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位于德国气候计算中心的计算机柜组成了超级计算机“Mistral”。信用:FelixKönig/ DPA / Alamy Live News
位于德国气候计算中心的计算机柜组成了超级计算机“Mistral”。 资料来源:Felix König / dpa / Alamy直播新闻
气候模型
2019年12月28:00

CMIP6:下一代气候模型解释

Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

12.02.19
Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

02.12.2019 |上午8:00
气候模型 CMIP6:下一代气候模型解释

气候模型是科学家了解气候在过去和未来如何变化的主要手段之一。这些模型非常详细地模拟了大气、陆地和海洋的物理、化学和生物学,并需要一些世界上最大的超级计算机来生成他们的气候预测。

随着世界各地的不同型号群体纳入了更高版本,气候模型不断更新空间分辨率,新的物理流程和生物地球化学周期。这些建模小组协调他们的更新日程政府间气候变化小组(IPCC)评估报告,释放一组模型结果 - 称为“运行” - 在引导到每个人。

这些协调努力是其中的一部分耦合模型相互比较项目(CMIP)。2013年IPCC第五次评估报告(AR5)特色来自CMIP5的气候模型,而即将到来的2021个IPCC第六评估报告(AR6)将采用新的最先进的CMIP6型号。

CMIP6将由100个不同气候模型的“运行”组成49个不同的模型组.努力已经开始了落后时间表此外,它越来越不可能将所有CMIP6模型及时可在AR6中包含。

碳简报现在有足够的数据来评估自CMIP5以来的变化。必威手机官网这些模型正在运行一些新的和更新的排放路径,这些路径探索了比CMIP5所包含的更广泛的未来可能结果。

虽然迄今为止只有大约40个CMIP6模型的结果被公布,但已经很明显,其中一些模型有明显的更高气候敏感性比CMIP5中的模型。这种较高的灵敏度有助于对本世纪的更大变暖的预测 - 比在CMIP5中的类似场景约为0.4C温暖 - 尽管这些加热预测可能随着更多型号可用而变化。研究人员仍在努力评估为什么最新一代模型中的敏感性值高得多。

在此解释者中,Carbon简介概述了在必威手机官网CMIP6中使用的未来排放场景。这包括在迄今为止发布的CMIP6型号中的气候敏感度,过去和未来变暖的检查,看看如何与CMIP5中的先前一代模型进行比较。最后,本文将总结气候模型在CMIP6中进行的不同实验。

2020年11月3日更新:使用许多额外的CMIP6运行现在可以从场景中提供,此帖子已更新以反映结果。本文的原始版本仅包括14个CMIP6模型运行;此更新现在包括42次历史记录,在某些未来的发射方案中最多35次运行。“CMIP6历史模拟”和“CMIP6中的未来变暖”部分的所有数字都已更新,以反映最新结果。可以在此查看原始图表归档版本文章。

2020年6月17日更新:本文已更新,以包括更多型号敏感性估算,以及关于最新研究的新部分,了解高灵敏度模型的可靠性。

未来的排放情况

CMIP6代表了CMIP5的大量扩展,包括参与建模小组的数量、审查的未来情景的数量以及进行的不同实验的数量。

目标的目标CMIP.是生成一组每个模型将运行的标准模拟。这使得结果可以在不同的模型之间直接比较,以查看模型在未来的变化中同意和不同意的地方。模型运行的主要模拟集之一是未来气候情景,其中模型给出了一组未来温室气体、气溶胶等的共同浓度气候强迫预测未来可能发生的事情。

在IPCC第六次评估报告之前,能源建模界已经开发了一套新的排放情景,这是必威体育在线注册由不同的社会经济假设驱动的。共享社会经济途径”(SSPs)。许多这样的SSP场景已被选中驱动CMIP6的气候模型。

具体而言,选择了一系列情景,以提供一系列不同的世纪末气候变化结果。IPCC AR5精选四个代表浓度通路(rcps)检查了不同可能的未来温室气体排放。这些方案 -RCP2.6RCP4.5RCP6.0,RCP8.5- CMIP6中有新版本。这些更新的方案称为ssp1-2.6,ssp2-4.5,ssp4-6.0和ssp5-8.5,每个都会导致类似的2100辐射强迫就像它们在AR5中的前身。

CMIP6还采用了一些新的方案,以便为科学家模拟未来提供更广泛的选择。这些情景包括在下面的图表中,它显示了每一情景下到2100年的二氧化碳年排放量。新增场景包括SSP1-1.9(紫色线)、SSP4-3.4(蓝实线)、SSP5-3.4OS(蓝虚线)和SSP3-7.0(橙色线)。

CMIP6中的未来二氧化碳排放方案
CMIP6中描述的未来二氧化碳排放情景,以及历史二氧化碳排放(黑色部分)。阴影部分代表的范围无政策基线方案.的数据SSP数据库;通过碳简短使用图表必威手机官网Highcharts

CMIP6方案的一个重大改进是更好地探索了可能的基线“无气候政策”结果。CMIP5的前一代气候模式只包括一个非常高的基线情景(rcp8.5)和一个与基线结果一致的一个相对较小的缓解场景(RCP6.0)。随后的大部分文献依赖于RCP8.5作为唯一的禁止政策基线,通常会将其作为“像往常一样的业务”,尽管它有所存在最坏的情况在可能的禁止政策结果中。

CMIP6增加了一个新的场景 - SSP3-7.0 - 它位于能量系统模型生产的基线结果范围内。必威体育在线注册现在,莫德勒可以检查最坏情况(SSP5-8.5),中间的道路(SSP3-7.0),在建模世界在未能制定任何气候政策的世界中如何温暖时更加乐观(SSP4-6.0)结果。

SSP4-3.4是另一种新的情景,它试图探索到2100年一般将升温控制在2摄氏度以下(RCP2.6 / SSP1-2.6)和3摄氏度左右(RCP4.5 / SSP2-4.5)的情景之间的空间。如果社会迅速减少排放,但减缓速度不够快,无法将升温幅度限制在2摄氏度以内,那么它将帮助科学家更好地评估变暖的影响。

SSP5-3.4OS是AN.过度的场景在2040年前,排放遵循最坏情况下的SSP5-8.5路径,之后随着本世纪后期的大量使用,排放量急剧下降负排放量

最后,SSP1-1.9是一种旨在到2100年以上将升温限制在1.5摄氏度以下的情景工业化前的水平.它是在巴黎协定当各国同意努力将温度增加到1.5℃时。这必威体育在线注册能源模型和简单的气候模型将升温幅度限制在1.5摄氏度,在全球变暖中发挥了重要作用关于1.5C的特别报告IPCC于2018年发布的报告。这些新的CMIP6情景现在将允许完整的气候模型来探索气温上升约1.5摄氏度时的气候变化和影响。

CMIP6具有与CMIP5 RCP场景类似的2100强制效果的新方案。然而,即使他们的世纪末强迫是相同的,减排途径和二氧化碳和非二氧化碳排放的混合物也不同。下图比较了旧的RCP场景(虚线)和新的SSP对应物(实线)中的CO2排放量。

标题
CMIP5和CMIP6对应的RCP未来二氧化碳排放情景,以及历史二氧化碳排放(黑色部分)。的数据SSP数据库;通过碳简短使用图表必威手机官网Highcharts

造成这些差异的原因有几个。新的SSP场景始于2014年,而旧的rcp场景始于2007年。与RCP2.6相比,低端SSP1-2.6情景的排放量下降更为缓慢,起点也更高,这部分反映了2007-2014年的排放量明显高于原始RCP2.6情景的预期。它大幅增加了上世纪末期的负排放,以弥补起点较高、下降速度较慢的问题。

与RCP4.5相比,SSP2-4.5的起点更高,下降速度稍慢,但也有较大的非co2排放量下降的作用。SSP4-6.0与RCP6.0有很大的不同,CO2排放量在2050年达到峰值,并在2080年之后下降。这种更快的减缓抵消了近期更高的排放,尽管二氧化碳以外的温室气体排放也发挥了作用。最后,与RCP8.5相比,SSP5-8.5的CO2排放量要高得多,非CO2排放量的减少也相应更大。

许多高灵敏度模型

平衡气候敏感性(ECS)是大气二氧化碳浓度加倍后的预期长期变暖。它是未来变暖的影响的最重要指标之一。“敏感性”是气候模型中的物理和生物地球化学模拟的东西;莫德勒没有明确设置的东西。

CMIP6型号可更新倾向于显示显着高于CMIP5型号的气候敏感性。虽然目前只有40个CMIP6模型计算ECS所需的运行,但其中大约三分之一的ECS高于IPCC AR5中提供的电源范围的上端 - 1.5c至4.5c。四分之一具有比CMIP5中的任何型号更高的灵敏度。这些包括来自许多非常突出的建模组的模型 - 就像社区地球系统模型2(CESM2.)和梅特办公室HadGEM3模型。这瞬态气候响应- 在许多CMIP6模型中,与增加CO2相关的短期变暖的度量也显着较高。

下图显示了IPCC AR5可能的ECS范围(黑条),CMIP5型号(灰栏;黑点)的范围和单独值,以及可提供的CMIP6型号的范围和值(蓝栏;黑色点)。

可能的ECS系列
可能的ECS范围(例如估计有66%的几率发生)从IPCC AR5.(黑条),CMIP5模型ECS值(灰色)和CMIP6模型ECS值(蓝色)。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

研究人员目前正在研究是什么导致了这些高ECS值。在一些模型中,ECS的增加似乎到期他们改善了代表云和气溶胶;例如,模型如何处理过冷(在南洋中冻结但仍然是液体)可以产生大的敏感性。

但是,尽管模型更加现实,但尚不清楚这些改进是否正在转化为ECS更准确的估算。例如,一些气候科学家表达了怀疑高端价值观,争论他们与来自古藏记录和其他证据的证据不一致。

IPCC的AR6将如何将某些模型的高ECS与其他证据来源相协调,以及它们是否会更新“可能的”敏感范围,还有待观察。

到目前为止可用的40个CMIP6型号中的每一个的ECS值都在下图中示出。这些以黄色突出显示这些的十四位,具有高于4.5℃的EC,而11个具有高于CMIP5(例如4.7C)的最高模型的敏感性。二十六种模型具有与AR5范围一致的ECS值,CMIP6(1.8℃)中最低的ECS模型类似于CMIP5(2.1C)。

截至2020年5月,40个CMIP6模型的ECS值
40 CMIP6型号的ECS值,如5月2020年5月,必要的实验计算ECS(使用格雷戈里方法)目前可用。具有ECS的IPCC AR5上方的模型可能在黄色中显示。请注意,显示的所有模型都是独立的,因为某些建模组 - 例如CESM2 - 具有多个版本。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

AR5的“可能”ECS范围为1.5C-4.5C意味着真正的价值落在该范围内有66%的几率。因此,可以预期大约33%的值落在这个范围之外 - 并且有有充分的理由期待高于4.5摄氏度比低于1.5摄氏度更有可能。例如,来自古气候数据、模型和观测的证据都表明,ECS不太可能低于1.5摄氏度,但他们也不能轻易排除ECS高于4.5摄氏度的可能性。

在CMIP6中具有各种ECS值并不一定是坏事,因为它表明莫德勒不能选择与其他建模组的结果类似(例如融入群体).然而,到目前为止,许多模型的ECS值都很高,这意味着要么未来变暖的情况可能比我们想象的更糟,要么一些著名的气候模型可能搞错了气候敏感性,这是许多气候科学家正在关注解决的一个问题。

由NASA的模型和超级计算机创建的气溶胶运动视图。资料来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心。

最新研究

最近,一些研究试图解决更高灵敏度模型的可靠性。两项研究,一个通过emke nijsse.他的同事埃克塞特大学另一个通过Katarzyna Tokarska博士和同事们苏黎世联邦理工学院——指出最高灵敏度模型在重现历史温度方面做得很差,要么没有显示20世纪的变暖,要么近期变暖太快,要么总体变暖太多。他们认为,历史温度可以作为一个紧急约束,帮助排除新的非常高的敏感性估计。

另一方面,一些研究人员争论这种自然变化在近年来帮助产生了一种变暖模式,这种模式导致了较低的全球气温,这使得用观测到的变暖来限制未来的预测具有挑战性。

一个最近的研究通过威廉姆斯博士他的同事英国气象局建议,最新的遇见办公室模型 - 每加倍二氧化碳的灵敏度为5.5℃ - 在生产短期预测方面表现出比模型的变体更低,气候敏感性较低,因为它在寒冷温度下具有较大量的云液体水.

但是,正如美国宇航局的那样加文施密特博士在一个Realclime Blog Post.,目前还不清楚为什么短期预测应该必须与敏感性相关联。施密特建议“可能是所有在这项任务(短期预测)上做得好的模型都有一系列的ECS值,而这个模型做得好的同时具有较高的ECS,这只是一个巧合。”

这些新的高灵敏度模型提醒我们,巨大的不确定性(和风险的长尾)仍然存在,但气候模型只是其中之一科学家们利用一系列证据来确定气候的敏感性。考虑到新模型的灵敏度估计范围,科学家表明,它仍然仍然如此为时,气候敏感度可能高于以前认为。

CMIP6历史模拟

与CMIP6仍然运行进度落后此外,只有35种不同型号的最终100型偶尔已经提交了未来的排放场景运行。虽然结果可能会随着其他建模组进行变化,但有足够的模型可用于评估CMIP5的CMIP6如何结果。

似乎越来越有可能的是,不是所有的CMIP6运行将由的最后期限将被包括在IPCC最终报告中,该报告将于2021年4月发布。然而,CMIP6运行没有准备好在AR6在未来仍将被研究人员使用。

虽然气候模型产出包括数千个不同的气候变量,但很多关注都集中在全球表面温度上。检查表面温度的两个不同实验特别感兴趣:模型表面温度“追算“ - 其中莫德尔斯模拟了1850年至今的期间 - 以及在不同的发射场景下将来变暖的预测。

对气候模型的建模者来说,预测是评估气候模型性能的有用工具。当模型在表示过去的变化方面做得很好时,它可以逐渐灌输信心,认为它们也将正确地得到未来的变化。

考虑到目前可用的计算能力的局限性,气候模型无法解决地球气候的所有小规模物理问题。在某些情况下,它们必须为那些发生在太小规模而无法有效模拟的过程提供数值,比如云的形成。这些价值的选择——它们本身往往是高度不确定的——被称为模型优化.虽然大多数莫德尔斯避免明确调整模型以匹配过去的温度变化,但是当发现大型不匹配时给他们加扰查找修复。在CMIP6中,一些建模组显式地调整一些参数更好地匹配历史温度 - 但是大多数人仍然没有

下图,与来自的观察结果相比,下图显示了来自CMIP6(蓝色)和CMIP5(灰色)中的气候模型的全局表面温度“HindCast”美国国家航空航天局GISTEMP数据集。线条显示了42个现有的CMIP6模型的平均值,而阴影区域显示了模型运行的95%置信区间。

观测到的气温与CMIP5和CMIP5的累计气温比较。
观测到的气温与CMIP5和CMIP5的累计气温比较。CMIP6模型从1850-2014的历史运行与2019年的平均预测相结合,遍布所有可用场景。每种型号使用一次运行。实线显示多模型意味着,而阴影区域代表two-sigma的范围内。括号中的值反映了分析中使用的模型的数量。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

尽管CMIP6的ECS值发生了变化,但其后报与CMIP5相当相似;观测结果几乎总是在模型运行的范围内,而模型对现代变暖的捕捉也相当好。CMIP6模式不能很好地模拟从1900-1940年观察到的20世纪早期温和的变暖,尽管在这方面它们与CMIP5相似。

评估Hindcast性能的一种方法是在一段时间内比较模型和观察中的变暖速度。下图显示了在1880-2019期(左)的预期观测中的预热(来自NASA),CMIP5型号和CMIP6型号,更现代化的1970-2019(右)。此分析开始于1880年开始,所使用的观测记录不会延伸到1850年。标记的点表示所有模型的平均值(“多模型均值”),而不确定性(蓝线)反映该范围在所有模型中升温(或观察的预热速度的不确定性)。

观测结果表明,CMIP5和CMIP6在1880-2019年和1970-2019年期间的增温速率显著高于CMIP5和CMIP6。
观测结果表明,CMIP5和CMIP6在1880-2019年和1970-2019年期间的增温速率显著高于CMIP5和CMIP6。这个点代表了CMIP5和CMIP6观测的中心趋势估计值和多模式平均值。不确定性范围反映了所有模型中观测的统计不确定性和趋势的95%范围。请注意,模型显示全球平均地表气温,而观测是一个组合陆地表面的空气温度和海洋表面的温度。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

在整个1880-2019年期间,CMIP5和CMIP6都符合观测到的升温速率。1970-2019年间,CMIP5模式的多模式平均升温速度比观测值快10%,而CMIP6模式子集的多模式平均升温速度比观测值快16%左右。CMIP6较高的升温速率可能是由较高的模式敏感性值驱动的。

CMIP6的未来升温

CMIP6中可用的有限数量的未来预测意味着随着更多型号的运行进来,集体结果可能会发生变化。尽管如此,仍然可以初步评估今日可用的模型的未来变暖水平。虽然所有模型的平均值随着更多结果可以改变,但很明显,在CMIP6中升温的值范围将比CMIP5宽。

下图显示了全球变暖和多模式平均变暖的范围,从工业化前的水平到2090-2100年。1CMIP6场景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5)以及SSP1-1.9场景,其中有相对较多的运行可用。图中没有显示其他场景,因为发布的运行仍然太少,无法提供可比的分析。括号中的数字显示了每个场景当前提交模型运行的建模组数量。

1880-1900年至2090-2100年的CMIP6变暖
CMIP6在1880-1900和2090-2100之间升温,用于新的发射方案的子集,具有大量型号运行。该范围反映了每个场景的模型之间的最低和最高的变暖,而标记的点表示多模型均值。X轴上的括号中的数字表示当前可用的唯一模型运行数。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

到目前为止的结果表明了大量的未来变暖;新的SSP1-1.9场景 - 旨在限制变暖到1.5C - 具有1.4℃的多模型平均变暖。同样,SSP1-2.6场景 - 类似于AR5的“低于2C”RCP2.6 - 显示平均变暖2.0℃。在高端,SSP5-8.5场景显示了5.0℃的平均变暖,而新的SSP3-7.0场景显示4.1C的变暖。这些价值观略低于2020年初发布的本文初始版本中所示的值,因为最近报告模型的许多气候敏感性略低于略低 - 在CMIP5中发现的价值观(比早期报告模型)更多.

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到目前为止,一些未来的情景有相对较少的运行,因此应小心(特别是对于多模型均值)进行初始值,直到更多型号完成运行。即使是SSP2-4.5的那些,也有14个模型报告结果 - 可能会显着改变,一旦剩下的模型完成运行并添加到CMIP6数据库中。

迄今为止的结果与CMIP5中发现的类似强迫情景有相当大的不同。下图比较了CMIP5和CMIP6类似情景中与工业化前水平相比的变暖情况。

RCP情景下的CMIP5和CMIP6在1880-1900年和2090-2100年间变暖及其新模拟
CMIP5和CMIP6在1880-1900和2090-2100之间升温,用于RCP场景及其新的类似物。该范围反映了每个场景的模型之间的最低和最高的变暖,而标记的点表示多模型均值。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

在CMIP5情景下,RCP2.6的多模式平均增温为1.7C,而SSP1-2.6情景下的多模式平均增温为2.0C。在其他情况下也发现了类似的差异,CMIP6变异体显示出约0.4摄氏度的升温。注意,CMIP6的结果没有显示为SSP4-6.0,因为它是一个“2级的情况下,当前可用的模型运行太少,无法产生与其他情况相比较的估计。RCP和新的SSP场景之间的区别有一个小的影响在end-of-century变暖。

更多型号和实验

CMIP6实验包括基本的“诊断”模拟(称为甲板),那里的二氧化碳以每年1%的速度增加,或者突然增加到原来的四倍,或者气候压力在很长一段时间内相对不变。这包括由观察到的二氧化碳和其他变化驱动的历史运行气候强迫,以及21世纪及以后的未来排放情景。

此外,还有22个专业实验(23包括未来的排放方案),建模组可以选择参与。这些实验 - 称为模型离营项目,或MIPs-除了基本诊断和历史模拟之外,提供对气候变化的有用评估。例如,在GeoMIP实验中,不同的建模组模拟不同类型的效果地理工程对气候。CMIP6中包含的MIPs如下图所示。

CMIP/CMIP6实验设计原理图和21个CMIP6认可的MIPs。经Simpkins许可转载(2017)。
CMIP/CMIP6实验设计原理图和21个CMIP6认可的MIPs。经辛普金斯同意转载(2017年).

并非所有建模组都将参与CMIP6中的所有MIP实验 - 部分原因是所有群体都具有相同的超级计算资源或对特定实验的兴趣。下面列出了CMIP6中包含的MIPS;有关每个的详细信息可以在附带链接中找到。

  • 气溶胶和化学模型相互比较项目(AerChemMIP
  • 耦合气候碳循环模式比较项目(C4米兰理工大学管理学院
  • 二氧化碳去除模型相互比较项目(CDRMIP.
  • 云反馈模型互比较项目(CFMIP.
  • 检测与归因模型相互比较项目(朝比
  • Decadal Climate预测项目(DCPP.
  • 通量-异常-强迫模式比较计划(FAFMIP
  • 地球工程模型相互比较项目(地理位置
  • 全球季风模式比较计划(Gmmip.
  • 高分辨率模型互通项目(HighResMIP
  • CMIP6的冰盖模式比较计划(ISMIP6
  • 土地面,雪和土壤水分(LS3MIP
  • 土地使用模式比较项目(LUMIP
  • 海洋模型互通项目(Omip.
  • 极性放大模型互通项目(PAMIP
  • 古气候模拟比较计划(PMIP.
  • 辐射强迫模型比较计划(rfmip.
  • 场景模型互通项目(ScenarioMIP
  • 火山作用力模式比较计划(VolMIP
  • 区域气候降尺度协调试验(CORDEX
  • 动态和变异模型互通项目(Dynvarmip.
  • 海冰模型互相项目(SIMIP
  • 漏洞,影响,适应和气候服务咨询委员会(VIACS AB

有49个不同的建模小组参与了CMIP6,而CMIP5只有24个。下面的地图显示了参与CMIP6的建模小组的位置。

每个建模中心为CMIP6产生的输出被加载在一个中央门户网站,由气候模式诊断和相互比较项目(PCMDI),来自世界各地的许多学科的科学家可以自由、公开地获取。还有一个特殊的问题发表了28篇论文,涵盖了整个项目和具体的MIPs。

CMIP6是一个巨大的建模努力,实质上比CMIP5更有野心。这导致了一些延迟,至少CMIP6目前正在运行落后时间表.虽然目前正在起草IPCC AR6,但只有相对有限的模型,似乎所有CMIP6运行似乎都将及时完成最终AR6草案。

致谢

克里斯汀McKeena博士利兹大学限制项目使模型运行可用来创建这个分析中的数字。

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