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气候变化对欧洲热浪的影响,可以量化吗?

撰文 | 陈蓥婕 
6月底,法国、西班牙、比利时等多个欧洲国家经历了罕见的高温,法国南部地区创下了45.9摄氏度的高温纪录。世界天气归因组织(World Weather Attribution)对这次热浪进行快速评估后发现,气候变化让上周欧洲热浪的发生概率提高了至少五倍。[1]
 
这已经不是第一次这个专注于研究“气候变化与某次极端事件的关联”的机构发出这样的结果声明了。2018年,当席卷北半球的热浪使得北极圈内出现30摄氏度高温时,“世界天气归因组织”与英国牛津大学合作发表报告指出,由人类活动导致的气候变化让2018年欧洲热浪的发生可能性增加了1倍以上。[2]
                       
中国气象局近期发布的中国气候变化蓝皮书(2019)指出,从1951到2018年的年平均气温每十年升高0.24摄氏度,极端高温事件在20世纪90年代中期之后明显增多。
一直以来,当人们遭遇到极端天气的侵袭时,一种被广泛认可的说法是,“极端天气事件的增多和加剧与温室气体浓度上升导致的气候变化是有关联的“,这是一种趋势性的结论。但长久以来,要较为准确的断言某一个天气事件与气候变化的关系是困难的。不过近年来,随着“气候归因”科学的发展,科学家们已经可以针对近期发生的极端天气事件,特别是极端的温度事件(如酷热、极寒天气)进行可靠的评估。
 
什么是”气候归因”(Climate Attribution)?
 
气候变化的归因研究(Attribution of climate change),或称“气候归因科学”,被定义为“利用统计上的置信区间(confidence interval),对造成某个天气事件的多个因素进行分析,来评估这些因素对造成这一天气事件分别起了多大的作用。“[3] 归因研究是当前评估全球变暖带来的极端天气风险的重要手段之一。
 
科学家们通过对比不同条件下出现极端天气现象的概率变化,模拟单一因素对极端天气的作用。例如,如果想要了解人类活动究竟与欧洲某地夏天的极端高温频发是否有关、以及有多大关系,研究者们会利用模型计算出两种概率,第一种是正常情况下该地出现极端高温的概率,第二种是排除所有人为因素之后该区域出现极端高温的概率,这二者之间的比值(或相对比值)就会成为判定人为因素影响的基础。
 
目前气候归因研究的常用模型有四种:
 
第一种是包含多种环流系统的耦合模型(Coupled Model Approaches)[4]。这种气候模型的模拟最为复杂全面,通常不仅包括大气、海洋和陆地环流,还包括有机物的循环及化学过程。同所有归因研究的原理类似,耦合模型会计算出“现实世界”和“自然世界”这两种情境下极端天气事件发生概率的比率。这种模型通常被用于极端天气现象发生后的快速评估,英国气象局在2014年就曾利用耦合模型发布过一份气候归因研究结果,认为研究有90%的把握可以证明,人类活动使英国中部出现极端高温的可能性增加了13倍。
 
气候归因研究的第二种方法主要利用包括观测到的海平面温度的大气环流模型(Sea Surface Temperature Forced Atmosphere Only Model Approaches)模拟“真实”世界情境,与反事实的不包含人类活动影响的“自然”世界情境作对比。其中,大多数采用这种方法的研究会用同时包含人为因素和自然因素的“历史”海温情境减去仅包含自然作用力的“自然”情境,以得出排除自然因素后的变暖趋势。2019年6月,日本气象学家收集了近55年的气象数据,对2018年席卷日本的高温热浪进行气候归因研究,结论为:如果没有全球变暖的影响,2018年夏季在日本爆发的极端高温天气根本不会发生。[5]
 
第三种归因分析方法是类比分析(Analogue-Based Approaches)。研究者通过观察极端天气发生时的环流特征,选择具有相同大气环流特征但发生在不同时段的极端天气事件进行对比,从而剥离出一段时间内人类活动的影响。
 
研究者还会采用实证分析法(Empirical Approaches)来判断影响极端天气发生频率的因素。例如,通过分析现有的气象记录,研究者将极端高温累计天数与全球平均气温挂钩,把降水量和大气变暖趋势挂钩,对一些特定时间段的研究表明,在全球变暖的条件下全球各地出现极端高温的次数是过去的五倍,出现极端降水的概率提高了12%,同时,18%的极端降水和75%的极端高温与全球变暖有直接联系。[6]
 
通过气候归因研究,科学家已经证实,全球变暖提高了极端天气的发生概率,扩大了极端天气的影响范围,一些研究甚至得出这样的结论:如果不是人类活动造成的气候变化,许多极端天气事件甚至不会发生。
 
 气候归因科学发展的标志性成果与近期发现
 
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,并认为人类有可能计算出因气候变化而导致特定天气事件的风险累计程度。2004年,英国气象局的研究人员与牛津大学的戴西·斯通(Daithi Stone)合作,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 [7]。该研究被认为是气候归因科学的开始。
 
2018年初夏,法国中北部连日大雨引发山洪,给当地造成了超过10亿欧元的经济损失。法国研究者结合实时数据,结合多种归因模型,计算出在过去一个世纪,全球气候变暖让法国塞纳河流域出现极端降雨的概率提高了2.2倍,人类活动的影响还可能在不远的将来愈演愈烈。[8]
 
2018年夏天,欧洲再次经历热浪。牛津大学与“世界天气归因联盟”的研究人员把位于欧洲北部的7个气象站自2018年5月以来的观测数据与历史记录进行比较,并代入相关归因模型。数据显示,这些观测站记录的连续三天平均最高气温处于历史最高点,全球变暖使这些地区出现极端高温的几率提高了至少两倍。[9] 在人类活动的影响下,未来欧洲的极端高温天气将越来越常见。
 
在2019年5月发布于日本气象学会 SOLA 期刊的一篇论文里,,日本气象学家对2018年7月席卷日本的高温热浪进行了归因研究。日本气象学家收集了近55年的气象数据(JRA-55),结合历史海温数据、海冰厚度数据、历史人类活动记录和其他自然影响因素,分别模拟出从1951年至今,RCP4.5情境(IPCC第五次报告中提出的碳排放浓度路径之一)下受到极端高温影响的区域,和以1850年碳排放量为基准、其他因素保持一致的极端高温影响区域,最终得出结论:如果没有全球变暖的影响,类似18年夏季在日本爆发的极端高温天气根本不会发生。而一旦全球变暖突破2摄氏度,日本每年的极端高温天数将会是现在的1.8倍。[10]
 
在中国,由中国气象局国家气候中心研究人员带领的研究表明,自1950年以来,人类活动因素使2013年中国东部的极端高温天气的出现概率提高了60倍。该研究还预测今后极端天气事件在中国会越来越频繁。[11] 2017年的另一项来自中国的相关研究则认为,即使是在RCP4.5(中等碳排放路径)情境下,人为因素也将增加人类在21世纪末面临最强热浪冲击的风险,这可能会导致中国一半以上的地区遭受从未有过的极端高温,这一概率将是过去的十倍。[12]
 
需要注意的是,目前的气候归因研究还需要更准确全面的数据,以排除归因模型边界条件的不确定性。同时,特殊的气候条件,譬如副热带高压系统和拉尼娜现象都有可能对归因研究的结果带来一定程度的影响。采用不同的归因分析模型也有可能导致归因结果有所出入。但是,一旦气候归因研究的主要结论被采信,就可以部分弥合普通公众与全球变暖乃至气候科学之间的距离,从而敦促各国政府制定更加强有力的减排政策,消除人类活动对气候系统的影响,以应对气候变化带来的挑战。 
 
本文由致力于环境问题的独立非营利组织中外对话供稿。
 
 参考资料
[1]World Weather Attribution (WWA).2019. Human contribution to record-breaking June 2019 heat wave in France.
[2]https://public.wmo.int/en/media/news/july-sees-extreme-weather-high-impacts
[3]Hegerl GC, et al. Good practice guidance paper on detection and attribution related to anthropogenic climate change. In: Stocker TF, Field C,Dahe Q, Barros V, Plattner G-K, Tignor M, Pauline Midgley P, Ebi K, eds.Meeting Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Expert Meetingon Detection and Attribution of Anthropogenic Climate Change. IPCC Working Group I Technical Support Unit. Bern: University of Bern; 2010, 8 pp.
[4]Stott, P A., et al. (2016). Attribution of extreme weather and climate-related events. Climate Change 2016, 7:23-41.
[5]Imada, Y., et al. (2019). The July 2018 high temperature event in Japan could not have happened without human-induced global warming. Scientific Online Letters on the Atmosphere (SOLA), 2019, Vol.15A, 8-11(TBA).
[6]Stott, P A., et al. (2016). Attribution of extreme weather and climate-related events. Climate Change 2016, 7:23-41.
[7]Stott PA., Stone D., Allen M. 2004. Human contribution to the European Heatwave of 2003. Nature 432. 610-614.
[8]Philip, S., Kew, S., Oldenborgh G., & Albers, E. 2018. Validation of a rapid attribution of the May/June 2016 flood-inducing precipitation in France to climate change. Journal of Hydrometeorology. Vol19. 1881-1898.
[9]World Weather Attibution (WWA). 2018. Climate change made European heatwave more likely, scientists find.
[10]Imada, Y., et al. (2019). The July 2018 high temperature event in Japan could not have happened without human-induced global warming. Scientific Online Letters on the Atmosphere (SOLA), 2019, Vol.15A, 8-11(TBA).
[11]Sun, Y., et al. 2014. Rapid increase in the risk of extreme summer heat in Eastern China. Nature Climate Change. Vol 4. December 2014. 1082-1085.
[12]Sun, Q., C. Miao, A. AghaKouchak, and Q. Duan (2017), Unraveling anthropogenic influence on the changing risk of heat waves in China, Geophys.Res. Lett., 44, 5078–5085.
 
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