德州度過了2011年烘焙。大約一半的州遭受了氣候科學家所說的「異常」乾旱，這種乾旱超出了他們的嚴重甚至極端乾旱的範疇。
德州人習慣了乾燥，但這比沙塵暴更嚴重，也比 20 世紀 50 年代長達十年的嚴重乾旱還要乾燥。事實上，這是自 1895 年有史以來最乾旱的一年。農業推廣機構預計農作物和牲畜損失高達 52 億美元。
人們沒有預料到的問題開始出現。在一個沉迷於足球的州，達拉斯不得不關閉兩打以上的運動場，因為黏土收縮並形成了半米多深的裂縫。一個縣整個夏天僱用了大約 100 名橋樑和道路工作人員來修復路面裂縫。移動的土壤扭曲了水管，光是沃斯堡一地就有 200 多個管道斷裂，一天之內就有 20 個管道斷裂。
2011 年的惡劣天氣不僅限於德州。至少有 1,625 場龍捲風襲擊了美國各地。在半個地球之外，亞洲的強烈季風引發了創紀錄的洪水，造成了數百億美元的損失。
最近一次是 2012 年，美國東北部遭受颶風桑迪的襲擊。今年早些時候，美國中西部地區遭遇酷暑和農作物歉收的乾旱。 1月至9月，美國城市追平或打破了超過29,300個高溫紀錄。截至 9 月底，美國本土近三分之二的地區正遭受中度至特大乾旱，其中包括全國 80% 的農地。
此類事件發生後，從保險公司到國會、房主和政府機構，每個人都在詢問全球暖化是否起了一定作用。科學家一直在研究如何弄清楚這種奇怪的天氣有多少是由自然變化造成的，以及有多少可能是由溫室氣體變暖造成的。
科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心的凱文·特倫伯斯(Kevin Trenberth) 認為：「打破記錄是我們超出了正常天氣範圍的最佳跡象。」在正常變化情況下，各地區應該會經歷相同數量的高溫和高溫天氣。 “但我們對今年前六個月做了一些統計，”他說，“高溫區打破記錄的數量大約是低溫區打破記錄的九倍。”
這種短期趨勢可能是僥倖，但當科學家回顧幾十年來時，同樣的模式就會出現。作品發表於地球物理研究通訊2009年的數據顯示，歷史最高氣溫和最低氣溫在1950年代幾乎相同，但從2000年到2009年，歷史最高溫與最低溫的比例為2比1。
氣候科學家稱之為「歸因」的方法可能有助於解釋極端現象的顯著上升。最初，歸因研究利用電腦模擬氣候和對過去條件的統計分析來尋找數十年來氣候變遷的驅動因素。此類研究表明，如果不考慮溫室氣體的影響，就無法解釋觀察到的變化，這表明人類活動正在導致氣溫上升。現在，歸因研究的一個轉捩點是研究氣候暖化是否會改變洪水、乾旱和熱浪等極端天氣事件的發生幾率。
北卡羅來納州阿什維爾國家氣候資料中心的氣候學家托馬斯·彼得森表示，了解極端事件是否會每隔幾十年而不是百年一遇一次，對於負責建築規範、供水和應急規劃的政府機構來說變得至關重要。
賠率改變
氣候科學家長期以來一直警告說，沒有任何單一的天氣事件（例如卡特里娜颶風）可以歸因於氣候變遷。畢竟，即使氣候變暖使每年 5 級颶風的數量增加一倍，也無法確定卡崔娜颶風是否是其中之一。但在某些情況下，研究人員現在可以計算氣候變遷是否會增加重大颶風、熱浪或其他類型事件的可能性。
一些科學家將全球暖化對天氣的影響比作棒球強擊手使用類固醇來增強擊球手的力量。如果球員擊出的本壘打多出10%，則不可能知道哪些特定的本壘打是由於使用藥物造成的，但由於使用了類固醇，他擊中任何一個本壘打的幾率都會增加10% 。其他科學家也使用了類似的類比：氣候變遷透過提高平均溫度，使棒球場的圍欄變得更近，更容易打出全壘打。無論哪種方式，實際上進行歸因的方式都是相同的：科學家計算氣候變遷如何影響特定事件發生的幾率。
迄今為止，這種變化在極端高溫下最為明顯。全球許多地區已經開始經歷異常溫暖的時期——預計這種趨勢只會持續下去。 9月11日的分析美國國家科學院院刊例如，研究人員發現，1951 年至1980 年間，異常炎熱的夏季（以季節性氣溫至少比地區平均溫度高出3.2 華氏度為特徵的極端天氣）平均覆蓋了地球約1% 的面積。的30 年裡，受夏季高溫影響的陸地面積極端氣溫迅速上升至約 10%。紐約市 NASA 戈達德空間研究所的詹姆斯漢森 (James Hansen) 及其合著者總結道，十年內，這一價值可能飆升至 16.7%（SN：2012 年 9 月 8 日，第 12 頁10）。
然而，當人們處於通常不是最熱、最冷、最多雨、最乾燥或最多風的季節時，可能不會注意到氣溫升高或其他異常現象。
正如特倫伯斯所解釋的那樣，當三月至五月美國中部的氣溫比正常水平高出幾度時，人們可能會認為這是緩解寒冷的好時機。至少，這些溫度是人們在一年中的某個時候通常會遇到的溫度。他說：“當六月和七月出現破紀錄的氣溫時（就像今年一樣），你就超出了以前經歷的範圍，人們突然注意到了。”但他表示，夏季高溫對生態系統的影響不一定比其他月份的高溫更大。
雪梨新南威爾斯大學的馬庫斯·多納特和麗莎·亞歷山大仔細研究了漢森研究同年的全球氣溫記錄，但重點關注的是每日氣溫。與早期相比，「我們發現溫度分佈偏向溫暖值，」多納特說。他們在 7 月 31 日報告稱，1951 年至 1980 年間，一天達到前 5% 所需的閾值溫度出現頻率增加了 40%。地球物理研究通訊。
這兩項研究都沒有試圖將這些趨勢與全球暖化或相關的人類活動聯繫起來。這就是歸因科學發揮作用的地方，而且它具有挑戰性。
在僅持續數月且僅影響全球一小部分地區的短暫事件中尋找氣候變遷特徵，相當於在天氣自然變化的沉重靴印中尋找微弱的指紋。
第一個重大進展出現在2004 年，當時英國氣象局（位於英格蘭埃克塞特的英國氣象部門）的彼得·斯托特(Peter Stott) 和他的同事將地球全球變暖的表面溫度與前一年歐洲的猛烈熱浪連結起來。
2003 年夏天，歐洲 12 個國家的死亡人數超過 70,000 人，原因可能是該地區 500 年來最熱的時期。斯托特小組利用自 1920 年代以來收集的溫度讀數，透過電腦分析發現，2003 年過度變暖的可能性增加了——至少增加了一倍——「歸因於人類對氣候的影響」。這些分析預測，到本世紀末，“2003 年將被視為異常寒冷的夏季。”
俄羅斯熱
然而，歸因科學的典型代表可能是 2010 年俄羅斯的熱浪。夏季酷熱的氣溫摧毀了該地區的農作物產量，助長了大規模的野火，造成數千人死亡。我們花了相當長的時間來計算這些數字，但最近的兩項歸因研究現在將氣候變遷列為共犯。
德國波茨坦氣候影響研究所的 Stefan Rahmstorf 和 Dim Coumou 進行的氣候模擬顯示，過去十年來，地球緩慢升溫在打破莫斯科 7 月氣溫記錄方面發揮了越來越大的作用。他們的工作於去年年底發表在美國國家科學院院刊，顯示全球暖化有 80% 的可能性加劇了 2010 年俄羅斯的熱浪。
9 月 5 日的報告地球物理研究雜誌國家大氣研究中心的特倫伯斯和約翰法蘇洛指出了可能奠定基礎的因素。
先前的分析曾在俄羅斯尋找證據，以證明是什麼原因導致巨大的高壓氣團在該地區上空停滯，並在溫暖而穩定的陽光明媚的天氣下將其烤乾。 「我們表明，」特倫伯斯說，「這確實是一個錯誤。現在世界各地發生的許多事情似乎都與俄羅斯熱浪密切相關。其中包括從加勒比海到北印度洋和澳大利亞地區的破紀錄的高海面溫度。分析也將俄羅斯的高溫與從巴基斯坦到南美洲和澳洲東北部的異常季風環流模式連結起來。
特倫伯斯說，雖然這些誘發條件很大一部分可歸因於自然變化，但“很明顯，氣候變遷也存在重大影響”，特別是在誇大海面溫度方面。上層海洋創紀錄的高溫形成了大氣模式，將統稱為地中海氣候的條件從南歐推向了俄羅斯，並在那裡持續了數月。
測量指紋
但大多數科學家並不滿足於僅僅探究極端天氣的嚴重程度是否可以在某種程度上歸因於氣候變遷。他們還想量化氣候變遷應承擔多少責任。
問題之一：地球氣候的自然變化使得某些年份比其他年份更溫暖，紐約州帕利塞茲哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的理查德·西格說，「主要特徵是厄爾尼諾現象，」他指出，“在厄爾尼諾現象期間，全球平均氣溫上升，[抵消]拉尼娜現象導致全球平均氣溫下降。但其他因素——從火山爆發和局部多雲到城市發展和農作物灌溉等人為變化——也會影響風、降雨和陽光。
隨著局部效應的融合，這種變化往往會在全球範圍內趨於平滑。 “但當你轉向更小的空間和時間尺度時，”西格說，“相對於任何全球變暖信號，氣候的隨機變化量會變得越來越大。”
他說，這就是為什麼歸因研究主要集中在區域範圍廣泛且持續時間較長的天氣事件。
就像德州 2011 年的炎熱乾旱一樣。
美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）位於科羅拉多州博爾德的地球系統研究實驗室的氣象學家馬丁·霍爾林（Martin Hoerling）和合作者調查了導致德克薩斯州最近乾旱的原因，這場乾旱是在一場大規模熱浪給該地區帶來雙重打擊之前幾個月發生的。他們發現該地區的乾旱往往先於極端炎熱天氣。
他說，對於德克薩斯州來說，“乾燥的前期條件使熱浪變得更加極端。”一旦土壤乾燥，就沒有水分通過蒸發來冷卻環境，因此熱量只會使空氣和地面變得越來越熱。 2011年的極端事件的部分原因是拉尼娜現象，當拉尼娜現象使東赤道太平洋的海洋表面變冷時，也往往會導致德克薩斯州的天氣變得乾燥。他的團隊的研究結果已提交發表。
這些結果與 7 月發表的調查結果一致美國氣象學會公報結論是，與 20 世紀 60 年代相比，全球暖化似乎使德州的極端高溫伴隨拉尼娜現象的風險增加了 20 倍（SN：2012 年 8 月 11 日，第 12 頁14）。
「僅憑乾燥就可以解釋那年夏天一半以上的炎熱程度，」霍爾林說。現在看來，氣候變遷又造成了 1 華氏度的升高——「或者說熱浪強度的 20% 左右」。
西格警告說，不要低估多升一級的影響。 “這可能是超過某個閾值所需的全部，例如鐵軌彎曲的溫度。”
下雨的時候
西格的團隊和其他人也在地球大氣變暖的背景下探索最近極端降水的變化。他說，這些研究表明，潮濕的年份會變得更加濕潤，乾旱的年份會變得更加乾燥，乾旱期的長度也會增加。
整體而言，任何一年可蒸發和降雨的水量大致相同。但西格指出，由於較溫暖的大氣可以容納和運輸更多的水分，暖化可以增強整個降水週期的活動。他說，毫不奇怪，雨量計數據已經開始顯示「在最大的降雨事件中，降雨量的比例越來越大」。
在五月氣候雜誌西格和他的同事繪製了降雨和蒸發的變化圖。他們的歸因分析顯示季風和其他降水的變異性增加。研究人員得出的結論是，這些趨勢“不再是自然的，而是[自然]變異和人為引起的氣候變化的混合體，只會變得更加極端。”
但並非每一次特大洪水都帶有氣候變遷的特徵。以 2011 年異常潮濕的季風為例，該季風將曼谷大部分地區和泰國其他地區淹沒在 2.5 公尺深的水下長達兩個月，估計造成了 450 億美元的損失。德比爾特荷蘭皇家氣象研究所的 Geert Jan van Oldenborgh 及其同事進行的一項歸因研究表明，儘管洪水的規模是前所未有的，但人類發展和水資源管理政策負有最大責任。
7月報道美國氣象學會公報，他們的分析表明，2011 年季風降雨量與最近幾年的降雨量相差不大。他們的結論是，去年的不同之處在於集水河流沿岸的船閘和水壩水位的管理方式，以及最近決定促進該地區洪氾區高價值房地產開發的決定。
強風與龍捲風
在極端多雨的天氣中，颶風帶來的風險最大。麻省理工學院的氣候科學家克里·伊曼紐爾表示，氣象分析預測，在氣候變暖的世界中，熱帶氣旋的總數將急劇減少。但他補充說，那些真正發展的企業將越來越強大。這一點很重要，“因為美國熱帶氣旋造成的損失超過 80% 來自 3 級或更高級別的風暴——預計這些風暴還會增加。”
伊曼紐爾發現，自 1920 世紀 80 年代以來，大西洋的颶風強度增加了一倍以上。這一變化反映了過去 30 年海面溫度的上升，他說「這幾乎完全是溫室氣體造成的」。
西格警告說，儘管存在相關性，但颶風數量和強度的記錄還不夠長，無法確定因果關係，即使這是預期的。與許多地方的溫度和降雨資料可以追溯到一個世紀或更久之前，良好的熱帶氣旋資料只能追溯到 20 世紀 70 年代末，當時氣象衛星廣泛用於發現這些風暴。
更重要的是，只有大西洋颶風才有可靠的強度數據，伊曼紐爾指出，飛機偵察已經能夠測量風速。儘管如此，他認為，“熱帶夏季颶風強度與海面溫度之間的大西洋聯繫確實非常驚人——而且難以否認。”
在三月的分析中自然氣候變化伊曼紐和同事利用歸因來預測下個世紀大西洋颶風發展的趨勢。他們表示，氣候變遷“對常見的小型風暴的影響可以忽略不計，但會增加大型[颶風]的強度。”他們說，暖化將使風暴更頻繁地造成怪物傷害。
全球暖化對龍捲風的影響還不太確定。
然而，哈羅德表示，去年美國遭遇創紀錄的單月龍捲風襲擊（4 月份發生了758 起龍捲風，其中7 起龍捲風每次造成至少10 億美元的損失），公眾和政策制定者一直在強烈要求做出解釋。性顯得微不足道。
布魯克斯說，2011 年龍捲風數量「高得離譜——絕對破紀錄」。但今年的龍捲風發生率大約是有紀錄以來的最低水準。 「這就是我們所說的高年際變異性，」他說。
與颶風一樣，有關龍捲風發生的歷史數據也參差不齊，直到 20 世紀 70 年代雷達開始廣泛使用並且國家氣象局開始對龍捲風強度進行評級。布魯克斯指出，即使在今天，這些強度評級仍然是一種判斷，因為只有少數龍捲風的風速被直接測量。其餘的都是根據造成的損害推斷出來的。這是有問題的，因為龍捲風路徑上的結構完整性可能會有很大差異，評估風暴損害的人的經驗也會有很大差異。
布魯克斯承認，全球暖化可能正在推動龍捲風數量或強度的真正變化。但由於它們的數量每年差異很大，他的分析表明，科學家可能需要另一個世紀才能收集到足夠的數據來出現令人信服的訊號。
就在地平線上
霍爾林指出，目前，運行龐大的氣候模型並分析其輸出以找到全球暖化訊號需要九個月到一年的時間——即使對於像德克薩斯州和俄羅斯熱浪這樣的重大事件也是如此。 “很難比這更快地推動它。”
但科學家們願意。一個實驗程序已經開始對幾天到幾週內的天氣事件進行預測。這些分析是在南非開普敦大學開發的，目前正在與英國氣象局和加州勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員合作進行微調。
「我們的預報系統不僅尋找重大天氣事件，還尋找『影響』事件，」柏克萊實驗室的氣候研究員 Dáithí Stone 解釋道。 “例如某個地區發生洪水的可能性有多大，這種情況是否會因為我們的排放而改變？”
這些預測試圖即時解決溫室氣體排放是否為惡劣天氣事件的罪魁禍首。史東說，在最初幾年的測試中，模擬未能在區域層面上準確地提前預測極端事件。因此，現在團隊正在完善這些分析，希望能夠了解此類區域事件的未來細節。
「我們並不完全確定這是否可能，」斯通承認。 “但如果不嘗試，我們也不會知道。”
歸因極端
最近的歸因研究尋找氣候變遷對天氣事件的影響。並非所有類型的極端天氣都與氣候變遷有關，有些極端天氣比其他極端天氣更難研究。
熱與冷區域熱浪顯示出全球暖化最強烈的特徵。穩定的氣候平均會呈現出同樣多的極端溫暖和寒冷現象，但近幾十年來，新的高溫記錄遠遠多於極端寒冷的記錄——這一趨勢一直在增長。
乾旱和洪水研究一直將全球暖化與極端降雨聯繫起來。因此，當下雨時，可能會下著傾盆大雨，而當不下雨時，乾旱期的持續時間可能比過去幾十年的典型情況要長得多。乾旱會加劇局部暖化的影響，導致特別長時間的酷暑。歸因研究還發現，長期乾旱與全球暖化共同促成了 2011 年德州前所未有的熱浪。
颶風最近的歸因分析發現，近幾十年來海面溫度變暖導致了颶風強度的可疑增加——至少在大西洋地區是這樣，因為那裡有最好的數據。對未來颶風的預測表明，儘管最極端風暴的發生率將會增加，但實際數量將隨著暖化的加劇而下降。
野火2012 年迄今為止，美國野火的平均規模（1 月至 9 月為 182.4 英畝）是自 2000 年以來這幾個月以來最大的。被燒毀的總面積為 880 萬英畝，是自 2000 年以來第二高的研究表明，氣候變遷與更持續的干旱有關，從而增加了野火風險。
龍捲風龍捲風是風暴中最極端的，目前表現出最大的年度變化。 2011 年，美國發生了 1,625 起龍捲風，造成的損失超過 280 億美元。到目前為止，2012 年是龍捲風異常平靜的一年。但如果龍捲風的數量或強度與氣候變遷之間存在聯繫，由於缺乏有關這些風暴的可靠長期數據，這種聯繫可能要過一個世紀才能顯現出來。 —珍妮特·拉洛夫
