暴雨、洪水与酷暑背后，气候变化的锅有多大？
原文以Droughts, heatwaves and floods: How to tell when climate change is to blame为标题
发布在2018年7月30日的《自然》新闻特写上
原文作者：Quirin Schiermeier
在不远的未来，天气预报员不仅会预报天气，还会播报有关全球变暖对极端天气事件影响的即时评估报告。
北半球又经历了一个异常酷热的夏天。日本宣布其破纪录的高温是一场自然灾害。 欧洲的漫漫酷暑烘烤着每一个人，希腊甚至北极地区频频出现极具破坏力的野火，要知道，这在北极圈是很罕见的。美国西部也饱受野火之苦，这一切都拜干旱所赐。
2018年的欧洲极端高温：7月9日，德国德累斯顿的易北河河床已部分干涸。
图片来源： Jens Meyer/AP/Shutterstock
对于英国牛津大学的气候建模研究人员Friederike Otto来说，过去一周一直是火热的，因为无数记者希望她就气候变化在夏季高温中的作用发表看法。 “这一波酷暑简直是疯狂。”她说。大家都很容易理解，由于全球变暖，极端高温将更加频繁。
但Otto和她的同事想回答一个更具体的问题：气候变化究竟对此次酷暑有怎样的影响？通过三天的计算机建模工作，他们于7月27日宣布，根据对北欧的初步分析，气候变化使许多地区极端高温发生的可能性增加了一倍多。
相信在不久的未来，这种即时分析将成为气象机构日常对外公布的内容之一，而不再由学术研究人员临时承担这项工作。在Otto的帮助下，德国国家气象局或将成为世界上第一个具备快速评估全球变暖与特定气象事件之间联系的气象机构。
到2019年或2020年，德国国家气象局希望能近乎即时地在社交媒体上发布调查结果，并在事件发生后一两周内公布完整的报告。 “气候变化可能对大气条件产生影响，而这些大气条件可能给德国或中欧带来极端天气，因此我们希望能够量化气候变化的影响。”德国国家气象局副局长Paul Becker说， “现在，实现这一步的科学条件已经成熟。”
欧盟对此也很感兴趣。位于英国雷丁的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）正准备在2020年之前试行类似的项目，以期找到酷热、洪水等极端气候事件背后的人为导致的气候变化因素。
“如果试运行良好，那么欧盟或许将在一到两年后将此项服务常规化。”ECMWF欧盟哥白尼气候变化服务处负责人Richard Dee说。 “这听起来野心勃勃，但确实是可行的。”Otto说，她也正在协助欧盟准备试行项目。
气象机构考虑将分析服务常规化，清楚地彰显了自十多年前的第一个前沿研究项目试图将个别气象事件归因于气候变化以来，“归因科学”已经走了多远。已有170多项归因研究发表在同行评议期刊上，而现在，归因科学将从实验室走向日常生活。
目前仍难以明确某些极端气象情况的原因，但随着气象服务开始定期提供归因信息，我们将面临另一个更大的挑战——如何使研究对可能使用它们的人有所帮助。 “对气象情况进行科学扎实的归因分析是一回事，”牛津大学社会科学家Peter Walton说， “如何使用这些信息则是另一回事。”
归因研究
归因科学背后的理念很简单。温室气体不断累积，大气层发生改变，从未有过的高温、暴雨等自然灾害将会愈发普遍。空气温度越高，含有的水蒸气越多，储存的能量也越多；地球温度不断升高还会改变大规模的大气环流模式。但是一些周期性自然现象也可能导致极端天气，例如厄尔尼诺现象会使热带太平洋的海面温度周期性升高。
研究人员表示，找到个别极端气象事件背后人为引起的全球变暖——而不是自然条件波动——所扮演的角色，将有助于城市规划者、工程师和房主了解究竟哪些类型的洪水、干旱和其他天气灾害的风险正在上升。调查表明，刚刚经历过极端天气的人更有可能支持关于适应气候变化影响的政策，因此快速证明或排除区域性气象事件与气候变化之间的关系可能会特别有效。
身为牛津大学环境变化研究所副主任，Otto长期从事归因科学研究，已经执行了二十多次分析。例如，6月4日，她和同事完成了一项针对非洲南部边缘地带的研究，该地区遭受了长达三年的干旱。
到今年年初，南非西开普省的情势已经非常严峻，开普敦的政府官员已经发出警告，他们很快会将进入Day Zero（无水日），届时该地区的水源将无法满足基本需求，这将是大型城市首次出现这样的情况。
南非的Theewaterskloof大坝和水库。该水库于2018年3月向经历了3年干旱的开普敦供水。
图片来源：Melanie Stetson Freeman/CSM via Getty
“无水日”成为国际头条新闻，Otto和开普敦大学的气候科学家Mark New认为这将是一项很好的归因研究。
因为没有专项资金，来自荷兰、南非、美国和英国的研究人员只能在业余时间进行这项工作，第一步是确定多年干旱的区域范围。接着他们构建了一个衡量严重程度的指标——主要基于降水量和温度。然后，团队开始整个归因研究的主体部分——复杂的计算机建模，用以模拟地球气候。
他们一共构建了五个独立模型，在每一个模型上都进行了数千次模拟。有的纳入了目前观察到的因人类活动产生的温室气体水平；有的则采用了温室气体的自然水平，假定工业革命从未发生。研究人员比较了数千次试验中出现与此次干旱严重程度和分布区域类似的干旱的次数。参与研究的大部分团队使用实验室专门的计算机进行模拟，但牛津大学团队则采用了weather@home模型集，这是一个分布式计算框架，利用数千名志愿者的个人电脑的闲置时间进行模拟。
当整个团队在6月份碰面的时候，干旱地区已经有了降水，“无水日”危机已经解除。 但科学家仍在寻找此次大旱的原因，这可能有助于确定该地区是否可能在短期内再次出现类似自然灾害。Otto在牛津的办公室主持了四个团队的Skype电话会议，当整个团队对分析结果达成共识的时候，她松了一口气。“全球变暖使该地区连续三年干旱的几率增加了两倍。”她说。
研究结果来得恰逢其时，两周后，荷兰海牙红十字与红新月气候中心（Red Cross Red Crescent Climate Centre）的气候风险顾问Roop Singh在开普敦举行的气候变化适应会议上公布了此次研究结果。Singh说，那里的研究人员并没有对分析结果感到特别意外，但是就干旱风险增加是否意味着应增加投资以使开普敦水源多样化展开了热烈讨论。
Otto的研究于7月13日，在未接受同行评议的情况下，发布在了世界天气归因（World Weather Attribution）网站上，该网站由六家研究机构（包括牛津大学）于2014年合作建立，旨在分析气候变化可能对极端天气事件所具有的影响，并共享相关分析结果。
尽管开普敦今年幸免于“无水日”，但当地的决策人员表示，Otto团队的研究结果无疑向试图淡化全球变暖风险的水务部门发出了一个警告。“这是一个非常强烈的讯号，我们不能置若罔闻。”西开普省政府经济发展和旅游局绿色经济主任Helen Davies说，“我们可能需要采取全新的水资源管理方法。”
Otto团队的工作只是快速扩大的气候归因研究中的一个。《自然》在气候变化分析网站CarbonBrief已有的工作基础上分析发现，从2004年到2018年中，科学家发表了170多篇报告，报道了全球190起极端天气事件。目前的研究发现表明，其中约三分之二的极端天气事件是因为人类活动引起的气候变化而变得更加频繁或更加严重（参见“归因科学”）。在极端天气事件中，逾43%为高温，其次是干旱（18%）和暴雨或洪水（17%）。
2017年发表的一些研究甚至首次表明，倘若没有气候变化，2016年的亚洲极端高温、同年的全球破纪录高温，以及2014-2016年间阿拉斯加湾和白令海的海洋变暖甚至都不会发生。但是对于《自然》分析的29%的案例，目前的证据尚不能证明人类活动的影响，或者至少不足以支撑科学家做出任何判断。
有时针对某一特定极端事件的研究似乎会得出相反的结论。一项关于俄罗斯2010年极端高温的研究发现，其严重程度仍处于自然变化范围内；而另一项研究认为气候变化使该事件更容易发生。
媒体可能会觉得结果不一致让人困扰，但气候科学家则表示这种差异并不令人意外，因为这两项研究其实考察的是不同的问题：严重程度和发生频率。根据Otto的说法，“这个例子表明，确定和沟通归因问题的确极富挑战性。”但从那时起，研究人员在如何架构和展示他们的研究方面已变得越来越谨慎，她也补充道。
短期内公布归因研究结果
前文所述的南非研究本可能在更短的时间内完成，如果研究人员能够全职进行研究的话。针对今年欧洲极端高温的研究并非第一次快速研究：2015年，在欧洲的另一次极端高温事件期间，一支国际研究团队（包括Otto）在几周内报告了气候变化如何将欧洲部分城市类似高温发生的可能性提高3倍，将整个欧洲大陆类似高温的发生率提高1倍。
气象机构希望当这些实验方法常规化后，研究速度能够变得更快。在过去的几个月里，Otta与德国气象局的工作人员进行了广泛的交流，向他们介绍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，允许其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（ Copernicus Climate Change Service）已邀请Otto和她的两位同事撰写一篇关于快速归因研究工作流程及方法的论文，该论文将于9月发表。
Otto表示快速归因研究十分必要，因为极端天气事件发生后，公众会经常性地询问有关气候变化作用的问题。“如果我们科学家不表态，那么其他人就会出来回答这个问题，但他们的回答并非基于科学证据，而是基于他们自身的目的和需求。因此，如果我们希望科学进入公众讨论，我们就需要迅速做出反应。”她说。
部分科学家对天气预报员在研究经过同行评议之前宣布结果抱有疑虑，但其实这些研究使用的方法已经得到了严格的审核，英国爱丁堡大学气候科学家Gabriele Hegerl说。Hegerl也是美国国家科学院2016年报告的作者之一，该报告的结论是，归因科学发展迅速，将其与日常天气预测联系起来将有助于归因科学的进一步发展。 “对于我们较为了解的天气事件类型，如高温，快速归因分析非常有用，”她说， “你不需要对天气预报进行同行评议。”
全球变暖使2010年的俄罗斯极端高温事件的发生几率增加了2倍，这将增加野火风险。
图片来源：Natalia Kolesnikova/AFP/Getty
但是，Hegerl说归因研究目前仍不能解决所有问题。计算机算法仍很难模拟由于快速的空气对流而产生的严重局部风暴，如小型雹暴和龙卷风，因此科学家们无法说明气候变化是否会增加这些事件发生的可能性。在缺乏长期气候记录的情况下，例如在一些非洲国家，仍然很难开展可靠的归因研究，甚至可以说是不可能。而且某些自然气候变化在相对较短的直接气候观测记录中无法观察到。如若想要追踪非常长期的气候波动，例如每隔几十年循环一次的大气压力模式或海面温度变化引起的气候波动，研究人员只能依赖分辨率较低的替代数据，例如树木年轮。在直接观察中，有时候无法发现这样的气候变化，这的确会给研究带来一些不确定性，尤其是关于干旱原因的研究，瑞士苏黎世联邦理工学院的气候科学家Erich Fischer如是说。
在2012年牛津的一次会议上，部分批评者因为观测数据不足和当时的气候模型存在缺陷而质疑归因研究结论的可靠性。但从那时起，怀疑的声音逐步平息。研究人员现在使用几种独立的气候模型进行研究，寻找不同模型的共同结论，减少不确定性。科学家对关于发生概率的陈述也愈发谨慎。
“最初，极端事件归因可利用的资源数据非常少，而现在已经取得了长足发展，”Fischer说，“虽然目前我们仍很难对小型雹暴或龙卷风进行归因分析。但对于可以用最先进的气候模型模拟的大规模天气模式，归因分析的结论已非常可靠了。”
2017年飓风哈维过后，德克萨斯州奥兰治一条被水淹没的街道。由于气候变化，这些破纪录的暴雨发生的几率增加了至少两倍。
图片来源：Scott Olson/Getty
归因研究的影响尚不明确
就南非而言，Davies 认为Otto的最新研究应将有助于推动采用新方法进行区域水资源管理。 “干旱的第二年，气象学家向我们保证，我们不可能连续三年干旱。但过去并不能代表未来。我们需要学会适应不断变化的气候，我们绝对需要归因分析才能做出正确的决策。”她说，最近的干旱和归因分析表明，西开普省不应仅仅依靠降水来补充其供水资源， “ 应该通过开采地下水、扩大海水淡化规模、改善废水处理设施来实现水资源多样化。”
但是社会科学家认为，从总体上来说还是很难判断归因研究的影响。因为我们很难将归因研究结果的影响从其他预测与气候变化相关的极端天气风险将增加的研究中，或者从极端天气事件本身的冲击中区分开来。
尽管如此，如果归因研究结果开始定期出现在天气报告中，而不仅仅是在科学期刊上，那么它们的影响力就会更加显著，德国斯图加特大学空间与区域规划专家Jörn Birkmann如此表示。 “城市和基础设施规划人员在规划和审批新住房区域、医院或火车站时需要更准确地考虑极端天气事件的风险，倘若证明这些事件明显和气候变化有关的话。”他说。
Birkmann和伦敦国际环境律师组织ClientEarth的首席执行官James Thornton认为，归因报告的证据也可能被用于气候变化相关的诉讼中。Thornton表示，宣称无法明确气候变化带来的后果的案件并未引入归因研究的结果，但他认为法官将越来越多地依赖归因研究结论来决定被告——可能是石油公司、建筑师或政府机构——是否需承担责任。 “法院更相信政府数据。”他说， “如果归因研究能从科学的神坛走进公共服务，那么法官用它们作为评判依据可能更加顺手。”
德国气象局的Becker表示，他相信归因研究将为社会提供多方面的宝贵服务。 “我们的任务是阐明气候和天气之间的联系，”他说， “大家需要了解这些内容，而现在也有科学研究可以满足这个要求，那么我们很乐意分享这些研究结果。”ⓝ
Nature|doi:10.1038/d41586-018-05849-9
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