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下午的阳光从雷雨头铁砧上投射出长长的影子,投射到婆罗洲南部 图片来源:NASA档案馆/ Alamy Stock Photo
气候模型
2017年10月5日17:00

分析:气候模型有多好,预计全球变暖?

Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

10.05.17.
Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

05.10.2017 |下午5:00
气候建模 分析:气候模型有多好,预计全球变暖?

在过去的四十年中,科学家们一直在使用气候模型来进行未来全球变暖的预测。

这些型号由大气物理和生物地球化学驱动,在我们对地球气候的理解以及未来可能发生变化的情况下发挥着重要作用。

必威手机官网自1973年以来,碳简介收集了突出的气候模型预测,看看它们在过去和未来的全球温度上的研究有多良好,如下面的动画所示。(点击播放按钮开始。)

Carbon Brief分享的一篇必威手机官网帖子(@carbonbrief)

虽然一些模型比我们所经历的更少的型号更少,但一些预测更多,但是在1970年和2016年之间的表面温度增加,从实际发生的情况下没有太远,特别是当考虑到假设未来排放的差异时。

过去的气候模型表现如何?

虽然过去的气候模型预测从大气温室气体浓度,火山喷发和其他人的知识中受益辐射强迫影响地球的气候,向前施加到未来是可以理解的更不确定。可以在他们的地球经过温度和预测未来的能力来评估气候模型。

Hindcasts - 针对过去温度的测试模型 - 是有用的,因为它们可以控制辐射强制。预测是有用的,因为模特不能是隐含调整与观察相似。气候模型是不适合历史气温,但建模人员确实有一些观察的知识,可以通知他们的选择模型参数化,如云物理和气溶胶效应。

在下面的例子中,将1973年至2013年期间发布的气候模式预估与来自五个不同的组织.在投影中使用的模型在复杂性中变化,来自简单必威体育在线注册能量平衡模型完全耦合地球系统模型

(注意,这些模型/观测比较使用的是1970-1990年的基线时期,以便将分析早期的观测和模型相一致,这更清楚地显示了温度是如何随时间变化的。)

Sawyer,1973年

关于未来变暖的最早预测之一来自于约翰索耶尔1973年在英国的讨论院。在一个发表在《自然》杂志上的论文1973年,他假设在1969年到2000年间,全球气温将上升0.6摄氏度,大气中的二氧化碳将增加25%。Sawyer认为气候敏感性- 每次大气二氧化碳水平均为2.4℃的长期变暖会发生多少长期变暖,这不会太远最佳估计政府间气候变化专门委员会(IPCC)今天使用的3C。

与本文中审查的其他预测不同,Sawyer每年没有提供预期的预热,只需预期的2000个价值。他的升温估计为0.6℃,几乎点亮 - 观察到的温暖在该时段之间为0.51℃和0.56℃。然而,他长期高估了2000年的大气二氧化碳浓度,假设他们将是375-400ppm - 与实际相比价值370ppm.

Broecker,1975年

由于全球变暖导致未来温度的第一个预测出现在篇文章中biwei68681975年由哥伦比亚大学的科学家发表Wally Broecker教授.布勒克用简单的能量平衡必威体育在线注册模型来估计如果大气中的二氧化碳在1975年后继续快速增加,地球的温度会发生什么。布勒克预测的变暖与过去几十年的观测结果相当接近,但最近的变暖幅度要高得多。

这主要是由于繁荣,在他的文章发表后,繁荣过度估计二氧化碳排放和大气浓度会增加。他最准确到2000年,预测373pp的二氧化碳 - 与370ppm的实际Mauna Loa观察结果相比。然而,在2016年,他估计二氧化碳将是424ppm,而只观察到404点

Broecker还没有在他的模型中考虑其他温室气体。但是,随着变暖的影响甲烷笑气卤素色一直在很大程度上取消了气溶胶的整体冷却影响自1970年以来,这不会使这种差异很大(虽然气溶胶强制估计有很大的不确定性).

和Sawyer一样,Broecker使用的平衡气候敏感性是每增加一倍的二氧化碳2.4C。布勒克假设地球会立即变暖,以匹配大气中的二氧化碳,而现代模型解释了大气和海洋变暖速度之间的滞后。(海洋吸收热量较慢通常被称为“热惰性“气候系统。)

与下面的图表中观察到的温度升高(彩色线条)相比,您可以看到他的投影(黑线)。

从伯克塞1975(厚的黑线)与观察温度记录相比,预测美国宇航局美国国家海洋和大气管理局HadCRUT戴船和方式,伯克利地球(薄彩色线条)从1970年到2020年。基准期为1970 - 1990年。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

伯克克在科学家们普遍认为观察中的观点普遍认为表现出适度的冷却地球的。他通过第一次说“一个强大的案例,即目前的冷却趋势在十年左右的情况下,使涉及由二氧化碳引起的明显变暖”。

Hansen等人,1981年

美国宇航局詹姆斯议员汉森和他的同事们发表了一篇论文1981年,还使用简单的能量平衡模型来项目未来的变暖,但由于海洋必威体育在线注册热量吸收而占热惯性。它们假设每加倍二氧化碳的气候敏感度为2.8℃,但也看起来每加倍1.4-5.6c的范围。

从Hansen等人1981(快速生长的黑线和慢速生长薄灰色线)预计的变暖。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

汉森和他的同事提出了许多不同的情景,不同的未来排放和气候敏感性。在上面的图表中,你可以看到“快速增长”情景(黑色粗线)和“缓慢增长”情景(灰色细线),前者二氧化碳排放量在1981年后每年增加4%,后者排放量每年增加2%。快速增长的情景在一定程度上高估了当前的排放量,但当结合略微较低的气候敏感性时,它提供了一个接近于观测值的21世纪初变暖的估计。

1981年1981年在快速增长情景中预计的1970年至2016年间的变暖总体速度大约比观察结果低20%。

汉森等人,1988

发表的论文汉森和他的同事在1988年建立的气候模型是最早的现代气候模型之一。它把世界划分成独立的网格单元,纬度8度,经度10度,大气的垂直层有9层。它包括气溶胶、二氧化碳之外的各种温室气体和基本的云动力学。

Hansen et al介绍了与不同未来温室气体排放相关的三种不同的情景。场景B在下图中显示为厚的黑线,而场景A和C由薄灰度线显示。情景A具有指数增长的排放,二氧化碳和其他温室气体浓度远高于今天。

从Hansen等人1988(情景B厚的黑线和场景A和C薄固体和虚线)的预计变暖。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

情景B假设CO2排放逐渐减缓,但浓度为401年的2016 ppm这很接近观察到404ppm.然而,情景B假设各种卤化碳的排放继续增长,这些是强大的温室气体,但随后受到限制蒙特利尔协议1987年。情景C 2000年后的临近零点排放。

三,场景B最接近实际的辐射强迫,但仍然存在大约10%太高了.Hansen等人也使用了一个模型,气候敏感度为4.2厘米,每加倍CO2 - 在大多数现代气候模型的高端。由于这些因素的结合,方案B在1970年至2016年间预测了率,比观察到的程度高约30%。

IPCC第一评估报告,1990年

政府间气候变化专门委员会的第一次评估报告(遥远)1990年特色具有相对简单的能量平衡/升高的扩散海洋模型,以估算全球空气温必威体育在线注册度的变化。其特色的商业和常规(BAU)情景假设大气二氧化碳的快速增长,2016年达到418ppm二氧化碳,而404ppm在观察中相比。潮流也假设持续增长大气卤素浓度比实际发生的速度快得多。

FAR给出了对气候敏感性的最佳估计,即二氧化碳翻倍时变暖2.5℃,范围为1.5-4.5℃。这些估算值应用于下图中的BAU情景,粗黑线代表最佳估算值,细虚线代表气候敏感性范围的高低端。

从IPCC第一个评估报告(平均投影厚的黑线,带有薄虚线黑线显示的上下边界)预计的预测。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

尽管对当今使用的3C的TAD具有最佳估计,但是远期高估了1970年至2016年间的变暖速度约为其BAU场景的约17%,在此期间显示1C变暖VS 0.85C。这主要是由于较高的大气二氧化碳浓度的投影,而不是实际发生的浓度。

1995年IPCC第二次评估报告

政府间气候变化专门委员会的第二次评估报告(SAR)仅从1990年开始发布了可靠的预测。它们使用了2.5℃的气候敏感性,范围为1.5-4.5℃。他们的中档排放场景,“IS92A”,2016年投射了405ppm的CO2水平,几乎与观察到的浓度相同。SAR还包括更好地治疗人为气溶胶,对气候具有冷却效果。

从IPCC第二次评估报告(平均投影厚的黑线,带有薄虚线黑线显示的上下边界)预计的预测。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

一种s you can see in the chart above, SAR’s projections ended up being notably lower than observations, warming about 28% more slowly over the period from 1990 to 2016. This was likely due to a combination of two factors: a lower climate sensitivity than found in modern estimates (2.5C vs. 3C) and an overestimate of the二氧化碳的辐射强制(每平方米4.37瓦,随后的IPCC报告中使用的3.7甚至在今天使用)。

IPCC第三次评估报告,2001年

IPCC.第三次评估报告TAR依赖于7个不同的模式组的大气-海洋环流模式(GCMs)。他们还引入了一套新的社会经济排放方案,叫做SRES.,其中包括四个不同未来的排放轨迹。

在这里,碳简必威手机官网短检查A2场景虽然所有的排放量和变暖轨迹最多可达2020年。A2场景预计2016年大气二氧化碳浓度为406ppm,几乎与观察到的内容几乎相同。SRES场景从2000年开始,在2000年之前的模型,使用估计的历史强制。上图中的虚线灰线显示了模型转换从使用观察到的排放和浓度到预测未来的点。

从IPCC第三评估报告(平均投影厚的黑线,带有薄虚线黑线显示的上下边界)的预测。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

TAR的主要预测使用了一个简单的气候模式,该模式被配置为匹配7个更复杂的GCMs的平均输出,因为TAR中没有发表具体的多模式平均值,而且单个模式运行的数据也不容易获得。它的气候敏感性为每加倍一倍二氧化碳2.8摄氏度,范围为1.5-4.5摄氏度。如上图所示,在1970年至2016年期间,TAR的变暖速率比实际观测到的要低14%左右。

IPCC第四次评估报告,2007年

政府间气候变化专门委员会的第四次评估报告(AR4)的特征模式显著改善了大气动力学和模式分辨率。它更多地利用了地球系统模型——其中包含了碳循环的生物地球化学——以及改进了对陆地表面和冰过程的模拟。

第四次评估报告使用与第三次评估报告相同的SRES情景,包括到2000年的历史排放和大气浓度以及此后的预估。AR4中使用的模式的平均气候敏感性为3.26C,范围为2.1C至4.4C。

从IPCC第四次评估报告(平均投影厚的黑线,两种σ上下和下限由薄虚线的黑线)预计。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

上图显示了A1B情景下的模型运行情况(这是唯一一个模型运行情况现成的情景,尽管其2016年的二氧化碳浓度与A2情景几乎相同)。AR4对1970年至2016年的预估显示,变暖与观测结果相当接近,仅高出8%。

IPCC第五次评估报告,2013年

最近的IPCC报告 -第五次评估(AR5) -特征是对气候模式进行了额外的改进,与AR4相比,未来模式的不确定性也略有减少。政府间气候变化专门委员会最新报告中的气候模型是耦合模型比较(CMIP5),其中几十个不同的造型组在世界各地使用相同的输入和方案进行了气候模型。

从IPCC第五评估报告(薄虚线表示的平均投影厚黑线,两秒形上限和下限)预计预测。虚线黑线显示混合模型字段。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

AR5提出了一套新的未来温室气体浓度情景,称为代表性浓度途径(rcps)。这些未来从2006年开始投影,2006年之前的历史数据。上图中的灰色虚线显示了模型转换从使用观察到的强制转换到预测未来的强制。

将这些模型与观察结果进行比较可以是一个有点棘手的运动.来自气候模型的最常使用的领域是全球表面空气温度。然而,观察到的温度来自海洋陆地和海面温度的表面空气温度。

要考虑到这一点,最近,研究人员创造了混合模型领域,其中包括海洋表面的海面温度和陆地上的表面空气温度,以便匹配实际测量的观察结果。在上图中的虚线所示的这些混合领域显示出比全球表面空气温度略低于全球表面空气温度,因为模型在海洋上的空气近年来升温比海面温度更快。

CMIP5模型中的全球表面空气温度比自1970年以来的观察速度快约16%。大约40%的差异是由于海洋的空气温度比模型中的海面温度更快地变暖;混合式模型字段仅显示比观察速度快9%。

一种最近的论文本质上Iselin Medhaug.同事表明,通过短期自然变异性(主要在太平洋),小火山和低于预期的太阳能输出中未包含在其后的模型中的组合,可以占差异的剩余部分。2005年预测。

以下是《碳简报》研究过的所有模型的总结。必威手机官网下表显示了每个模型或一组模型和之间的变暖速率差异美国宇航局温度观察。所有观察温度记录都相当相似,但NASA是近年来包括更完整的全球覆盖的集团之一,因此与气候模型数据更直接相当。

* SAR趋势差异在1990 - 2016年的期间计算,因为1990年之前的估计不易获得。
基于混合模型陆地/海洋领域的括号中的#差异

结论

自1973年以来发表的气候模型一般在预测未来的变暖方面一般都很熟练。虽然有些太低了,但一些太高,但它们都表现出合理接近实际发生的结果的结果,特别是当预测和实际的二氧化碳浓度和其他气候迫使之间的差异差异。

模型远非完美,随着时间的推移将继续得到改善。他们还表现出相当大的未来变暖不易缩小只使用我们观察到的气候变化。

尽管如此,自1970年以来,预计和观察到的变暖之间的密切匹配表明,未来变暖的估计可能证明同样准确。

方法论说明

环境科学家Dana Nuccitelli提供了一个有用的列表,过去的模型/观察比较,可用这里.当PlotDigitizer软件当数据未提供数据时,用于从较旧数字中获取值。CMIP3和CMIP5模型数据获取KNMI气候探险家

罗萨蒙德珍珠的动画。

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