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午后的阳光在婆罗洲南部的铁砧上投射出长长的影子 图片来源:NASA档案/ Alamy Stock Photo
气候模型
2017年10月5日17:00

分析:气候模型对全球变暖的预测有多准确?

齐克Hausfather

10.05.17

齐克Hausfather

05.10.2017 |下午5:00
气候模型 分析:气候模型对全球变暖的预测有多准确?

在过去的四十年里,科学家们一直在利用日益复杂的气候模型来预测未来的全球变暖。

这些由大气物理学和生物地球化学驱动的模型在我们理解地球气候以及它在未来可能如何变化方面发挥着重要作用。

必威手机官网碳简报收集了自1973年以来著名的气候模型预测,看看它们对过去和未来全球温度的预测效果如何,如下面的动画所示。(点击播放按钮开始播放。)

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

虽然一些模型预测的变暖程度低于我们所经历的变暖程度,而一些模型预测的变暖程度更高,但所有模型都显示,1970年至2016年间地表温度的上升与实际情况相差不大,尤其是考虑到假设的未来排放量的差异。

过去的气候模型表现如何?

而过去的气候模式预测得益于大气温室气体浓度、火山爆发和其他方面的知识辐射营力影响地球气候,展望未来就更加不确定了。气候模型既可以用来预测过去的温度,也可以用来预测未来的温度。

后温模型——根据过去的温度测试模型——是有用的,因为它们可以控制辐射强迫。预测是有用的,因为模型不能隐式地调与观察结果相似。气候模型不符合历史温度,但建模者确实有一些观测的知识告知他们的选择模型参数化,例如云物理和气溶胶效应。

在下面的例子中,将1973年至2013年发布的气候模式预测结果与观测到的气温进行了比较五个不同的组织.在预测中使用的模型在复杂程度上有所不同,从简单的必威体育在线注册能量平衡模型以双数地球系统模型

(注意,这些模型/观测比较使用了1970-1990年的基线期,以使分析早期的观测数据和模型相一致,这更清楚地显示了温度是如何随时间变化的。)

索耶,1973

对未来变暖的最初预测之一来自于约翰·索耶1973年在英国气象局工作。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%。索耶主张气候敏感性——大气中二氧化碳浓度每增加一倍,长期变暖的程度将会是多少——2.4摄氏度,这并不遥远最佳估计目前政府间气候变化专门委员会(IPCC)所使用的摄氏3度。

与本文研究的其他预测不同,索耶没有提供每年的估计变暖,只是提供了2000年的预期值。他对0.6摄氏度的升温估计几乎是准确的——在此期间观测到的升温在0.51摄氏度至0.56摄氏度之间。然而,他高估了2000年大气中二氧化碳的浓度,假设它们将是375-400ppm -与实际相比值为370ppm

布勒克1975

由于全球变暖,第一个对未来气温的预测出现在年篇文章中biwei68681975年由哥伦比亚大学的科学家发表Wally Broecker教授.Broecker使用了简单能量平衡模必威体育在线注册型来估计如果大气中的二氧化碳在1975年后继续快速增加,地球温度会发生什么变化。布勒克预测的变暖与过去几十年的观测结果相当接近,但最近的变暖幅度明显更高。

这主要是由于Broecker高估了他的文章发表后二氧化碳排放量和大气浓度将如何增加。在2000年之前,他的预测相当准确,预测的二氧化碳含量为373ppm,而在莫纳罗亚山观测到的二氧化碳含量为370ppm。然而,在2016年,他估计二氧化碳将达到424ppm,而只有404 PM被观测到

Broecker在他的模型中也没有考虑其他温室气体。然而,由于气候变暖的影响甲烷一氧化二氮而且卤烃一直基本被抵消了气溶胶的整体冷却影响自1970年以来,这并没有造成那么大的差异(尽管对气溶胶强迫的估计有很大的不确定性).

与索耶一样,布勒克使用的平衡气候敏感性为每增加一倍的二氧化碳2.4摄氏度。Broecker假设地球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。(海洋吸收热量较慢的现象通常被称为“热惰性的问题。)

你可以在下面的图表中看到他的投影(黑线)与观测到的温度上升(彩色线)的比较。

”“

布勒克提出他的预测时,科学家们普遍认为这些观察结果显示出适度的冷却地球的一部分。他在文章的开头就很有先见之明地指出:“有充分的理由可以证明,在大约10年内,目前的降温趋势将让位于由二氧化碳引起的明显变暖。”

Hansen等人,1981年

美国宇航局的James Hansen博士和他的同事们发表了一篇论文1981年的报告也使用了一个简单的能量平衡模型来预测未来的变暖,必威体育在线注册但考虑了海洋热量吸收引起的热惯性。他们假设二氧化碳每增加一倍,气候敏感性为2.8摄氏度,但也考虑了每增加一倍,气候敏感性为1.4-5.6摄氏度。

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Hansen等人1981年预测的变暖(快速增长-粗黑线和缓慢增长-细灰线)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

汉森和同事们提出了许多不同的情景,不同的未来排放量和气候敏感性。在上图中,你可以同时看到“快速增长”情景(粗黑线),即1981年后二氧化碳排放量每年增长4%,以及缓慢增长情景(细灰线),即二氧化碳排放量每年增长2%。快速增长情景在某种程度上高估了当前的排放量,但当与略低的气候敏感性相结合时,它提供了21世纪初变暖的估估,接近观测值。

Hansen等人在1981年预测的快速增长情景下,1970年至2016年的总体变暖率比观测值低约20%。

Hansen等人,1988年

发表的论文汉森和他的同事在1988年提出的模型代表了第一批现代气候模型之一。它将世界划分为北纬8度,经度10度的离散网格单元,大气有9个垂直层。它包括气溶胶,除二氧化碳外的各种温室气体,以及基本的云动力学。

Hansen等人提出了与未来不同温室气体排放相关的三种不同情景。下图中的场景B用粗黑线表示,而场景a和C用细灰线表示。情景A的排放量呈指数级增长,二氧化碳和其他温室气体的浓度远高于今天。

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汉森等人1988年预测的变暖(情景b粗黑线和情景A和c细实线和虚线灰)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

情景B假设二氧化碳排放逐渐放缓,但其浓度为2016年为401ppm非常接近404 ppm的观察.然而,设想B假设各种卤代烃的排放量继续增长,这些卤代烃是强大的温室气体,但随后在《公约》下受到限制蒙特利尔议定书1987股。情景C是2000年以后排放量接近于零。

三种情形中,情形B最接近实际的辐射强迫大约高了10%.Hansen等人还使用了一个气候敏感性为4.2C的模型,这是大多数现代气候模型的高端。由于这些因素的综合作用,情景B预测的1970年至2016年的变暖速度比观测到的变暖速度高出约30%。

IPCC第一次评估报告,1990年

政府间气候变化专门委员会的第一次评估报告(FAR)在1990年采用了相对简单的能量平衡/上升流扩散海洋模型来估计全球气温的必威体育在线注册变化。他们以“一切如常”(BAU)情景为特征,假设大气中二氧化碳快速增长,2016年达到418ppm,而观测结果为404ppm。FAR还假设大气中卤代烃浓度的持续增长速度比实际发生的要快得多。

FAR给出的气候敏感性的最佳估计是,二氧化碳增加一倍,升温2.5摄氏度,范围为1.5-4.5摄氏度。这些估计值应用于下图中的BAU情景,粗黑线表示最佳估计值,细虚线表示气候敏感性范围的高端和低端。

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IPCC第一次评估报告预测的变暖(平均投影-粗黑线,上下限由细黑点线表示)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

尽管对气候敏感性的最佳估计略低于目前使用的3摄氏度,但在他们的BAU情景中,FAR将1970年至2016年的变暖速度高估了约17%,显示在此期间变暖1摄氏度,而观测到的温度为0.85摄氏度。这主要是由于预测的大气二氧化碳浓度比实际发生的要高得多。

IPCC第二次评估报告,1995年

政府间气候变化专门委员会的第二次评估报告(SAR)只公布了1990年以后的现成预测。他们使用了2.5C的气候敏感性,1.5-4.5C的范围。他们的中期排放情景“IS92a”预测2016年二氧化碳水平为405ppm,几乎与观测到的浓度相同。SAR还包括更好地处理对气候有冷却作用的人为气溶胶。

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IPCC第二次评估报告预测的变暖(平均投影-粗黑线,上下限由细黑点线表示)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

正如你在上图中看到的,SAR的预测结果明显低于观测结果,在1990年至2016年期间变暖速度慢了约28%。这可能是由于两个因素的结合:气候敏感性低于现代估计(2.5C vs. 3C)和高估了二氧化碳的辐射强迫(4.37瓦/平方米,而IPCC随后的报告中使用的是3.7瓦/平方米,至今仍在使用)。

IPCC第三次评估报告,2001年

政府间气候变化专门委员会第三次评估报告(TAR)依赖于七个不同建模组的大气-海洋环流模型(GCMs)。他们还引入了一套新的社会经济排放情景,称为,其中包括四种不同的未来排放轨迹。

在这里,碳简必威手机官网报检查A2情景尽管到2020年,它们的排放和变暖轨迹都相当相似。A2情景预测2016年大气二氧化碳浓度为406 ppm,与实际观测值几乎相同。SRES情景是从2000年开始的,模型在2000年之前使用估计的历史强迫。上图中的灰色虚线显示了模型从使用观测到的排放和浓度过渡到预测未来排放和浓度的点。

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IPCC第三次评估报告预测的变暖(平均投影-粗黑线,上下界用细黑点线表示)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

《第三次评估报告》的总体预测使用了一个简单的气候模式,该模式被配置为与七个更复杂的gcm的平均输出相匹配,因为《第三次评估报告》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。每增加一倍二氧化碳,它的气候敏感性为2.8摄氏度,范围为1.5-4.5摄氏度。如上图所示,《第三次评估报告》中1970年至2016年的变暖率比实际观测到的变暖率低约14%。

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)的特点是大气动力学和模式分辨率显著改善。它更多地利用了地球系统模型——它结合了碳循环的生物地球化学——以及对陆地表面和冰过程的改进模拟。

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

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IPCC第四次评估报告预测的变暖(平均投影-粗黑线,二西格玛上限和下限由细黑点线显示)。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

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可用的情景,尽管其2016年的二氧化碳浓度与A2情景几乎相同)。1970年至2016年的AR4预测显示,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

政府间气候变化专门委员会最近的报告第五次评估(AR5) -对气候模型进行了额外的改进,与AR4相比,未来模型的不确定性略有降低。IPCC最新报告中的气候模型是耦合模型相互比较项目(CMIP5),世界各地的几十个不同的建模小组使用相同的输入和情景来运行气候模型。

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IPCC第五次评估报告预测的变暖(平均投影-粗黑线,二西格玛上限和下限由细黑点线显示)。虚线黑线显示混合模型字段。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

AR5引入了一套新的未来温室气体浓度情景,即温室气体浓度情景代表性浓度路径(rcp)。这些是2006年以后的预测,并附有2006年以前的历史数据。上图中的灰色虚线显示了模型从使用观测到的力过渡到预测未来的力的位置。

将这些模型与观测结果进行比较可能是一个难题有点棘手的练习.气候模式中最常用的字段是全球地表空气温度。然而,观测到的温度来自陆地表面的空气温度和海洋表面的海洋温度。

为了解释这一点,最近,研究人员创建了混合模式场,其中包括海洋表面温度和陆地表面空气温度,以便与观测中实际测量的结果相匹配。这些混合场,如图中的虚线所示,显示出比全球表面空气温度的变暖程度略低,因为近年来模型显示海洋上空空气变暖速度快于海洋表面温度。

自1970年以来,CMIP5模式的全球地表气温变暖速度比观测结果快了约16%。在模型中,大约40%的差异是由于海洋上空的空气温度比海洋表面温度变暖得更快;混合模式场仅显示变暖速度比观测值快9%。

一个最近发表在《自然》杂志上的论文通过Iselin Medhaug及其同事认为,剩余的差异可以由短期自然变率(主要在太平洋)、小型火山和低于预期的太阳输出量的组合来解释,这些都没有包括在他们2005年后预测的模型中。

以下是Carbon Brief研究过的所有模型的摘要。必威手机官网下表显示了每个模型或一组模型之间升温速率的差异美国宇航局的温度观测。所有的观测温度记录都相当相似,但NASA的记录是近年来包括更完整的全球覆盖的记录之一,因此与气候模式数据更直接可比。

* SAR趋势差异是在1990年至2016年期间计算的,因为1990年之前的估计值不易获得。
括号中基于陆地/海洋混合模型的差异

结论

自1973年以来发布的气候模型在预测未来变暖方面通常相当熟练。虽然有些过低,有些过高,但它们所显示的结果都相当接近实际发生的情况,特别是考虑到预测的二氧化碳浓度与实际浓度和其他气候强迫之间的差异。

模型还远远不够完美,并将随着时间的推移不断改进。它们还显示了一个相当大的未来变暖范围不能轻易缩小仅仅利用我们观测到的气候变化。

然而,自1970年以来预测的变暖和观测到的变暖之间的密切匹配表明,对未来变暖的估计可能同样准确。

方法论的注意

环境科学家Dana Nuccitelli有帮助地提供了过去模型/观测比较的列表,可用在这里.的PlotDigitizer软件用于在没有其他数据时从旧数字中获取值。CMIP3和CMIP5模型数据来源于KNMI气候探索者

Rosamund Pearce的动画。

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