編者注：本文是約翰·凱瑞三部曲系列文章的第二篇。第一部分於 6 月 28 日釋出，標題為“風暴警報：極端天氣是氣候變化的產物”。
極端洪水、長期乾旱、酷熱熱浪、大規模暴雨等等，似乎不僅僅是在過去幾年中變得像新常態——根據再保險公司慕尼黑再保險公司收集的資料（見本系列第一部分），它們確實變得更加普遍。但是，這種增加是人為造成的氣候變化導致的，還是僅僅是自然氣候變化造成的？畢竟，有記錄的洪水和乾旱可以追溯到人類文明的早期，那時還沒有煤炭、石油和天然氣，現代工業世界也還不可能出現。
直到最近，科學家們還只能說，更極端的天氣與人類排放到大氣中的溫室氣體導致的氣候變化“一致”。然而，現在他們可以開始說，由於人為造成的大氣變化，發生極端天氣的可能性增加了——並且如果沒有全球變暖，許多個別事件就不會以同樣的方式發生。原因是：氣候變化的訊號終於從天氣的巨大自然變異性“噪音”中顯現出來。
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科學家們將天氣的正常變化比作擲骰子。向大氣中新增溫室氣體就像給骰子加碼，增加了發生極端天氣事件的機率。然而，不僅僅是天氣骰子被改變了。正如澳大利亞新南威爾士大學氣候變化研究中心聯合主任史蒂夫·舍伍德所說，“這更像是給其中一個骰子的每個面上塗上一個額外的點，使其從 2 到 7 而不是 1 到 6。這增加了擲出 11 或 12 的機率，但也使得擲出 13 成為可能。”
為什麼？基本物理學在起作用：自工業化前時代以來，由於二氧化碳和其他溫室氣體排放到大氣中，地球已經升溫了大約 1 攝氏度。英國氣象局哈德利氣候變化中心的氣候監測和歸因負責人彼得·斯托特解釋說，氣溫每升高 1 攝氏度（1.8 華氏度），大氣可以容納的水汽量就會增加 7%。 “這非常顯著，”他說。在某些地方，增幅更大。愛荷華州立大學艾姆斯分校氣象學教授吉恩·塔克勒收集的資料顯示，在州首府得梅因，過去 50 年夏季水分增加了 13%。
降雨過多的物理學
大氣中水分的增加不可避免地意味著更多的降雨。這是顯而易見的。但並非任何型別的降雨，氣候模型預測。斯托特說，由於地球的大規模能量平衡，“最終結果是，總降雨量每升高 1 攝氏度僅增加 2% 到 3%，而極端降雨量增加 6% 到 7%”。原因再次來自物理學。降雨發生在當大氣冷卻到足以使水蒸氣凝結成液體時。“然而，由於對流層中溫室氣體數量的增加，輻射冷卻效率降低，因為較少的輻射可以逸散到太空，”斯托特解釋說。“因此，全球降水量增加較少，約為每升高 1 攝氏度增加 2% 到 3%。”但是，由於額外的水分，當發生降水（包括雨和雪）時，更有可能以更大的事件形式出現。
愛荷華州是符合這種模式的眾多地方之一。塔克勒記錄了該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 年錫達拉皮茲洪水以及 2010 年艾姆斯的 500 年一遇事件，該事件淹沒了希爾頓體育館籃球場，水深八英尺（2.5 米）深 。 “我們不能有信心地說 2010 年艾姆斯洪水是由氣候變化引起的，但我們可以說骰子被加碼，會帶來更多此類事件，”塔克勒說。
似乎每個月新聞中都會出現更多事件，從沙烏地阿拉伯利雅得前所未有的洪水，到 2011 年初襲擊美國東北部的特大暴風雪，再到 2010 年 11 月至 2011 年 1 月澳大利亞的暴雨，淹沒了德國和法國 大小的面積。澳大利亞當地官員稱之為“聖經般的災難”甚至引發了全球經濟衝擊波：該國生產力極高的煤礦被淹，導致世界煤炭價格飆升。
更多暴風雨天氣
許多科學家說，大氣中更多的水分和能量，以及更溫暖的海洋溫度，也意味著更強烈的颶風。事實上，2010 年是幾十年來首次在北大西洋同時形成兩個 4 級颶風——伊戈爾和朱莉婭。此外，改變的條件增加了發生更強雷暴的可能性，這些雷暴帶有猛烈的上升氣流，就像 2010 年 7 月 23 日發生在南達科他州維維安的暴風雨一樣，它產生的冰雹在屋頂上砸出了壘球大小的洞——甚至創造了一個巨大的冰球，即使在部分融化後，其直徑也達到了美國紀錄的 8 英寸（20 釐米）。 “我以前從未見過這樣的風暴——希望我永遠不會再經歷這樣的事情，”維維安的農民和牧場主萊斯·斯科特說，他發現了冰雹 。
地球變暖也改變了大規模環流模式。科學家們知道，太陽加熱赤道附近的潮溼空氣，導致空氣上升。當空氣上升時，它會冷卻並以熱帶雨的形式釋放大部分水分。一旦升到 6 到 10 英里（9.5 到 16 公里）高空，現在乾燥的空氣就會向兩極移動，當到達副熱帶地區時下降，通常在下加利福尼亞半島的緯度。這種被稱為哈德利環流的環流模式有助於荒漠化、信風和急流。
然而，氣候模型預測，在更溫暖的地球上，乾燥的空氣將在從赤道向北和向南移動更遠之後才會下降，這使得美國西南部和地中海等地區更加乾燥。這種擴大的哈德利環流也會將風暴向更北的方向轉移。模型正確嗎？哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的理查德·西格一直在尋找西南部氣候變化引起的乾燥趨勢，“似乎有一些初步證據表明它正在開始發生，”他說。“這讓我們對模型充滿信心。”事實上，其他研究表明，哈德利環流不僅擴大了，而且擴大的幅度超過了模型的預測。
大氣環流的這種變化可以解釋西南部目前 11 年的乾旱以及明尼蘇達州去年成為美國龍捲風數量第一的州。2010 年 10 月 26 日，明尼阿波利斯地區甚至經歷了創紀錄的低氣壓，明尼蘇達州 WeatherNation 的創始人兼執行長保羅·道格拉斯將其稱為“陸地颶風”——一場席捲全國的類似颶風的風暴。“我以為我家的窗戶會被吹破，”道格拉斯回憶道。“我追逐過龍捲風，也飛進過颶風，但從未經歷過這樣的事情。”他補充說，但這在氣候變化的背景下是有道理的。“每一天，每一週，又一塊拼圖就位了，”他說。“更極端的天氣似乎已成為常態，而不僅僅是在美國，在歐洲和亞洲也是如此。”
氣候歸因的興起
人類真的要對此負責嗎？這就是哈德利的彼得·斯托特和其他科學家開創的蓬勃發展的氣候歸因領域發揮作用的地方。這個想法是尋找溫度或降水資料中的趨勢，這些趨勢提供了氣候總體變化的證據。當這些趨勢存在時，就有可能計算出氣候變化對極端事件的貢獻有多大。或者用更專業的術語來說，特定溫度或降雨量的機率大致呈鐘形曲線。氣候變化會移動整個曲線。反過來，這增加了在鐘形曲線尾端經歷更極端天氣的可能性。雖然日常天氣仍然變化無常，但人類引起的氣候潛在變化增加了極端事件的威力和數量。美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的德克·阿恩特更生動地描述道：“天氣出拳，但氣候訓練拳擊手，”他說。因此，透過繪製總體變化，就有可能計算出全球變暖導致極端事件發生機率增加的程度。
早在 2003 年，斯托特在義大利和瑞士度蜜月旅行時經歷了有記錄以來最嚴重的熱浪時，就已經有了這個想法。他注意到的一個引人注目的後果是，瑞士山脈失去了往常悅耳的牛鈴聲。“山上沒有水，農民不得不把所有的奶牛都帶到山谷裡，”他說。他決定在他返回英格蘭埃克塞特的辦公室後，看看他是否可以將部分責任歸咎於氣候變化。“我沒想到會得到積極的結果，”他說。
但他確實得到了。事實上，即使僅使用到 2000 年的資料，歐洲變暖氣候的訊號也非常明顯。在《自然》雜誌上發表的一篇具有里程碑意義的論文中，斯托特及其同事得出結論，像 2003 年事件這樣的熱浪發生的機率因氣候變化而增加了一倍以上。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）此後收集的資料顯示，與工業化前時代相比，發生的機率至少高出四倍。“我們非常清楚誤歸因的風險，”斯托特說。“我們不想指著具體的事件說它們是氣候變化的一部分，而實際上它們是由於自然變異性造成的。但對於某些事件，如 2003 年的熱浪，我們有可靠的證據來支援它。”
案例分析：卡特里娜颶風
科羅拉多州博爾德市國家大氣研究中心 (NCAR) 的氣候分析負責人凱文·特倫伯斯說，另一個具有明顯全球變暖成分的事件是卡特里娜颶風。特倫伯斯計算出，全球整體變暖、大氣中水分升高和海面溫度升高的綜合作用意味著“卡特里娜颶風中 4% 到 6% 的降水——額外 1 英寸 [2.5 釐米] 的降雨——是由於全球變暖造成的，”他說。“這聽起來可能不多，但這可能是壓垮駱駝的最後一根稻草，或者導致堤壩潰壩。” 這也是一個非常保守的估計。“當水分凝結時產生的額外熱量可以增強風暴，並在某個時刻，風暴就會爆發，”他說。“這肯定適用於納什維爾。” 因此，他說，氣候變化對卡特里娜颶風的貢獻可能高達他計算結果的兩倍。再加上更高的風速和額外的能量，很容易看出風暴如何變得更具破壞性。
這種歸因科學並非沒有爭議。另一個案例分析：2010 年俄羅斯熱浪，這場熱浪摧毀了該國四分之一的小麥作物，並使莫斯科的天空因火災而變得昏暗。實際的氣象原因是毫無疑問的。“大氣環流被阻塞了，”同樣在博爾德的 NOAA 地球系統研究實驗室的研究氣象學家馬丁·霍林解釋說。“急流向北移動，帶來了更長時間的高壓和停滯天氣條件。” 但是什麼導致了阻塞？霍林在俄羅斯西部尋找潛在的長期溫度趨勢，這種趨勢可能像斯托特對 2003 年歐洲事件所做的那樣，增加了熱浪發生的機率。他一無所獲。“最好的解釋是意外的黑天鵝事件——一些突如其來的事情，”他說。
NCAR 的特倫伯斯反駁說，錯了。他認為，炎熱乾燥的地中海氣候明顯擴充套件到俄羅斯西部，這與氣候變化預測相符——這也加劇了巴基斯坦季風。“我完全否定馬蒂——讓他說你不能將熱浪歸因於氣候變化無濟於事，”他說。“我們可以說的是，與卡特里娜颶風一樣，如果沒有全球變暖，這件事就不會以同樣的方式發生。”
然而，即使是這場爭論也比最初看起來要小。毫無疑問的是，俄羅斯熱浪是一個預兆——氣候模型預測的未來景象。即使是霍林也將其視為即將到來的自然災害的預演。他說，到 2080 年，此類事件預計平均每五年發生一次：“這是一個很好的警鐘。這種現象將變得非常普遍。”
明日：第三部分：“我們的極端未來：預測和應對變化的氣候”。
本報道由皮尤全球氣候變化中心資助