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极端天气与气候变化:归因为何重要?

现在我们可以将极端天气与气候变化联系起来,并用研究结果帮助我们应对这个不断变化的世界,彼得·斯托特认为。

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飓风哈维引发的洪水让美国德克萨斯州化为一片汪洋。图片来源:Mannie Garcia / Greenpeace

随着地球气候变暖,人类面临着越来越多的自然灾害威胁,比如海平面上升、破坏力更强更加频发的风暴、热浪、火灾和干旱等等。当这些事件发生时,人们想要了解它们是否与气候变化有关。

而归因科学就可以帮我们做到这一点。它将观察到的气候变化与自然原因和人为原因联系起来。近年来,归因科学掌握的大量证据表明,气候变化主要受到人为温室气体排放的影响。正如联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五份评估报告中所说的那样:“人类对气候系统的影响是显而易见的。”

归因科学有力证明了采取减排行动以避免气候变化最坏影响的必要性。社会各界可以利用这类科学信息帮助他们适应即将到来却无法避免的气候变化,并确保建立适当的监管和法律框架。

发展中的科学

2003年,一场极端热浪席卷欧洲,造成超过7万人死亡。正是从这一年开始,人们意识到个别天气事件可能与整个气候变化有关。牛津大学地理系统学教授迈尔斯·阿伦(Myles Allen)由此提出了事件归因的概念,并认为我们有可能计算出因气候变化而导致特定事件的风险累计程度。2004年,我与迈尔斯以及牛津大学的另外一位同事戴西·斯通(Daithi Stone)共同在《自然》杂志上发表了一篇论文。该论文表明,人类引起的气候变化很可能会使类似于2003年热浪天气的风险增加一倍以上。这篇文章就是归因科学的开始。

自此之后,归因科学开始逐步生根发芽。气候学家研究了全球各地的多种天气事件,包括热浪、强降雨、热带气旋和干旱。

事件归因科学已经可以针对近期发生的这些极端天气事件,至少是极端温度事件进行可靠评估


中国在归因科学方面也一直处于领先地位,一部分原因还要感谢中英两国科学家之间的 “中英气候科学支持服务伙伴关系项目”。该项目的部分研究成果已经被发表在项目的年度报告《从气候角度评估极端事件》中。这份报告对前一年的气候事件进行归因。例如,由中国国家气候中心孙颖女士领导的一个中英合作研究项目发现,人为影响导致中国东南部地区发生2017年6月的那场极端降雨几率增加了一倍,这场降雨引发的严重洪灾最终造成1000多万人受灾,38人死亡,约80万人被迫搬迁。

归因科学的迅速发展引发了关于其未来潜力的三个关键问题。这门科学的可靠性如何?哪些方面还需要改进?以及如何实现结果产出的快速化和常规化?

事件归因科学的可靠性如何?

模型是所有事件归因评估的基础。计算“人类活动未改变气候”这种反事实情况也需要首先建立模型。典型的做法就是考虑自然和人为两种情况对气候的影响,通过多次运行模型,模拟当前高水平温室气体浓度下的气候状况。再将结果与另一种只考虑自然因素的模型模拟结果进行比较,比如考虑进去太阳辐射输出的变化或火山爆导致的气候效应等的模型。当然,这些模型中还会包含自然气候的可变因素,比如厄尔尼诺南方涛动现象导致的太平洋水温变化和对全球地表温度的影响。

但是,这些模型能否完全代表观察到的现实呢?2016年,美国国家科学院召集了一个由气候学家和统计学家组成的独立专家小组,对事件归因模式的有效性进行评估。专家小组给出的结论是,“对于人为造成的气候变化在多大程度上影响了某类特定事件发生的量级或可能性,现在事件归因通常能对此进行定量陈述并作出辩护。”

美国国家科学院的报告得出的结论是,归因科学在分析与温度相关的极端事件方面的置信水平是最高的,其中对极端高温和寒冷天气的分析最令人折服,其次是水文干旱和强降水,而对强对流风暴和温带气旋的预测置信水平最低。

置信水平较低与模型表达极端事件形成过程的能力有关。虽然气候模型通常可以可靠地表现较大区域温度的变化和可变性,但当遇到强对流风暴天气的降雨强度等其它类型气候事件时,气候模型的作用可能就有些捉襟见肘。这是因为它不具备解析此类气候事件形成过程的空间分辨率和时间分辨率。


来源: NAS, 2016

哪些方面需要改进?

事件归因的目的就是提高我们对气候过程及其在气候模型中表达形式的了解。这包括提高模型的空间表述性,使模型能够涵盖更多的天气过程。还包括提高模型与观测结果的对比能力,比如评估模型在多次发生此类事件时重现天气事件演变关键特征的能力。

正如美国国家科学院的报告指出的那样,长期观测记录的进一步发展也能使模型得到完善。此外,正确构建归因问题也很重要。例如,某个归因研究可能会考虑气候变化如何在厄尔尼诺现象发生时对某场特定的洪水产生影响。这就要求反事实模型要明确与厄尔尼诺现象相关的海面温度模式,从而通过这种形式将厄尔尼诺现象考虑进去。相比于不考虑厄尔尼诺现象而单纯研究气候变化对洪水风险的影响,这样的研究结果可能会不同。两种类型的归因研究可能都具有价值,但两者之间需要明确沟通以避免混淆。

如何更快产出结果?

公众和媒体总是对极端天气事件与人为气候变化之间的联系非常感兴趣。目前,事件归因科学已经可以针对近期发生的这些极端天气事件,至少是极端温度事件进行可靠评估。这些评估可以借鉴同行评审的方法,但不是说每个单独的评估都要经历一个冗长的过程,这种评估不见得应该比一个天气预报花费更久的时间。

通过补充气候监测和预测,定期更新气候变化如何改变最近极端天气事件的概率和程度的信息,归因评估有可能成为常规气象服务的一部分。

但是,关于哪些天气事件需要纳入这类活动,我们还要仔细考察。正如美国国家科学院报告提到的那样,不同类型天气事件在归因评估中的置信水平是不同的。诸如强对流风暴这类置信水平低的事件,仍应该进行经过同行评议的研究,并且很有可能短期内不会被纳入常规气候服务评估中。但随着气候科学的发展,以及气候评估模型的完善,更多极端事件将被更确切地、更经常地就自然和人为原因进行归因。

展望未来

归因科学评估极端天气事件与气候变异和变化相关程度的能力在提高。但是科学上的不确定性仍然存在,而且我们仍然无法对所有极端天气事件做出有力的归因陈述。 但是,极端天气事件在全球范围内发生的频率和强度都在明显增加。对于一些极端事件(包括长时间大范围的温度相关事件)的风险在多大程度上受到人为排放的影响,我们越来越有可能得出有力的结论。这些信息对于减缓和适应气候变化,提出相关气候诉讼都将具有重要价值。

 

翻译:Estelle

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