Skąd wiemy, czy ekstremalna pogoda to efekt zmian klimatycznych?

Naukowcy mówią, że rosnąca częstotliwość takich zjawisk to skutek zmian klimatu. Do niedawna ograniczali się do twierdzeń, że choć żadnego pojedynczego zjawiska nie można bezpośrednio powiązać z rosnącymi globalnymi temperaturami, to częstość ich występowania jest ich konsekwencją. Coraz częściej jednak są w stanie stwierdzić, że konkretny kataklizm nie nastąpiłby, gdyby nie rosnące stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. Skąd to wiedzą?

Badania zmian klimatu są stosunkowo młodą dziedziną, dlatego stan wiedzy naukowców na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci szybko się zmieniał. Wraz z gromadzeniem nowych danych, odkrywaniem nowych mechanizmów i sprzężeń zwrotnych wpływających na procesy atmosferyczne i wzrostem mocy obliczeniowej komputerów, na których prowadzone są symulacje, atrybucja, czyli przypisywanie ekstremalnych zjawisk zmianom klimatycznym, stało się o wiele bardziej precyzyjne. To umożliwia naukowcom z większą pewnością stwierdzać czy dane zjawisko jest kompletnie naturalne, czy też jest konsekwencją zmian klimatycznych wywołanych przez człowieka.

Ekstremalne zjawiska pojawiały się zawsze, ale żadną nowością nie jest to, że rosnące globalne temperatury tworzą dla nich warunki, w których mogą występować częściej i mogą mieć bardziej niszczycielskie skutki. Jest kilka przyczyn takiego procesu. Rosnąca temperatura atmosfery sprawia, że zmianie ulegają globalne cykle pogodowe, co umożliwia pojawianie się zjawisk takich, jak huragany w regionach, które dotąd były od nich wolne. Jednocześnie prawa fizyki mówią, że w cieplejszym powietrzu może gromadzić się więcej pary wodnej.

Niedawne badanie, opublikowane 23 sierpnia 2021 r., dotyczyło atrybucji opadów, które wywołały serię śmiercionośnych powodzi w lipcu w Niemczech, Belgii, Luksemburgu i Holandii. Zespół klimatologów z grupy World Weather Attribution przeanalizował odpowiadającą za rekordowe opady burzę Bernd, skupiając się na najbardziej dotkniętych jej skutkami obszarach. Analiza wykazała, że zmiany klimatyczne wywołane przez człowieka spowodowały, że burza o takiej sile jest od 1,2 do 9 razy bardziej prawdopodobna niż w świecie chłodniejszym o 1,2 st. Celsjusza.

World Weather Attribution to wspólna inicjatywa klimatologów z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, KNMI w Holandii, IPSL/LSCE we Francji, Princeton University i NCAR w USA, ETH Zurich w Szwajcarii, IIT Delhi w Indiach i specjalistów z Centrum Klimatu Czerwonego Krzyża / Czerwonego Półksiężyca (RCCC). Inicjatywą kierują dr Friederike Otto z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Geert Jan van Oldenborgh z KNMI. Powołana do życia w 2014 r. grupa opracowała metody szybkiego, ale dokładnego przypisywania zdarzeń ekstremalnych. 

Badania atrybucji zazwyczaj obejmują cztery etapy.

Pierwszym krokiem jest określenie skali danego zjawiska i sprawdzenie, jak często zjawiska o takiej intensywności pojawiały się w danym miejscu w przeszłości. Lipcowe opady, które dotknęły Niemcy i Belgię były większe niż jakiekolwiek, jakie zdarzyły się tam od początku prowadzenia precyzyjnych pomiarów meteorologicznych. Naukowcy ustalili, że taka burza pojawia się w tym regionie średnio co 400 lat.

Drugim krokiem jest wykorzystanie komputerowych modeli klimatycznych i porównanie wyników z danymi obserwacyjnymi. Model musi być w stanie realistycznie symulować takie ekstremalne zdarzenia z przeszłości i dokładnie reprezentować czynniki, które sprzyjają ich wystąpieniu.

Trzecim krokiem jest stworzenie "grupy kontrolnej". Czyli stworzenie komputerowego modelu Ziemi bez zmian klimatu. Czyli takiego, w którym zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze jest taka, jaką byłaby bez działalności człowieka. Taki model jest podstawą do kolejnej serii symulacji, z wykorzystaniem tych samych algorytmów, które wykorzystano w drugim kroku.

Naukowcy analizują następnie różnice, między wynikami generowanymi przez symulacje oparte na rzeczywistych danych z tymi, które przeprowadzono na "kontrolnej" wirtualnej Ziemi bez zmian klimatu. Tworzą statystyczną analizę różnicy w częstotliwości i wielkości ekstremalnych zdarzeń pomiędzy oboma scenariuszami. 

Podobne analizy przeprowadzono badając huragan Harvey, który w sierpniu 2017 r. spowodował rekordowe, sięgające 180 mld dol. straty w Teksasie. Dwa badania atrybucyjne wykazały, że zmiana klimatu spowodowana przez człowieka zwiększyła prawdopodobieństwo takiego zdarzenia około trzykrotnie, a opady deszczu Harveya wzrosły wskutek ocieplenia planety o 15 proc. 

W innej analizie, przeprowadzonej przez zespół World Weather Attribution, sprawdzano falę rekordowych, zbliżających się do 50 st. Celsjusza upałów, które w czerwcu dotknęły północno-zachodnie wybrzeża Ameryki Północnej. Badacze ustalili, że bez wpływu człowieka, takie zjawisko nastąpiłoby raz na 150 tys. lat. Wpływ człowieka sprawił jednak, że stało się co najmniej 150 razy bardziej prawdopodobne. 

Precyzja tych badań zależy od tego, jak dobrze rozumiemy mechanizmy odpowiadające za powstawanie każdego ze zjawisk. Niektóre typy ekstremalnych zjawisk są łatwiejsze do powiązania ze zmianami klimatu niż inne. Najlepiej rozumiemy mechanizmy, które wiążą wzrost globalnych temperatur z falami upałów. Atrybucja takich zjawisk jest więc najpewniejsza. 

Naukowcy z World Weather Attribution analizują większość globalnych ekstremalnych zjawisk pogodowych, ale komunikaty o ich związku ze zmianami klimatycznymi wydają jedynie wtedy, gdy rezultaty badań są pewne. 

"Często możemy znaleźć spójny obraz atrybucji w oparciu o niedoskonałe obserwacje i symulacje. W ten sposób możemy przekazywać istotne informacje dość szybko po wydarzeniu" - napisali badacze. "Znaleźliśmy jednak również wiele przypadków, w których jakość dostępnych obserwacji lub modeli była po prostu niewystarczająca, aby móc wypowiedzieć się na temat wpływu zmian klimatycznych na badane zdarzenie".