氣候歸因：量化自然災害真兇

引言：當阿根廷政府限制小麥出口并警告人們待在家裡時，一群來自世界各地的科學家登陸了Zoom線上會議軟體——他們是“世界天氣歸因”（WWA）小組的成員。這是一個氣候研究合作組織，由弗裡德裡克·奧托和格特·揚·範奧爾登博格于2014年建立，這個組織想要回答一個困擾人們很久的基本問題：氣候變化是否加劇了極端天氣事件？如果是，程度究竟如何？WWA的終極目标是：當災害發生時，第一時間為公衆、媒體、政策制定者、應急管理人員和城市規劃者提供準确的分析，幫助他們了解如何準備和應對下一次災害。

例如，2021年，一場熱浪席卷了美國的太平洋西北地區，在随後不到一周的時間内，該小組就基于已有的科學研究，釋出了一份全面、細緻的評估報告。報告得出的基本結論是，如果沒有人為導緻的氣候變化，這些打破紀錄的災害幾乎不可能出現，氣溫更不會“如此極端，甚至遠遠超出了曆史觀測中的溫度範圍”。另一個例子是2022年的春天，印度和巴基斯坦大片地區遭遇熱浪，高溫威脅着當地居民的生命，該小組估計正是氣候變化使得這裡的熱浪更加炎熱，且更容易發生。而在去年夏天，巴基斯坦的大片地區遭受洪災時，該小組也指出，氣候變化可能使該地增加了多達50%的降水量。

今天的科學家在分析極端天氣時，響應速度和準确性已經取得了巨大的進步。十年前，許多科學家還不願意談論氣候變化如何影響特定的極端天氣事件。但現在，這個領域“已經完全改變了”，奧托告訴我——奧托現在是牛津大學全球氣候科學教授，她辦公室的牆上貼滿了世界地圖。當描述歸因科學的曆史時，她非常直率：“一開始人們會說‘做不到’‘模型不夠好’之類的。但現在，我們知道該怎麼做了。”

在2014年，歸因研究還很難進行，也無法及時跟進，部分原因是研究結果常常需要經過一年以上的同行評審。為了解決這個問題，WWA設計了一套快速展開研究的流程，并直接向公衆釋出結果。

十年前，聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）表示，歸因科學還不能“達成預期目的”。相比之下，2021年釋出的IPCC報告則稱歸因科學已經足夠“可靠”。如今，歸因科學已能夠明确量化氣候變化的影響有多大。這改變了社會的方方面面，從保險索賠、法庭庭審，再到相關的國際談判。奧托還希望WWA的報告可以向政府說明究竟為什麼要減少碳排放。于是，去年12月，當高溫天氣炙烤着阿根廷、玻利維亞和巴拉圭時，奧托和WWA的其他成員也在開展行動。

1.信心在增強

2004年在《自然》雜志上發表的一篇論文是氣候歸因領域最早被廣泛引用的研究。這篇論文發表于歐洲遭受數百年來最炎熱夏季的一年半之後，當時農作物歉收，阿爾卑斯山的冰川縮小了10％，逾3萬人死亡。該研究的主要作者彼得·A.斯托特是英國氣象局哈德利氣候科學與服務中心的氣候學家，他得出結論：人類活動的影響使出現破紀錄熱浪的機率至少翻了一倍。如今，美國海洋和大氣管理局（NOAA）的氣候學家斯蒂芬妮·赫林也表示，當時這個問題“非常難纏”，隻有那些真心熱愛統計機率、大氣實體學和空氣動力學的研究者會關注。從2012年起，赫林開始為美國氣象學會釋出有關極端天氣事件的年度報告，“我們誰也沒有預料到，這個研究領域最終竟會獲得如此多的公衆關注”。

2012年10月，飓風“桑迪”襲擊了美國紐約市和紐澤西州，随之而來的是公衆對飓風的關注。人們都想知道這場風暴為什麼能在如此靠北的位置産生如此強大的破壞力。（飓風通常在中低緯度沿岸地區登陸，并造成破壞，很少能向北運動到中高緯度地區。）數月後釋出的分析報告顯示，當年早些時候大量北極海冰融化，形成的大片開放水域吸收了更多太陽輻射，這可能加劇了“桑迪”的猛烈程度——然而這種聯系僅僅被描述為“一種較合理的可能機制”。美國大氣研究中心（NCAR）的著名學者凱文·特倫伯思就曾表示，科學家往往過于保守，表述時常常低估氣候變化的影響。大多數研究人員也仍然不願讨論氣候變化對一場風暴的具體影響。

分析方法的進步使科學家更容易分離出氣候變化的影響。在21世紀頭幾年，很少有機構擁有可以運作包含大量資料的氣候模式的高性能計算機系統。如今，研究人員在家中通過雲服務就可以用筆記本電腦完成這項工作，甚至還可以将多個模式組合起來多次運作，進而提高結果的可信度。氣候模式本身的準确性也普遍提高了，比如分辨率越來越高，這使其能更精準地提供特定位置的資訊。

随着歸因領域的發展，出現了兩種研究方法。其中一種被稱為機率性事件歸因，用于估計人類活動在多大程度上增加了某種極端天氣事件（例如熱浪）的發生機率。科學家會用數值模式模拟極端天氣事件，給它預設一個沒有發生氣候變化的情景，再對比氣候變化場景下的模拟結果，進而确定排放增加等因素是否會提高特定極端事件的發生機率。例如，WWA的第一項研究就比較了法國5個城市在2015年熱浪期間與20世紀上半葉夏季的溫度，證明氣候變化确實使熱浪發生的機率增加了4倍。

作為對比，另一種方法重在探尋因果關系或“故事線”。這種方法會針對特定災害提出問題，比如氣候變化是否使得某一場暴雨的降水量劇增？研究者會通過熱力學的變化給出答案，比如溫暖的空氣含有更多的水蒸氣，進而導緻降水量增加。

特倫伯思是“故事線”方法的早期支援者之一。他指出，起初這兩種方法之間的科學辯論非常激烈。2014年，在美國科羅拉多州博爾德市的大洪水後，NOAA的馬丁·赫林發表了一項研究表示，氣候變化并沒有增加該地區強降雨的機率。特倫伯思和同僚對這一結果提出了質疑。特倫伯思認為，該研究沒有考慮到墨西哥溫暖的海面溫度，大量水分會蒸發進入大氣中，進而增加總降水量。赫林則回應說，特倫伯思的解釋看似清晰，但過于簡化了問題。一篇《自然》雜志的新聞報道詳細呈現了這場争論。

随着時間的推移，兩派人士逐漸意識到這兩種方法其實可以互補。“在理想情況下，你兩種方法都應該做，”奧托說，“它們是從不同的角度看待問題。”美國藝術與科學院成員伊麗莎白·勞埃德也表示，兩種方法都能提供關于氣候風險的重要資訊。結合這兩種方法，就能告訴政策制定者，道路和橋梁是否需要應對更強的降水，也可以告知應急管理人員，由于暴風雨，他們将來需要以什麼樣的頻次限制這些道路和橋梁的通行。

2017年，飓風“哈維”在美國休斯敦地區停留數天之時，歸因領域又向前推進了一步。當時，飓風給這一地區帶來了高達150厘米的降水量，遠遠超過了過去的記錄。特倫伯思發現，當時墨西哥灣溫度極高的海水比正常情況下産生了更大的蒸發量，直接導緻了過多的降水。另一方面，奧托和同僚也進行了獨立的分析，結果表明氣候變化緻使降水量增加了15%。特倫伯思認為，處于飓風易發地區的政府，需要為更大規模的洪水制定應急預案，包括更新疏散路線、調整建築規範和改造電網等。

2.阿根廷的挑戰

WWA剛開始運作時，每年隻能分析幾起事件。現在，他們幾乎每周都會以線上會議的形式讨論災害事件。由于資源有限，他們必須優先确定哪些事件最值得調查。小組裡許多科學家都是自願加入的，他們主動在教學和科研等本職工作之外擠出時間參與WWA的活動。

為了确定哪些災害事件值得投入精力，WWA為不同類型的極端天氣事件制定了評價标準，以評估每一個事件可能産生的人道主義後果。比如對于熱浪，就要考慮與之相關的死亡情況，考慮受影響地區是否為人口密集區，以及當地是否過于脆弱。WWA傾向于研究那些會對更多人造成傷害的事件，但也在努力覆寫更多樣的地區。“我們不想僅僅因為恰好在全球北方國家工作，就隻研究這裡發生的事。”荷蘭皇家氣象研究所的氣候學家薩拉·特林-丘說道。奧托也認為，不斷突破科學的邊界也是WWA考量的一個重要因素。事實上，WWA決定不研究2022年聖誕節和新年假期期間影響了美國數百萬人的北極極端寒流，也正是因為他們之前已研究過類似的北美寒潮，是以認為這場事件不會再帶來新的發現。

南美洲的熱浪則引起了團隊的注意，因為它符合WWA對值得關注的熱浪的幾個評判标準：夏季一開始就出現了破紀錄的高溫，并且受影響的地區很脆弱。在2022年11月底，科學家為了讨論這些熱浪召開了第一次視訊會議。

“阿根廷熱浪正在迅速向北擴大。”紅十字會與紅新月氣候中心的馬紮·法爾貝格說道。“這與拉尼娜有關嗎？”奧托問道。拉尼娜指的是赤道太平洋上的一種海氣環流異常狀态，這可能會增加阿根廷地區發生熱浪的機率。經過一番快節奏的對話，團隊決定聯系南美洲的科學家擷取更進一步的資訊，并迅速安排了12月初的另一次會議。12分鐘後，通話結束，大家很快就下線了。

WWA盡可能地與當地專家合作，期望他們告知哪些資料集能反映該地區最全面的資訊，或者如何最有效地收集該地區的氣象資訊。在12月初的會議上，阿根廷雪、冰川和環境科學研究所的氣候學家胡安·安東尼奧·裡韋拉在門多薩的辦公室加入了線上會議。他告訴大家，最近的幹旱影響了阿根廷北部、巴西南部、烏拉圭和巴拉圭，但這些地區大多缺乏密集的氣象觀測網絡。是以首要任務之一，就是檢視究竟有哪些資料可用于分析幹旱情況随時間的變化。他可以幫助WWA團隊挖掘那些對于歐洲學者來說難以找到，或是由于語言障礙無法獲得的資訊。

在這次視訊會議上，你可以看到穿着毛衣的荷蘭科學家和炎熱天氣下汗流浃背的智利科學家激烈讨論如何量化熱浪對幹旱的影響。“每次出現熱浪，幹旱都會變得更加嚴重。”住在布宜諾斯艾利斯的法國-阿根廷氣候與影響研究所研究員安娜·瑟倫松說。她表示，河流的水位過低，破壞了重要的農業出口路線，還導緻水電站難以發電。甚至有一個運輸組織聯系過她，詢問如何設計适合低水位河流的船隻。

WWA團隊必須高效評估每一個極端天氣事件。奧托後來告訴我，對于每一項歸因研究，他們都需要找到量化的方式。對于熱浪，該團隊常常通過一段時間内超過某個門檻值的溫度紀錄來定義。幹旱則更為複雜，因為它可以用許多方式來定義，如缺乏降雨、土壤濕度降低或地表水位下降等。而每一種定義方式又可能對應多個變量。奧托說：“如果溫度非常高，蒸發就會很快，這會導緻河流流量降低，進而對經濟産生巨大影響——僅僅從降雨量上看，是無法捕捉到這些影響的。”

奧托詢問團隊是否能僅基于溫度和降水迅速做出合理分析。小組成員們讨論了各種選項：研究熱浪相對簡單，因為已經有很多研究表明熱浪與氣候變化有關。但一些WWA成員主張對幹旱進行更大範圍、但更慢的分析。最後，有一位成員問道：“有沒有兩者兼顧的選項呢？”

裡韋拉較長的描述了他的祖國正在經曆多麼驚人的高溫，這給小組成員留下了深刻印象。他說：“這個11月是阿根廷有記錄以來最熱的11月。”團隊成員熱情高漲，決定盡快完成針對熱浪的研究，并留出充足的時間，推進更為複雜的針對幹旱的研究。“這是我們以前從未做過的事——一項研究，但分成兩部分發表。”奧托說。他們還配置設定了具體任務，之後，大家迅速結束了線上視訊會議，回到了他們的現實生活中。

在接下來的幾周内，科學家使用了五種不同的數值模式來比較當今與工業革命前的氣候條件。他們重點關注了12月初最熱的一個星期，發現氣候變化使這次熱浪的發生機率增加了60倍。阿根廷的溫度升高了約1.4℃。已經有研究表明，這種變化可能會增加5.7％的熱相關死亡風險。WWA在2022年12月末公布了這些結果，随後，又一場熱浪再次席卷了阿根廷。“值得注意的是，這些創紀錄的高溫事件，甚至發生在南半球夏季正式開始之前。這太不正常了。”該組織表示。

當團隊轉而研究幹旱時，布宜諾斯艾利斯發生了大規模停電。阿根廷北部和智利的相鄰地區也發生了森林大火。“任何天氣事件變成災難的原因，無外乎社會本身的脆弱程度和暴露程度。”奧托說。單純的高溫紀錄并不能反映人們所受影響的全部情況，如果不将科學研究和災害應對放在一起來看的話，“你将無法了解氣候變化究竟意味着什麼”。例如在拉丁美洲，很多地區都有嚴重的社會不平等現象，會使得邊緣社群更容易受到極端天氣的傷害。這讓裡韋拉回憶起，某一次看到絕望的農民跪在幹旱土地上祈雨的場面。

盡管阿根廷的氣候困境很難引起赤道以北國家的關注，但其影響卻波及全球。阿根廷是重要的小麥出口國，據某貿易組織估計，由于幹旱，2023年将有一半的農作物歉收，總損失高達100億美元。分析師警告稱，該國的農作物歉收将進一步推高全球糧食價格。

WWA在氣候研究領域脫穎而出，主要因為它願意直面極端天氣事件引發的各種社會問題。奧托指出，2022年WWA在非洲撒哈拉地區進行的一項研究，甚至基本與天氣無關。該地區的經濟依賴雨水灌溉農作物和畜養牲畜。但由于2021年雨季延遲，當地的糧食安全出現了一連串問題。“即使是降雨量的微小變化，”WWA認為，“也會影響本就捉襟見肘的食品供應。”由于資料本身存在較大的不确定性，該團隊尚無法确定降雨的變化是否受到了氣候變化的影響，但WWA警告稱，該地區“十分脆弱，很容易受到氣候變化對全球糧食安全的影響”。

3.與時間賽跑

盡管歸因科學有所進步，但一些專家認為，氣候學家仍低估了他們結論的影響力——而這種影響力，正是歸因科學得以走出學術圈，進入法庭審理等公共程式的一個重要因素。另外一個相關的問題是，法庭上引用的證據常常落後于最新的科學進展。在《自然·氣候變化》2021年的一項研究中，奧托和合作者調查了全球73起氣候訴訟案件，她們發現這些案件引用的氣候證據已經過時了10年之久。“我知道新的科學進展需要一些時間才能滲透到法庭中去，”奧托補充說，“但這應該更快些。”

WWA的工作至少影響了一項法庭裁決。該小組對澳洲2019—2020年野火的研究提出，氣候變化使季節性火災的整體風險增加了8倍。2021年，當澳洲法院發現新南威爾士州環境保護署未能有效地保護環境時，他們引用了這一研究結果，并要求該州減少溫室氣體排放。

極端天氣正變得越來越頻發，但跟上并适應這種變化卻沒那麼簡單。在剛剛過去的冬天，一系列強烈的大氣河風暴給美國加利福尼亞州帶來了暴雨和大雪，導緻20多人死亡。但WWA卻決定不研究這些事件，部分原因是歸因研究的需求已遠超他們現有的能力。“這個組織不大，資金支援也有限，”美國勞倫斯伯克利國家實驗室的氣候科學家邁克爾·魏納說。

像WWA一樣，魏納和合作者、美國石溪大學的凱文·裡德試圖幾乎實時地給出歸因分析。他們在2022年9月分析了飓風“伊恩”，當時飓風仍在佛羅裡達州肆虐。他們很快完成了分析，部分原因是他們剛剛發表了一篇關于2020年飓風季的論文，發現氣候變化導緻該年飓風季的潮濕度比往年增加了5%。他們隻需将“伊恩”的相關資料放到之前的數值模式中。最終研究團隊決定跳過冗長的同行評審過程，在第一時間釋出報告，其中宣稱氣候變化可能使“伊恩”的降雨量增加了10%。

魏納不得不經常拒絕一些請求，這使他于2022年在《科學公共圖書館·氣候》雜志上發表了一篇論文，聲稱許多歸因研究現在已可以被視為正常研究，并應該勇敢地走出學術界。歸因科學已經成熟，“它應該像天氣預報一樣被業務化，”魏納說。奧托也歡迎這種變化。“我真的希望這個項目能由NOAA接管，”她說，“或者由歐盟的地球觀測項目哥白尼計劃接管。這不僅可以讓科學界做得更多，還能更直接地影響國家決策。”

在美國，NOAA最近開啟了一項由戴維·伊斯特林上司的試點項目，旨在開發歸因科學的應用潛力。NOAA的優勢很明顯：它可以從全國各地的氣象站獲得實時資料，并且可以使用普林斯頓大學地球實體流體力學實驗室的氣候模式。由于NOAA享有良好的社會聲譽，伊斯特林希望“由NOAA向公衆宣布：‘正是氣候變化使這個事件惡化了15%’。這将有可能改變許多氣候變化懷疑論者的看法”。

專注于氣候适應的社會科學家和顧問蘇珊·莫澤表示，随着歸因科學的不斷發展，它在幫助社會應對日益增加的各種風險方面都發揮着重要作用，包括為建築規範提供資訊、為碳減排發出警告等等。專業工程協會已經朝着氣候适應性設計的方向發展，例如建造更寬廣的海堤，以适應海平面的不斷上升。她指出，加利福尼亞州等正在研究如何将氣候資訊納入其基礎設施規劃中，這項改革将在該州近期洪水後的重建工作中發揮重要作用。

對于部分國家而言，他們在應對氣候變化時比另一些國家更容易調集資金。為此，聯合國氣候變化大會（COP27）在2022年建立了“損失和損害”基金，希望能盡量幫助那些溫室氣體排放量相對較小的低收入國家。然而，目前仍然缺乏對于“氣候造成的損害”的明确界定。

奧托表示，如果歸因科學在幾十年前就開始發展，那時氣候變化問題才剛剛為大衆所知，那麼用歸因科學（來解釋當下的各種極端天氣事件）就可能不會像現在這樣令人望而生畏。如今，她的工作已經變得像是在與時間賽跑，畢竟“人們正在遭受痛苦，而對後果卻束手無策”。

（撰文：洛伊絲·帕什利（Lois Parshley）翻譯：杜怡心，系陝西省氣象科學研究所的工程師，主要從事大氣環境研究和氣象科普方面的工作）

（本版圖文由《環球科學》雜志社供稿）

來源： 光明網-《光明日報》