科普之窗

气候归因:量化自然灾害真凶

冯杰

2023-08-29 02:10

撰文:洛伊丝·帕什利(Lois Parshley) 翻译:杜怡心
光明日报( 2023年08月17日 14版)

引言:当阿根廷政府限制小麦出口并警告人们待在家里时,一群来自世界各地的科学家登陆了Zoom在线会议软件——他们是“世界天气归因”(WWA)小组的成员。这是一个气候研究合作组织,由弗里德里克·奥托和格特·扬·范奥尔登博格于2014年创建,这个组织想要回答一个困扰人们很久的基本问题:气候变化是否加剧了极端天气事件?如果是,程度究竟如何?WWA的终极目标是:当灾害发生时,第一时间为公众、媒体、政策制定者、应急管理人员和城市规划者提供准确的分析,帮助他们了解如何准备和应对下一次灾害。

例如,2021年,一场热浪席卷了美国的太平洋西北地区,在随后不到一周的时间内,该小组就基于已有的科学研究,发布了一份全面、细致的评估报告。报告得出的基本结论是,如果没有人为导致的气候变化,这些打破纪录的灾害几乎不可能出现,气温更不会“如此极端,甚至远远超出了历史观测中的温度范围”。另一个例子是2022年的春天,印度和巴基斯坦大片地区遭遇热浪,高温威胁着当地居民的生命,该小组估计正是气候变化使得这里的热浪更加炎热,且更容易发生。而在去年夏天,巴基斯坦的大片地区遭受洪灾时,该小组也指出,气候变化可能使该地增加了多达50%的降水量。

今天的科学家在分析极端天气时,响应速度和准确性已经取得了巨大的进步。十年前,许多科学家还不愿意谈论气候变化如何影响特定的极端天气事件。但现在,这个领域“已经完全改变了”,奥托告诉我——奥托现在是牛津大学全球气候科学教授,她办公室的墙上贴满了世界地图。当描述归因科学的历史时,她非常直率:“一开始人们会说‘做不到’‘模型不够好’之类的。但现在,我们知道该怎么做了。”

在2014年,归因研究还很难进行,也无法及时跟进,部分原因是研究结果常常需要经过一年以上的同行评审。为了解决这个问题,WWA设计了一套快速展开研究的流程,并直接向公众发布结果。

十年前,联合国政府间气候变化委员会(IPCC)表示,归因科学还不能“达成预期目的”。相比之下,2021年发布的IPCC报告则称归因科学已经足够“可靠”。如今,归因科学已能够明确量化气候变化的影响有多大。这改变了社会的方方面面,从保险索赔、法庭庭审,再到相关的国际谈判。奥托还希望WWA的报告可以向政府说明究竟为什么要减少碳排放。于是,去年12月,当高温天气炙烤着阿根廷、玻利维亚和巴拉圭时,奥托和WWA的其他成员也在开展行动。

1.信心在增强

2004年在《自然》杂志上发表的一篇论文是气候归因领域最早被广泛引用的研究。这篇论文发表于欧洲遭受数百年来最炎热夏季的一年半之后,当时农作物歉收,阿尔卑斯山的冰川缩小了10%,逾3万人死亡。该研究的主要作者彼得·A.斯托特是英国气象局哈德利气候科学与服务中心的气候学家,他得出结论:人类活动的影响使出现破纪录热浪的概率至少翻了一倍。如今,美国海洋和大气管理局(NOAA)的气候学家斯蒂芬妮·赫林也表示,当时这个问题“非常难缠”,只有那些真心热爱统计概率、大气物理学和空气动力学的研究者会关注。从2012年起,赫林开始为美国气象学会发布有关极端天气事件的年度报告,“我们谁也没有预料到,这个研究领域最终竟会获得如此多的公众关注”。

2012年10月,飓风“桑迪”袭击了美国纽约市和新泽西州,随之而来的是公众对飓风的关注。人们都想知道这场风暴为什么能在如此靠北的位置产生如此强大的破坏力。(飓风通常在中低纬度沿岸地区登陆,并造成破坏,很少能向北运动到中高纬度地区。)数月后发布的分析报告显示,当年早些时候大量北极海冰融化,形成的大片开放水域吸收了更多太阳辐射,这可能加剧了“桑迪”的猛烈程度——然而这种联系仅仅被描述为“一种较合理的可能机制”。美国大气研究中心(NCAR)的著名学者凯文·特伦伯思就曾表示,科学家往往过于保守,表述时常常低估气候变化的影响。大多数研究人员也仍然不愿讨论气候变化对一场风暴的具体影响。

分析方法的进步使科学家更容易分离出气候变化的影响。在21世纪头几年,很少有机构拥有可以运行包含大量数据的气候模式的高性能计算机系统。如今,研究人员在家中通过云服务就可以用笔记本电脑完成这项工作,甚至还可以将多个模式组合起来多次运行,从而提高结果的可信度。气候模式本身的准确性也普遍提高了,比如分辨率越来越高,这使其能更精准地提供特定位置的信息。

随着归因领域的发展,出现了两种研究方法。其中一种被称为概率性事件归因,用于估计人类活动在多大程度上增加了某种极端天气事件(例如热浪)的发生概率。科学家会用数值模式模拟极端天气事件,给它预设一个没有发生气候变化的情景,再对比气候变化场景下的模拟结果,从而确定排放增加等因素是否会提高特定极端事件的发生概率。例如,WWA的第一项研究就比较了法国5个城市在2015年热浪期间与20世纪上半叶夏季的温度,证明气候变化确实使热浪发生的概率增加了4倍。

作为对比,另一种方法重在探寻因果关系或“故事线”。这种方法会针对特定灾害提出问题,比如气候变化是否使得某一场暴雨的降水量剧增?研究者会通过热力学的变化给出答案,比如温暖的空气含有更多的水蒸气,从而导致降水量增加。

特伦伯思是“故事线”方法的早期支持者之一。他指出,起初这两种方法之间的科学辩论非常激烈。2014年,在美国科罗拉多州博尔德市的大洪水后,NOAA的马丁·赫林发表了一项研究表示,气候变化并没有增加该地区强降雨的概率。特伦伯思和同事对这一结果提出了质疑。特伦伯思认为,该研究没有考虑到墨西哥温暖的海面温度,大量水分会蒸发进入大气中,从而增加总降水量。赫林则回应说,特伦伯思的解释看似清晰,但过于简化了问题。一篇《自然》杂志的新闻报道详细呈现了这场争论。

随着时间的推移,两派人士逐渐意识到这两种方法其实可以互补。“在理想情况下,你两种方法都应该做,”奥托说,“它们是从不同的角度看待问题。”美国艺术与科学院成员伊丽莎白·劳埃德也表示,两种方法都能提供关于气候风险的重要信息。结合这两种方法,就能告诉政策制定者,道路和桥梁是否需要应对更强的降水,也可以告知应急管理人员,由于暴风雨,他们将来需要以什么样的频次限制这些道路和桥梁的通行。

2017年,飓风“哈维”在美国休斯敦地区停留数天之时,归因领域又向前推进了一步。当时,飓风给这一地区带来了高达150厘米的降水量,远远超过了过去的记录。特伦伯思发现,当时墨西哥湾温度极高的海水比正常情况下产生了更大的蒸发量,直接导致了过多的降水。另一方面,奥托和同事也进行了独立的分析,结果表明气候变化致使降水量增加了15%。特伦伯思认为,处于飓风易发地区的政府,需要为更大规模的洪水制定应急预案,包括升级疏散路线、调整建筑规范和改造电网等。

2.阿根廷的挑战

WWA刚开始运作时,每年只能分析几起事件。现在,他们几乎每周都会以线上会议的形式讨论灾害事件。由于资源有限,他们必须优先确定哪些事件最值得调查。小组里许多科学家都是自愿加入的,他们主动在教学和科研等本职工作之外挤出时间参与WWA的活动。

为了确定哪些灾害事件值得投入精力,WWA为不同类型的极端天气事件制定了评价标准,以评估每一个事件可能产生的人道主义后果。比如对于热浪,就要考虑与之相关的死亡情况,考虑受影响地区是否为人口密集区,以及当地是否过于脆弱。WWA倾向于研究那些会对更多人造成伤害的事件,但也在努力覆盖更多样的地区。“我们不想仅仅因为恰好在全球北方国家工作,就只研究这里发生的事。”荷兰皇家气象研究所的气候学家萨拉·特林-丘说道。奥托也认为,不断突破科学的边界也是WWA考量的一个重要因素。事实上,WWA决定不研究2022年圣诞节和新年假期期间影响了美国数百万人的北极极端寒流,也正是因为他们之前已研究过类似的北美寒潮,因此认为这场事件不会再带来新的发现。

南美洲的热浪则引起了团队的注意,因为它符合WWA对值得关注的热浪的几个评判标准:夏季一开始就出现了破纪录的高温,并且受影响的地区很脆弱。在2022年11月底,科学家为了讨论这些热浪召开了第一次视频会议。

“阿根廷热浪正在迅速向北扩大。”红十字会与红新月气候中心的马扎·法尔贝格说道。“这与拉尼娜有关吗?”奥托问道。拉尼娜指的是赤道太平洋上的一种海气环流异常状态,这可能会增加阿根廷地区发生热浪的概率。经过一番快节奏的对话,团队决定联系南美洲的科学家获取更进一步的信息,并迅速安排了12月初的另一次会议。12分钟后,通话结束,大家很快就下线了。

WWA尽可能地与当地专家合作,期望他们告知哪些数据集能反映该地区最全面的信息,或者如何最有效地收集该地区的气象信息。在12月初的会议上,阿根廷雪、冰川和环境科学研究所的气候学家胡安·安东尼奥·里韦拉在门多萨的办公室加入了线上会议。他告诉大家,最近的干旱影响了阿根廷北部、巴西南部、乌拉圭和巴拉圭,但这些地区大多缺乏密集的气象观测网络。因此首要任务之一,就是查看究竟有哪些数据可用于分析干旱情况随时间的变化。他可以帮助WWA团队挖掘那些对于欧洲学者来说难以找到,或是由于语言障碍无法获得的信息。

在这次视频会议上,你可以看到穿着毛衣的荷兰科学家和炎热天气下汗流浃背的智利科学家激烈讨论如何量化热浪对干旱的影响。“每次出现热浪,干旱都会变得更加严重。”住在布宜诺斯艾利斯的法国-阿根廷气候与影响研究所研究员安娜·瑟伦松说。她表示,河流的水位过低,破坏了重要的农业出口路线,还导致水电站难以发电。甚至有一个运输组织联系过她,询问如何设计适合低水位河流的船只。

WWA团队必须高效评估每一个极端天气事件。奥托后来告诉我,对于每一项归因研究,他们都需要找到量化的方式。对于热浪,该团队常常通过一段时间内超过某个阈值的温度纪录来定义。干旱则更为复杂,因为它可以用许多方式来定义,如缺乏降雨、土壤湿度降低或地表水位下降等。而每一种定义方式又可能对应多个变量。奥托说:“如果温度非常高,蒸发就会很快,这会导致河流流量降低,从而对经济产生巨大影响——仅仅从降雨量上看,是无法捕捉到这些影响的。”

奥托询问团队是否能仅基于温度和降水迅速做出合理分析。小组成员们讨论了各种选项:研究热浪相对简单,因为已经有很多研究表明热浪与气候变化有关。但一些WWA成员主张对干旱进行更大范围、但更慢的分析。最后,有一位成员问道:“有没有两者兼顾的选项呢?”

里韦拉详细描述了他的祖国正在经历多么惊人的高温,这给小组成员留下了深刻印象。他说:“这个11月是阿根廷有记录以来最热的11月。”团队成员热情高涨,决定尽快完成针对热浪的研究,并留出充足的时间,推进更为复杂的针对干旱的研究。“这是我们以前从未做过的事——一项研究,但分成两部分发表。”奥托说。他们还分配了具体任务,之后,大家迅速结束了线上视频会议,回到了他们的现实生活中。

在接下来的几周内,科学家使用了五种不同的数值模式来比较当今与工业革命前的气候条件。他们重点关注了12月初最热的一个星期,发现气候变化使这次热浪的发生概率增加了60倍。阿根廷的温度升高了约1.4℃。已经有研究表明,这种变化可能会增加5.7%的热相关死亡风险。WWA在2022年12月末公布了这些结果,随后,又一场热浪再次席卷了阿根廷。“值得注意的是,这些创纪录的高温事件,甚至发生在南半球夏季正式开始之前。这太不正常了。”该组织表示。

当团队转而研究干旱时,布宜诺斯艾利斯发生了大规模停电。阿根廷北部和智利的相邻地区也发生了森林大火。“任何天气事件变成灾难的原因,无外乎社会本身的脆弱程度和暴露程度。”奥托说。单纯的高温纪录并不能反映人们所受影响的全部情况,如果不将科学研究和灾害应对放在一起来看的话,“你将无法理解气候变化究竟意味着什么”。例如在拉丁美洲,很多地区都有严重的社会不平等现象,会使得边缘社区更容易受到极端天气的伤害。这让里韦拉回忆起,某一次看到绝望的农民跪在干旱土地上祈雨的场面。

尽管阿根廷的气候困境很难引起赤道以北国家的关注,但其影响却波及全球。阿根廷是重要的小麦出口国,据某贸易组织估计,由于干旱,2023年将有一半的农作物歉收,总损失高达100亿美元。分析师警告称,该国的农作物歉收将进一步推高全球粮食价格。

WWA在气候研究领域脱颖而出,主要因为它愿意直面极端天气事件引发的各种社会问题。奥托指出,2022年WWA在非洲撒哈拉地区进行的一项研究,甚至基本与天气无关。该地区的经济依赖雨水灌溉农作物和畜养牲畜。但由于2021年雨季延迟,当地的粮食安全出现了一连串问题。“即使是降雨量的微小变化,”WWA认为,“也会影响本就捉襟见肘的食品供应。”由于数据本身存在较大的不确定性,该团队尚无法确定降雨的变化是否受到了气候变化的影响,但WWA警告称,该地区“十分脆弱,很容易受到气候变化对全球粮食安全的影响”。

3.与时间赛跑

尽管归因科学有所进步,但一些专家认为,气候学家仍低估了他们结论的影响力——而这种影响力,正是归因科学得以走出学术圈,进入法庭审理等公共程序的一个重要因素。另外一个相关的问题是,法庭上引用的证据常常落后于最新的科学进展。在《自然·气候变化》2021年的一项研究中,奥托和合作者调查了全球73起气候诉讼案件,她们发现这些案件引用的气候证据已经过时了10年之久。“我知道新的科学进展需要一些时间才能渗透到法庭中去,”奥托补充说,“但这应该更快些。”

WWA的工作至少影响了一项法庭裁决。该小组对澳大利亚2019—2020年野火的研究提出,气候变化使季节性火灾的整体风险增加了8倍。2021年,当澳大利亚法院发现新南威尔士州环境保护署未能有效地保护环境时,他们引用了这一研究结果,并要求该州减少温室气体排放。

极端天气正变得越来越频发,但跟上并适应这种变化却没那么简单。在刚刚过去的冬天,一系列强烈的大气河风暴给美国加利福尼亚州带来了暴雨和大雪,导致20多人死亡。但WWA却决定不研究这些事件,部分原因是归因研究的需求已远超他们现有的能力。“这个组织不大,资金支持也有限,”美国劳伦斯伯克利国家实验室的气候科学家迈克尔·魏纳说。

像WWA一样,魏纳和合作者、美国石溪大学的凯文·里德试图几乎实时地给出归因分析。他们在2022年9月分析了飓风“伊恩”,当时飓风仍在佛罗里达州肆虐。他们很快完成了分析,部分原因是他们刚刚发表了一篇关于2020年飓风季的论文,发现气候变化导致该年飓风季的潮湿度比往年增加了5%。他们只需将“伊恩”的相关数据放到之前的数值模式中。最终研究团队决定跳过冗长的同行评审过程,在第一时间发布报告,其中宣称气候变化可能使“伊恩”的降雨量增加了10%。

魏纳不得不经常拒绝一些请求,这使他于2022年在《科学公共图书馆·气候》杂志上发表了一篇论文,声称许多归因研究现在已可以被视为常规研究,并应该勇敢地走出学术界。归因科学已经成熟,“它应该像天气预报一样被业务化,”魏纳说。奥托也欢迎这种变化。“我真的希望这个项目能由NOAA接管,”她说,“或者由欧盟的地球观测项目哥白尼计划接管。这不仅可以让科学界做得更多,还能更直接地影响国家决策。”

在美国,NOAA最近开启了一项由戴维·伊斯特林领导的试点项目,旨在开发归因科学的应用潜力。NOAA的优势很明显:它可以从全国各地的气象站获得实时数据,并且可以使用普林斯顿大学地球物理流体力学实验室的气候模式。由于NOAA享有良好的社会声誉,伊斯特林希望“由NOAA向公众宣布:‘正是气候变化使这个事件恶化了15%’。这将有可能改变许多气候变化怀疑论者的看法”。

专注于气候适应的社会科学家和顾问苏珊·莫泽表示,随着归因科学的不断发展,它在帮助社会应对日益增加的各种风险方面都发挥着重要作用,包括为建筑规范提供信息、为碳减排发出警告等等。专业工程协会已经朝着气候适应性设计的方向发展,例如建造更宽广的海堤,以适应海平面的不断上升。她指出,加利福尼亚州等正在研究如何将气候信息纳入其基础设施规划中,这项改革将在该州近期洪水后的重建工作中发挥重要作用。

对于部分国家而言,他们在应对气候变化时比另一些国家更容易调集资金。为此,联合国气候变化大会(COP27)在2022年建立了“损失和损害”基金,希望能尽量帮助那些温室气体排放量相对较小的低收入国家。然而,目前仍然缺乏对于“气候造成的损害”的明确界定。

奥托表示,如果归因科学在几十年前就开始发展,那时气候变化问题才刚刚为大众所知,那么用归因科学(来解释当下的各种极端天气事件)就可能不会像现在这样令人望而生畏。如今,她的工作已经变得像是在与时间赛跑,毕竟“人们正在遭受痛苦,而对后果却束手无策”。


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