I slutet av augusti, kategori fyra orkanen Ida härjade Louisiana och orsakade enorma skador i nordost på grund av översvämningar. Många hem i båda regionerna förstördes och långvariga strömavbrott inträffade. När Ida flyttade norrut, det skapade tornados, rekord regn, omfattande översvämningar, och resulterade i 82 dödsfall. Är det möjligt att avgöra hur mycket klimatförändringarna påverkade en extrem händelse som Ida?

I dag, eftersom extrema väderhändelser inträffar oftare, människor frågar rutinmässigt om de är orsakade av klimatförändringar. Tio år sedan, forskare skulle ha haft svårt att svara på denna fråga. Idag kan en ny typ av forskning som kallas attributionsvetenskap fastställa, inte om klimatförändringarna orsakade en händelse, men om klimatförändringarna gjorde vissa extrema händelser allvarligare och mer sannolikt att inträffa, och i så fall, med hur mycket. Det har alltid funnits extrema väderhändelser orsakade av många naturliga faktorer, men klimatförändringarna ökar antalet och styrkan av dessa händelser. Nu, det är möjligt att kvantifiera klimatförändringarnas inflytande mer exakt, dock, att fastställa att klimatförändringen bidrog till en händelse betyder inte att den orsakade händelsen.

Vad kan tillskrivningsvetenskapen säga oss?

En artikel från 2004 med titeln "Human Contribution to the European Heat Wave of 2003" anses allmänt vara den första studien om tillskrivningsvetenskap. Den modellerade hur mycket mänskligt inducerade växthusgaser ökade sannolikheten för den historiska värmeböljan 2003 i Europa.

I dag, initiativet World Weather Attribution (WWA), ett samarbete mellan forskare runt om i världen, gör realtidsanalyser av extrema händelser direkt efter att de inträffat för att ta reda på hur mycket klimatförändringarna spelade en roll i dem. Attributionsvetenskapen räknar ut sannolikheten eller svårighetsgraden av en viss händelse som inträffar idag jämfört med hur den kan ha utvecklats i en imaginär värld som människor inte har värmt upp. Men eftersom naturlig variation alltid spelar en roll, även om en extrem händelse visar sig ha gjorts mer sannolikt av klimatförändringar, det betyder inte nödvändigtvis att chansen att denna typ av händelse inträffar varje år kommer att öka.

Hur fungerar det?

När det är extremt väder, Forskare avgör först hur ofta en händelse av den storleken kan inträffa baserat på historiska och observationsdata. Att ha bra observationsdata som sträcker sig långt tillbaka är viktigt. WWA säger att datamängden åtminstone bör gå tillbaka till 1950-talet, helst till 1800-talet. Vissa typer av extrema händelser kan analyseras mer exakt än andra. De med långa observationsuppgifter som kan simuleras med datormodeller, speciellt de som är kopplade till temperatur, som värmeböljor, ger störst säkerhet i tillskrivningsstudier.

Attributionsstudier kör sedan identiska klimatmodeller under två scenarier. I den första, Koncentrationen av växthusgaser hålls konstant på någon nivå från det förflutna innan människor började förbränna fossila bränslen, och klimatmodellen är överkörd, säga, en 150-årsperiod. Detta kallas den "kontrafaktiska världen" - den värld som kan ha varit. För det andra scenariot, klimatmodellen går tillbaka i tiden igen, pluggning in de faktiska växthusgaskoncentrationerna för varje år när de ökade över tiden. Genom att jämföra resultaten från de två modellerade scenarierna, forskare kan uppskatta hur mycket mänskliga utsläpp från fossilbränsleaktivitet har förändrat oddsen. Statistiska metoder används sedan för att kvantifiera skillnaderna i svårighetsgrad och frekvens av händelsen.

Som ett exempel, om den extrema händelsen inträffar dubbelt så ofta i dagens klimatmodell som den gör i den kontrafaktiska klimatmodellen, då är klimatförändringarna fast beslutna att ha gjort händelsen dubbelt så sannolik som den annars skulle ha varit i en värld utan mänskliga inducerade utsläpp.

Tillskrivningsanalysernas begränsningar

På grund av naturlig variation, dock, att göra tillskrivningsanalyser av extrema nederbördshändelser som orkanen Ida är svårare, enligt klimatforskaren Radley Horton, av Columbia Climate Schools Lamont-Doherty Earth Observatory. "Det är inte lätt att tillskriva extrema regnhändelser som detta, även om folk säkert gör det, ", sa han. "Detta beror på att den naturliga variationen för extrem nederbörd från ett år till nästa på någon plats är mycket större, vilket gör det svårare att se signalen om klimatförändringar i förhållande till bruset av variation."

Klimatmodeller är också mindre tillförlitliga för extrem nederbörd eftersom de fungerar med rutnätslådor som täcker stora rumsliga ytor; till exempel, 100 mil gånger 100 mil. För varje rutnätslåda, det finns ett tal som representerar allt – temperatur, nederbörd, och vindhastighet – utan att göra skillnad mellan dem. Extrem nederbörd, dock, faller ofta i relativt smala geografiska band. Den mest extrema nederbörden, till exempel, kan förekomma i ett band som är 40 miles brett, och i de flesta klimatmodeller, gallerlådan är större än 40 miles.

"Klimatmodellen kan inte säga dig något i en finare rumslig skala än dess rutnätslåda, så det kan inte riktigt fånga extrema regnhändelser, sade Horton. Han tillade, "För närvarande, tillskrivningsresultat är mer robusta för värmeböljor, gradvis föränderliga förhållanden som täcker ett stort område som havsnivåhöjning, global medeltemperatur, eller utbredningen av arktiska havsisen. Att försöka kvantifiera hur mycket klimatförändringarna ökade extrem nederbörd är fortfarande utmanande och är ett område för aktiv forskning."

Klimatmodeller har för närvarande inte tillräckligt bra rumslig upplösning för att hantera de många aspekterna av extrem nederbörd, till stor del för att de saknar tillräcklig datorkraft. Dessutom, de begränsas av vad forskarna fortfarande inte vet om sambanden mellan olika komponenter i atmosfärssystemet som klimatförändringar kan förändra på oförutsägbara sätt - nyckelprocesser som kan interagera för att släppa lös nytt beteende när växthusgaserna ökar och temperaturen stiger.

I framtiden, dock, attributionsvetenskap kommer sannolikt att bli mer definitiv. "Vart femte till tionde år, vi har fler år av data, så att vi bättre kan uppskatta vad grundrisken är, eftersom vi pratar om mycket sällsynta händelser, ", sa Horton. "Vi kommer också att ha nya dataprodukter som satelliter som kan hjälpa oss att titta på molntemperaturer och hjälpa oss att uppskatta nederbörd på platser där det kanske inte finns många väderstationer. Men jag tror att ännu viktigare kommer att vara att när vår datorkraft växer, dessa gallerlådor blir finare och mindre. Vi kommer att ha modeller med högre upplösning."

Även om tillskrivningsstudier är begränsade när det gäller att bestämma hur mycket klimatförändringar påverkar nederbördshändelser, Summan av kardemumman är att klimatförändringarna har gjort många typer av extrema händelser vanligare än de var tidigare.

Och för varje given storm, som Ida, det finns stor potential för kraftigare nederbörd eftersom en värmande atmosfär håller mer fukt. Forskare är säkra på sina prognoser om att extrema nederbördshändelser ökar, och att de kommer att bli ett växande problem i framtiden eftersom de observerade trenderna har varit så stora på så många ställen. Men det finns fortfarande stora osäkerheter om hur allvarliga de övre ytterligheterna kommer att vara, vilket är avgörande för att veta hur man planerar, undvika ekonomisk skada, och rädda liv.

Andra faktorer, för, spela en roll i att skapa en naturkatastrof. Enligt WWA, först är de meteorologiska förhållandena. För det andra är exponering för händelsen – hur många människor och hur mycket egendom som finns i riskzoner. Och slutligen, sårbarhet – egenskaperna och omständigheterna hos en befolkning eller ett system som gör den mottaglig för händelsens effekter.

Ibland finner tillskrivningsanalyser att extrema händelser inte nödvändigtvis har förvärrats av klimatförändringar, utan snarare av befolkningens exponering och sårbarhet. Till exempel, när fler och fler amerikaner bygger hus i områden med hög risk för översvämningar och skogsbränder, de katastrofala skadorna som uppstår beror på ett sammanflöde av faktorer – som varmare torrare somrar som ökar risken för skogsbränder eller brist på statliga regler för att bygga i översvämningsslätter.

Attributionsvetenskap på jobbet

I juli, Tyskland, Belgien, Luxemburg, och Nederländerna upplevde katastrofala översvämningar på grund av rekordstor nederbörd under en storm som dödade 220 människor. Enligt regionens historia, det fanns en chans på 1 på 400 att så mycket nederbörd skulle falla under ett givet år. Men en tillskrivningsanalys av WWA fann att klimatförändringar orsakade av människor gjorde händelsen 1,2 till 9 gånger mer sannolikt än den skulle ha varit för 100 år sedan. De uppvärmda temperaturerna ökade också mängden nederbörd med tre till 19 procent.

Värmeböljan som drabbade Pacific Northwest i juni gav temperaturer högre än någonsin tidigare registrerats i den regionen. Händelsen beräknades vara en händelse på 1 000 år och kanske aldrig hade hänt utan klimatförändringar, enligt WWA.

Värmeböljan visade sig också vara 2 grader Celsius varmare än den skulle ha varit om den inträffat före den industriella revolutionen. Om världen når 2 grader Celsius av global uppvärmning (den har för närvarande värmts upp med cirka 1,1 grader Celsius men är på väg att nå 1,5 grader Celsius år 2040), denna typ av 1 på 1000-årig värmebölja kan inträffa vart femte till vart tionde år.

Två tillskrivningsstudier fann att klimatförändringarna gjorde att orkanen Harvey, som orsakade översvämningar och över 100 dödsfall i Texas och Louisiana 2017, tre gånger mer sannolikt och ökade stormens nederbörd med 15 procent. Till skillnad från orkanen Ida, Orkanen Harvey täckte ett stort område med extrem nederbörd som föll under en längre tid.

Carbon Brief, en brittisk webbplats som rapporterar den senaste utvecklingen inom klimatvetenskap, har kartlagt över 350 referentgranskade studier av väderextremer runt om i världen och analyserat trenderna. Övergripande, extrema händelser har ökat under de senaste 10 till 15 åren. 70 procent av 405 extrema väderhändelser gjordes mer sannolika eller mer intensiva av klimatförändringar orsakade av människor. 92 procent av 122 tillskrivningsstudier av extrem värme fann att klimatförändringar gjorde dem mer sannolika eller allvarligare. 58 procent av 81 nederbördsstudier fann att mänsklig aktivitet gjorde dem mer sannolika eller intensiva. Och 65 procent av 69 torkahändelser förvärrades också av klimatförändringarna.

Hur kan tillskrivningsvetenskap användas annars?

Attributionsvetenskap håller på att bli tillräckligt erkänd och etablerad nog för att ge stöd i vissa juridiska tvister. År 2020, Sabin Center for Climate Change Law och Lamont-Doherty Earth Observatory etablerade Climate Attribution Database. Den innehåller 385 vetenskapliga resurser organiserade efter tema:klimatförändringsattribution, tillskrivning av extrema händelser, effekttillskrivning, och källhänvisning. Databasen kommer att hjälpa forskare att förstå hur attributionsforskning kan tillämpas på lagar och policyer, ge advokater tillgång till den senaste forskningen för att stödja sina fall, och förse beslutsfattare med resurser som motiverar deras klimatpolitik. Ett antal miljöpåverkan, som havsnivåhöjning, smältande permafrost eller snöpackning, extrem hetta, och havsförsurning kan ganska säkert tillskrivas klimatförändringarna. Och när en påverkan har fastställts påverkas av klimatförändringarna, det är möjligt att räkna ut hur stor andel som ska tillskrivas en specifik utsläppskälla.

Lindene Patton, en partner på Earth &Water Law, berättade för E&E News, "När vetenskapen förändras, när en kunskapsmassa som en ansvarsfull yrkesman förväntas hålla jämna steg med och förstå och uppmärksamma – när det förändras, det förändrar vad de måste göra för att skydda människor. Det förändrar vårdstandarden."

Attributionsvetenskap kan således potentiellt användas för att försvara klimatregleringar som ifrågasätts som för stränga eller för att etablera prövningsrätt genom att visa att vissa parter har skadats av klimatförändringens effekter. Det kan hjälpa till att hålla utsläpparna ansvariga och stämma regeringar för att de inte reglerar utsläppen av växthusgaser tillräckligt. Enligt Michael Burger, verkställande direktör för Sabin Center for Climate Change Law vid Columbia University, en holländsk domstol beordrade Shell att minska utsläppen av växthusgaser i samband med förbränning av sina fossila bränsleprodukter med 45 procent till 2030, med hjälp av en form av "källtillskrivning". Och Filippinernas kommission för mänskliga rättigheter fastställde att företag med fossila bränslen har ett ansvar enligt en filippinsk lag om mänskliga rättigheter att minska utsläppen från deras produkter och tjänster. Hittills, dock, inget fossilt bränsle eller kraftbolag har hållits ansvarigt för klimatrelaterade skador baserade på en extrem händelse eller en gradvis förändring av miljöförhållandena. Men eftersom tillskrivningsvetenskap gör det möjligt att kvantifiera ökade risker, det kommer sannolikt att resultera i fler stämningar i framtiden.

Attributionsvetenskap kan också användas för att hjälpa regeringar att bestämma rätt nivå för ett utsläppstak eller en koldioxidskatt, och så småningom skulle kunna användas för att förutsäga extrema händelser.

"Redan, vi ser att tillskrivningsstudier utförs innan en händelse ens har hänt, " sa Horton. "Låt oss säga att det finns en orkan i den tropiska Atlanten. Du ser den där osäkerheten om var stormen kan ta vägen om en vecka eller 10 dagar. Människor kan koppla dessa kortsiktiga förutsägelser till modeller som ger oss den kontrafaktiska världen utan uppvärmning jämfört med dagens värld, så att innan stormen ens kommer, det finns en uppskattning av hur mycket mer sannolikt du är att få den händelsen."

Eftersom framtiden sannolikt kommer att medföra extremt väder och effekter i områden som inte har upplevt lika frekventa eller intensiva händelser tidigare, attributionsvetenskap kan potentiellt också hjälpa till med klimatanpassning. Till exempel, städer kan besluta att installera mer grön infrastruktur för att absorbera en förväntad ökning av dagvatten. Eller om ett område är medvetet om att mer extrema väderhändelser sannolikt kommer att inträffa i framtiden, invånarna kan övertalas att flytta istället för att bygga om.

Attributionsvetenskap ger nya insikter om effekterna av klimatförändringar. Som sådan, den har stor potential som ett verktyg för att utbilda, förbereda, och påverka globala samhällen när de möter effekterna av en värmande värld.

"Min personliga känsla om tillskrivningsvetenskap, sa Horton, "är att det är mindre en revolution i vår förståelse, och mer en revolution i hur vi tillämpar kunskap för att tillskriva skuld och fördela ansvar, och kanske viktigast av allt, att informera och motivera samhällen och intressenter att vidta åtgärder."