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    模型能够准确预测气候变化吗?

    时间:2018-02-13 14:54来源:南方周末 作者:任丽娜 浏览: 次    收藏 挑错 推荐 打印
    摘要:2018年2月2日,印度尼西亚中爪哇省,洪水致当地居民出行困难。据当地海洋和渔业部门介绍,在过去的20年里,因红树林的消失,海岸失去抵御海浪的天然屏障,距海岸较近的村庄被巨浪淹没。除此之外,气候变化致冰盖融化、海洋变暖和扩张,随之而来的影响是海平面以每年4毫米的速度上升。(东方IC/图) (本文首发于2018年2月8日《南方周末》) 气候模型并不能在短期内提供

    2018年2月2日,印度尼西亚中爪哇省,洪水致当地居民出行困难。据当地海洋和渔业部门介绍,在过去的20年里,因红树林的消失,海岸失去抵御海浪的天然屏障,距海岸较近的村庄被巨浪淹没。除此之外,气候变化致冰盖融化、海洋变暖和扩张,随之而来的影响是海平面以每年4毫米的速度上升。(东方IC/图)

    (本文首发于2018年2月8日《南方周末》)

    气候模型并不能在短期内提供有关气候变化的完美预测,但这并不意味着气候模型不重要。

    新德里突降大雪、大水淹没纽约、龙卷风掀走好莱坞标志牌、大浪淹没自由女神像,龙卷风、海啸、暴风雪……大自然中所有灾难几乎同时出现,这是美国科幻电影《后天》中的场景。影片中气候学家借助气候模型得出了全球气候异常、温室效应正在引发地球大灾难的预言,而预言也以最快速度应验。虽然有科学家质疑了电影在科学上的可信度,但片中提及的气候模型,仍是人类“窥探”气候变化最为重要的手段之一。

    全球气候模型用以模拟全球气候变化的方方面面,包括大气环境、海洋环境和土壤环境的变化,以及气候变化对自然环境和人类社会的影响,同时预测未来全球气候的走向。目前到底存在多少种气候模型,无法统计,因为随着气候的不断变化,气候模型也在不断地更新换代。

    窥探未来的手段

    计算机技术飞速发展配以精进的观测手段,推动了气候模型不断推陈出新。现阶段的气候模型不仅可以估算古气候变化的发生,同时也能预测近几十年来气候变化对自然界和人类社会的影响。

    古新世-始新世极热(PETM)事件是发生在约5600万年前的一次极端碳循环扰动全球变暖的事件,大气CO2浓度快速增加和全球温度升高是主要表现。表面沉积储层(如甲烷水合物)中碳的不稳定性被认为是驱动PETM事件发生的主要原因之一。但驱动全球变暖的碳是否来源于这些储层中,一直存有争议。2017年8月,英国南安普敦大学等机构的研究人员在《自然》(Nature)发文指出,火山爆发释放的大量CO2应该是PETM事件发生的主要驱动因素。科学家通过分离有孔虫外壳中硼的同位素,跟踪了PETM期间海水pH值的变化。结果发现,PETM期间海洋表面pH值持续较低,他们将地球系统模型中的成对碳同位素记录与跟踪得到的pH数据结合起来,重建了PETM期间的碳循环动力学,得出了北大西洋火成岩区的大规模火山活动是PETM事件发生主因,而之前备受争议的表面沉积储层中含有的碳在PETM事件中发挥的作用微乎其微的结论。

    温度上升被认为是全球气候变化最直观的表现,2016年签署的《巴黎协定》提出了将全球升温幅度控制在1.5~2℃以内的要求。2017年9月25日,澳大利亚新南威尔士大学研究人员在《科学报告》(Scientific Reports)上发表研究结果,重申了全球平均升温超过2℃后区域热浪将会造成的灾难性后果。他们量化了温度升高对区域热波不同特征(强度、频率和持续时间)的影响:全球温度每升高1℃,每个季节中的热浪天数预计将增加4~34天;而如果全球升温超过2℃,热浪天数则会直线上升,在更严峻的情况下,如升温达5℃,一些热带地区在每个季节中热浪天气可能会额外增加120个。而如果全球升温能够控制在1.5~2.5℃以内,热浪的发生频率则会降低约50%~66.66%。

    作为研究全球气候变化最重要的“据点”之一,海洋的热量变化与全球气候变化有密不可分的关系。而海洋观测的不足及其分布的不均匀曾是海洋热量变化估计不准确的最大原因。不同国际机构基于海洋观测得到的估算结果各不相同、差异极大。2017年3月10日,中国科学院大气物理研究所研究人员在《科学进展》(Science Advances)上发表研究,他们利用近期较为丰富的海洋观测数据,评估重构了历史热含量变率在不同海盆和不同时间尺度的准确性,量化了此前由于历史观测不足导致的估计误差。报告中提出了一个更为准确的全球上层2000米历史海洋热含量的重构,新的模型拟合结果比国际政府间气候变化专门委员会第五次气候变化评估报告中的估算约快13%,这意味着地球正在经历着更快的全球变暖速率。

    为了准确解释全球海平面变化的特征,展示全球变暖背景下人类活动和自然变异对全球海平面变化的贡献,2017年6月26日,中国海洋大学陈显尧课题组分析了影响全球海平面变化的主要物理过程,找出了1993-2014年间全球平均海平面加速上升的特征。他们发现,自有卫星高度计观测以来,全球海平面的上升速度由平均每年上升2.2±0.3mm(1993年)增加到平均每年上升3.3±0.3mm(2014年),在此期间,海洋受热膨胀导致海平面上升的速度基本保持不变,约为每年0.94±0.16mm。其中格陵兰冰盖融化对整个海平面上升的贡献由最初的5%(平均每年0.1mm)增加到2014年的25%(平均每年0.85mm)。他们据此推断,格陵兰冰盖加速融化导致的全球海洋质量增加是全球海平面加速上升的关键因素。

    陆地生态系统蕴含多种动植物,同时也是人类活动的主要场所。气候变化对陆地生态系统的影响从来都不亚于海洋,同时陆地生态系统对气候变化也有反馈作用,探究这一反馈作用,可以为应对气候变暖的宏观决策提供科学依据。2017年10月6日,美国生态系统中心、新罕布什尔大学等机构的研究人员在《科学》(Science)发文称,气候变暖影响了土壤碳循环的影响机制,微生物碳库耗尽、微生物生物量减少、微生物碳利用效率转变和微生物群落组成变化相互作用共同影响着土壤碳损失的时间和幅度。这也导致了土壤碳的大量损失和土壤碳的不可检测损失交替出现。实验选择在中纬度阔叶林内开展,26年的实验数据,记录了气候变化背景下土壤碳循环的变化。

    气候模型让人类在前所未有的虚拟世界中模拟地球,研究和预测未来气候变化的路径以及对人类的影响。2017年11月20日,中美科学家基于美国国家海洋和大气管理局最新发布的“1850-2014年全球气温观测数据”(极地地区缺乏观测资料)和“国际北极浮标观测计划”提供的北极地区1979-2004年的浮标观测资料,在《自然气候变化》(Nature Climate Change)发文指出,虽然全球升温幅度在空间分布上有所变化,但全球平均温度的上升趋势从未改变过,而北极地区的快速升温可能抵消了近年来热带东赤道地区降温对全球平均气温的影响。所以从整体上看,全球变暖并没有停滞,而是不断向前逼近。

    IPCC前科学评估主席约翰·霍顿在一次会议上展示的气候变化模型。(东方IC/图)

    如何看待误差

    经过三十多年努力,气候模型的空间分辨率变得越来越详细,更好的观测数据使科学家能够改进模型的输入,从而产生更好的输出。气候模型逐渐成为人类掌握古往今来气候变化的重要工具,不过模型是否能准确地模拟全球气候的变化,在科学家群体中,发出了不同的声音,也出现了不同的阵营。

    早在20世纪90年代末开始的全球变暖的减缓或间歇期,科学家就发现当时的很多气候模型所预测的变暖速度都比这个间歇期所观测到的变暖速度快。2006年,在《科学》(Science)发表的一篇文章中,科学家利用气候模型模拟过去20年的气候变化时发现,这些被利用的模型不仅低估了降雨量,同时也遗漏了一些重大的气候事件。文章首次质疑了气候模型有关降水量的预测精度。2017年,瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员再次分析了1998年到2012年间的“全球变暖间歇期”,重新评估了全球变暖“间歇期”以来收集到的各种模型和观测证据。结果发现,部分模型与观测证据不符,这一时期地表温度并未像气候模型所预测的一样上升。不过,作者也表示,模型拟合使用的不同数据、对间歇期的不同定义等导致了误差的产生,因此他们认为,通过对模型和观测结果的适当处理,这种差异是可以被调和的。

    拟合参数的不确定性被认为会导致全球气候模型无法准确模拟空间或时间尺度上发生的气候变化过程。2017年6月7日,《自然通讯》(Nature Communications)发表的一篇文章中指出,部分模型中可能忽略了热带高云正在减少的事实,在模型拟合中,这一事实未体现在限制的拟合参数中,也就导致此类模型低估了年际热带平均降水量和全球平均降水量,进而产生了在全球变暖和年际变化的双重影响下,大多数全球气候模型低估热带及全球平均降水量的结果。研究选取了25种模型进行对比,结果发现,在全球变暖条件下,仅有5种模型与观测的年际单位地表增温所对应的全球平均降水变化相一致,它们的拟合结果均高于其他被分析的20个模型的全球降水变化的均值,这意味着未来全球降水量或将超出预期。

    除此之外,在全球碳排放研究中,植物光合作用释放的CO2是另一个容易被忽视因素。2017年11月17日,《自然通讯》发表的一篇文章中指出,植物呼吸释放到大气中的CO2被低估。他们收集了欧洲、北美和南美洲的一百多个地区的沙漠、落叶林和热带森林中的1000种植物的呼吸作用数据,借助全球网格模型,研究了不同气候变化模式下,植物呼吸作用对CO2排放量的影响,结果发现全球范围内植物呼吸作用释放的CO2比之前预测的要高出30%,而且植物通过呼吸作用排放到大气中的CO2也随着温度的升高而增加。

    全球气候变化结构的多样性,也让模型拟合频频出现误差。2017年12月,美国加州卡内基科学研究所研究人员用地球大气层上方的能量收支观测数据进行约束,评估了目前大量可用的气候模型,结果发现,不同模型预估的升温状况大相径庭。他们在《自然》(Nature)发表的研究报告中称,人为排放的温室气体仍然是全球变暖的主犯,全球变暖或将继续加重。除此之外,在最大排放场景下,该组研究人员利用观测值进行约束的模型所预测的21世纪末气温约比IPCC报告的结果高15%左右,这比之前预测值的不确定性降低了1/3。其实,在过去的15年,气温上升变慢了,然而气候模型平均而言预测了更多的变暖。科学家们慢慢开始认识到为什么气温没有像预测的那样上升。自然的可变性被认为是原因之一。部分专家认为,气候在短期内会有波动,气候模型并不能提供短期内(10到20年)气候变化的完美预测,但这并不意味着气候模型不重要。

    不过,值得一提的是,模型拟合的不确定性在一定程度上确实增加了适应气候变化工作的难度。2017年10月12日,《自然通讯》在线发表了全球气候模式美国中部干暖偏差原因及其对未来预估的影响的研究论文。文章中提到,大部分模式中,夏季在美国中部大平原地区都有一个干暖偏差。通过与大量观测数据对比发现,在美国落基山脉触发形成并往东移的大型对流组织系统中通过一系列的陆面与大气相互作用,形成了一个包含降水-土壤-辐射等的正反馈过程,由于模式无法正确模拟这个过程最终导致出现暖偏差。研究进一步揭示了模式现有暖偏差信号会随着全球变暖而被放大,这会导致对这一地区未来变暖产生过高的预估,也为缓解气候变化政策的制定带来了不小的压力。

    科学家正在不断改进出现误差的模型,以期达到更加满意的效果,但可以肯定的是,人类的不确定因素在决定未来全球变暖的规模和模式方面会变得越来越重要,所以不管模型开发如何精进,模拟如何准确,现在和未来气候的大部分差异取决于人类在未来几十年做出的选择是不争的事实。

    文章来源:南方周末


    (责任编辑:云花)
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