不意味著人類可以免責。
他說：“問題始終在於，模型有多好，模型與真實世界相比有多真實？在美國完成的一些工作中，尤其是在NOAA方面，很多工作過於偏重模型，而模型不夠好。結果，這些陳述對真實世界來說是不可靠的。”
當然，歸因科學家們也意識到了這些侷限性。他們會仔細選擇模型，疊加不同的方法，並強調他們知識的侷限性。他們經常用諸如“這是一個單一模型，或是一種單一方法”這樣的宣告來強調注意事項。但有時，他們並沒有這樣做。
美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家環境資訊中心的歸因科學家斯蒂芬妮·赫林承認，公眾可能不理解其中的細微差別。
她說：“像霍林等人那樣直接說他們無法在科羅拉多州的洪水中找到氣候變化的作用，我認為，這太容易被解讀為，氣候變化對科羅拉多州的洪水沒有任何影響。”
哥倫比亞大學的氣候科學家亞當·索貝爾說，隨著科學家們不斷改進氣候模型，颶風和其他動態天氣事件的歸因有望得到改善。
他說：“模型進步得非常快，計算機也進步得非常快。這不僅僅取決於這些，但這是一個可以更快改變事情的因素。”
歸因：證明氣候變化還是否定它？
特倫伯斯去年在《自然》雜誌上發表了他的擔憂。他寫道，科學家不應該問人類活動是否改變了未來特定風暴發生的可能性。
他建議，科學家應該研究特定風暴的特徵，例如其降雨量，是如何受到全球變暖影響的。
特倫伯斯在一次採訪中說：“鑑於我們已經有了一場風暴，人類對由此產生的溫度和降水的影響是什麼？”
例如，在2012年襲擊東北海岸的桑迪超級風暴的案例中，北卡羅來納州立大學的科學家加里·拉克曼分析了這個問題：既然風暴發生了，氣候變化是否使其變得更糟？他發現全球變暖可能對桑迪的風暴路徑和強度產生了適度的影響。
勞倫斯伯克利國家實驗室的歸因科學家達伊西·斯通說，大多數歸因科學家都抵制特倫伯斯的方法。這種方法基於簡單的經驗法則，保證了人為全球變暖在極端事件中發揮作用。他說，有時，人類根本沒有在極端天氣中發揮作用。
他說：“我們很可能沒有影響美國東海岸風暴的任何特徵。這可能是分析的結果——我認為認識到這是一個結果非常重要。”
美國國家海洋和大氣管理局的赫林說，另一個缺點是特倫伯斯的方法給出了定性的結果，這對政策制定沒有太大用處。
她說：“簡單地告訴水資源管理者，‘哦，是的，氣候變化正在使強降水事件更有可能發生’，這並不是特別有用的資訊。這真的會改變我們的決策嗎？”
霍林認為關於歸因的爭議是短視的。他說，氣候科學家研究極端事件是為了更好地瞭解氣候系統，最終目標是生成更準確的天氣預報。他認為，最好的方法是使用傳統的方法。
他說：“導致極端事件發生的各種因素是我們正在進行的關於天氣的研究的一部分——是什麼導致天氣變得極端。是否有一個新因素實質性地改變了極端天氣的發生方式？對於熱浪來說，是的。對於其他事件，我認為這是科學進步面臨的挑戰之一。”
與特倫伯斯合作過的雷丁大學的謝潑德說，傳統歸因方法和特倫伯斯的方法都可以在不同的背景下使用。傳統的歸因方法可用於分析熱浪、寒潮、乾旱和強降雨。特倫伯斯的方法可用於颶風、野火、雷暴等事件。
他說：“我建議人們嘗試這兩種方法，看看哪種方法更有資訊量，並找到某種方式將它們結合起來。”
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