乾旱、熱浪和洪水：如何判斷氣候變化是否是罪魁禍首

北半球又在經歷一個異常炎熱的夏季。日本已宣佈其創紀錄的氣溫為自然災害。歐洲在持續的高溫下烘烤，希臘和異常的北極地區發生了破壞性的野火。而乾旱引發的野火正在美國西部蔓延。

對於英國牛津大學的氣候建模師弗裡德里克·奧托來說，過去一週是忙亂的，因為記者們紛紛要求她對氣候變化在夏季高溫中的作用發表看法。“這太瘋狂了，”她說。通常的科學回應是，由於全球變暖，嚴重的熱浪將變得更加頻繁。但是奧托和她的同事們想回答一個更具體的問題：氣候變化如何影響了這次特定的熱浪？經過三天使用計算機模型的工作，他們於7月27日宣佈，他們對北歐的初步分析表明，氣候變化使許多地方發生熱浪的可能性增加了一倍以上。

很快，記者們或許可以從氣象機構定期獲得這種快速分析，而不是從學術界臨時獲得。在奧托的幫助下，德國國家氣象局正準備成為世界上第一個提供快速評估全球變暖與特定氣象事件之間聯絡的機構。該機構希望在2019年或2020年之前，幾乎立即在社交媒體上釋出其發現，並在事件發生後一兩週內釋出完整的公開報告。“我們希望量化氣候變化對任何可能給德國或中歐帶來極端天氣的大氣條件的影響，”位於奧芬巴赫的氣象機構副總裁保羅·貝克爾說。“科學已經成熟，可以開始這樣做了”。

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歐盟也對此感興趣。位於英國雷丁的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）正準備到2020年試行一個類似的專案，該專案將尋求將極端事件（如熱浪或洪水）歸因於人為引起的氣候變化。歐盟哥白尼氣候變化服務部負責人理查德·迪表示，如果效果良好，歐盟的定期歸因服務可能會在一兩年後到位。“這很雄心勃勃，但可以做到，”也是在協助建立歐盟工作的奧托說。

氣象機構正在考慮提供這種常規服務，這表明自十多年前的第一個前沿研究專案試圖將個別天氣事件歸因於氣候變化以來，“歸因科學”已經取得了長足的進步。現在，經過同行評審期刊中超過170項研究之後，歸因科學準備走出實驗室，進入日常世界。它在某些型別的極端天氣現象方面仍然存在困難，但是隨著氣象服務開始定期提供歸因資訊，更大的挑戰是如何使研究對可能使用它們的人們有所幫助。“做出科學上可靠的歸因陳述是一回事，”牛津大學的社會科學家彼得·沃爾頓說。“如何使用這些資訊是另一回事。”

歸因101

歸因科學背後的想法很簡單。諸如破紀錄的熱浪和極端降雨等災難可能會變得越來越普遍，因為溫室氣體的積累正在改變大氣層。較暖的空氣含有更多的水蒸氣並儲存更多的能量；氣溫升高還會改變大規模的大氣環流模式。但是極端天氣也可能來自自然迴圈，例如厄爾尼諾現象，它會週期性地使熱帶太平洋海面溫度升高。

研究人員表示，梳理出人為造成的全球變暖（而不是自然波動）在個別極端天氣中的作用，將有助於城市規劃者、工程師和房主瞭解哪些型別的洪水、乾旱和其他天氣災害的風險正在增加。調查表明，當人們剛剛經歷過極端天氣時，他們更有可能支援專注於適應氣候變化影響的政策，因此，快速驗證區域事件與氣候變化之間的聯絡，或排除這種聯絡，可能特別有效。

牛津大學環境變化研究所副所長奧托是歸因科學的資深人士，已經進行了二十多項分析。例如，6月4日，她和她的同事完成了一項針對非洲南部邊緣的研究，該地區遭受了三年乾旱的困擾。到今年年初，南非西開普省的局勢變得如此嚴峻，以至於開普敦的官員警告說他們很快就會達到“零日”，屆時該地區將用完滿足基本需求的水——這對於一個主要城市來說是第一次。

隨著“零日”的報道成為國際頭條新聞，奧托和開普敦大學的氣候科學家馬克·紐決定，該事件是歸因研究的一個很好的候選物件。由於他們沒有為該專案提供專門的資金，所以他們在業餘時間工作，來自荷蘭、南非、美國和英國的研究人員首先確定了多年乾旱的區域範圍。他們還建立了一個嚴重程度指數，該指數結合了降雨和熱量的測量值。然後，這些團隊轉向了歸因研究的主力：模擬地球氣候的複雜計算機模型。在五個獨立的模型上，他們進行了數千次模擬。其中一些考慮了觀測到的人為產生的溫室氣體水平；另一些則以自然濃度的氣體執行，就好像工業革命從未發生過一樣。研究人員比較了在數千次測試執行中出現類似嚴重程度和範圍的乾旱的次數。大多數團隊使用自己的專用計算機，但是該研究的牛津分部在weather@home模型集合上進行了模擬，這是一個分散式計算框架，利用了數千名志願者的個人計算機的空閒時間。

到該團隊在6月份會面時，南非已經恢復降雨，並且推遲了“零日”的到來。但是科學家們仍在追查特大幹旱的原因，這可能有助於確定該地區是否可能很快再次面臨這種情況。奧托在牛津的辦公室裡協調了一次四方Skype電話會議，當同事們同意分析產生了結果時，她看起來鬆了一口氣。“全球變暖使該地區連續三年乾旱的可能性增加了兩倍，”她說。

這些發現來得正是時候，讓位於荷蘭海牙紅十字會紅新月會氣候中心的風險顧問魯普·辛格在兩週後在開普敦舉行的氣候變化適應會議上介紹了研究結果。辛格說，那裡的研究人員並沒有發現研究結果特別令人震驚，但他們確實引發了激烈的討論，即乾旱風險的增加是否可以幫助證明加大對開普敦供水來源多樣化的投資是合理的。奧托的研究於7月13日發表在世界天氣歸因網站上，該網站是由六個研究機構（包括牛津大學）組成的合作伙伴關係，於2014年共同分析和交流氣候變化對極端天氣事件的可能影響。

儘管開普敦今年避免了“零日”，但該地區的政策制定者表示，奧托的研究結果給可能傾向於低估全球變暖風險的供水部門發出了一個令人警醒的警告。“這是一個非常強烈的訊號，我們不能忽視，”西開普省政府經濟發展和旅遊部綠色經濟主管海倫·戴維斯說。“我們可能需要對水資源管理採取全新的方法，”她說。

奧托團隊的工作加入了關於氣候歸因的快速增長的研究體系。根據《自然》雜誌的一項分析，從2004年到2018年中期，科學家發表了170多篇報告，涵蓋了全球190起極端天氣事件，該分析建立在此前《碳簡報》發表的工作的基礎之上。到目前為止，研究結果表明，所研究的極端天氣事件中約有三分之二是由人為引起的氣候變化造成的，或者變得更加嚴重（見“歸因科學”）。熱極端事件佔此類事件的43％以上，其次是乾旱（18％）和極端降雨或洪水（17％）。2017年，研究首次指出，如果沒有氣候變化，就不會發生三起極端事件：2016年亞洲的熱浪、同年全球創紀錄的高溫以及2014-16年阿拉斯加灣和白令海的海洋變暖。但是在《自然》雜誌的分析中，有29％的案例，現有證據要麼沒有顯示出明顯的人為影響，要麼不具決定性，科學家無法做出任何判斷。

有時，關於特定事件的研究似乎得出了相反的結論。一項關於2010年俄羅斯熱浪的研究發現，其嚴重程度仍在自然變異的範圍內。另一項分析確定氣候變化使該事件發生的可能性更高。媒體發現研究結果令人困惑，但氣候科學家說，這種差異並不奇怪，因為這兩項研究著眼於不同的問題：嚴重程度和頻率。奧托說：“這個例子表明，提出和交流歸因問題是一個真正的挑戰。”但是她補充說，從那時起，研究人員在如何建立和展示研究方面變得更加成熟。

快速報告

如果研究人員能夠全身心投入，南非的研究本可以更快完成。今年在歐洲熱浪期間進行的工作並非首次快速研究：例如，2015年，在歐洲另一次酷熱熱浪期間，一個國際研究團隊（包括奧托）在幾周內發現，氣候變化如何使類似的熱浪在一些歐洲城市發生的可能性增加了四倍，並且在歐洲大陸的大部分地區至少增加了兩倍。氣象機構計劃在將這些實驗方法投入常規執行時，以更快的速度工作。在過去的幾個月中，奧托與德國氣象局的工作人員進行了廣泛的交談，向他們介紹瞭如何使用最佳方法進行歸因研究。6月21日，她與該機構簽署了一項協議，允許免費使用牛津大學的weather@home模型。與此同時，哥白尼氣候變化服務中心已要求奧托和她的兩位同事撰寫一篇論文，描述進行快速歸因研究的工作流程和方法，該論文將於9月發表。

奧托說，之所以需要快速歸因服務，是因為在極端天氣事件發生後，人們經常會立即提出關於氣候變化作用的問題。“如果我們科學家不發表任何意見，其他人會根據他們的議程而非科學證據來回答這個問題。因此，如果我們希望科學成為正在進行的討論的一部分，我們需要快速發表一些看法，”她說。

如果天氣預報員在工作經過同行評審之前就宣佈結果，一些科學家可能會感到不舒服。但英國愛丁堡大學的氣候科學家加布裡埃爾·黑格爾表示，在這些情況下，方法已經過廣泛審查。黑格爾也是美國國家科學院2016年報告的合著者，該報告的結論是，歸因科學發展迅速，並受益於與業務天氣預測的聯絡。“對於我們理解得相當好的事件型別，例如熱浪，快速獲得結果可能非常有用，”她說。“你不需要同行評審天氣預報，”奧托補充道。

但黑格爾說，並非所有參與歸因研究的科學都是確定的。計算機演算法仍然難以模擬由空氣快速對流引起的嚴重區域性風暴，例如小型冰雹和龍捲風，因此科學家無法判斷氣候變化是否使這些事件更有可能發生。在一些非洲國家等缺乏長期氣候記錄的地方，可靠的歸因也很困難甚至不可能。而且，可能仍然存在在相對較短的直接氣候觀測記錄中未完全顯現的自然氣候變異。為了追蹤非常長期的氣候波動——例如由大氣壓力模式或每幾十年迴圈一次的海面溫度變化引起的波動——研究人員必須依賴低解析度的替代資料，例如來自樹木年輪的資料。蘇黎世瑞士聯邦理工學院的氣候科學家埃裡希·費舍爾表示，這種變異性並非總是出現在直接觀測中，這確實給研究帶來了一些不確定性，特別是對於乾旱歸因的研究。

在2012年於牛津舉行的一次會議上，一些批評者質疑，鑑於缺乏觀測資料和當時氣候模型的不足之處，氣候科學家是否可以對歸因研究的結論充滿信心。但自那時以來，疑慮基本上已被消除。研究人員現在使用幾個獨立的氣候模型執行研究，這減少了不確定性，因為他們可以尋找一致的結果。科學家們在做出機率性宣告時也更加謹慎。“自開始以來，極端事件歸因取得了很大進展，儘管資源匱乏，”費舍爾說。“它可能仍然不適用於小型冰雹或龍捲風。但對於任何可以透過最先進的氣候模型表示的大規模天氣模式，歸因宣告現在都相當可靠。”

影響不明

在南非，戴維斯說，奧托的最新研究應有助於推動區域水資源管理新方法的實施。“在第二年乾旱之後，氣象學家向我們保證，不可能連續第三年出現乾旱。但我們不能再將過去用於預測未來可能發生的事情。我們需要學會適應不斷變化的氣候，而我們需要歸因來正確地做到這一點。”她說，最近的乾旱和歸因分析的教訓之一是，西開普省不應僅僅依賴降雨來補充其供水。相反，它應該透過開採地下水以及擴大海水淡化和廢水處理設施來實現多元化。

但社會科學家說，總的來說，很難知道歸因研究正在產生什麼影響。這是因為很難將這些發現的影響與預測與氣候變化相關的極端天氣風險增加的其他研究的影響，或與天氣事件本身的衝擊區分開來。儘管如此，如果歸因研究開始定期出現在天氣報告中，而不僅僅是在科學期刊中，那麼它們的影響可能會變得更加明顯，德國斯圖加特大學的空間和區域規劃專家約恩·伯克曼說。“如果這些事件明確歸因於氣候變化，那麼計劃和批准新住宅區、醫院或火車站的城市和基礎設施規劃人員需要更準確地考慮極端天氣事件的風險，”他說。

伯克曼和倫敦的國際環境律師組織 ClientEarth 的執行長詹姆斯·桑頓認為，歸因報告中的證據也可以用於氣候變化的訴訟。桑頓說，尚未有指控未能為氣候變化影響做好準備的法庭案件引用歸因研究。但他認為，法官將越來越多地依賴它們來幫助決定被告——可能是石油公司、建築師或政府機構——是否可以承擔責任。“法院傾向於相信政府資料，”他說。“如果歸因從科學轉向公共服務，法官將更願意使用結果。”

德國氣象局的貝克爾表示，他相信歸因研究將成為社會許多部門的寶貴服務。“闡明氣候與天氣之間的聯絡是我們使命的一部分，”他說。“對這些資訊有需求，有科學可以提供它，我們很高興傳播它。”

本文經許可轉載，並於 2018 年 7 月 30 日首次發表。