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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”。资料来源:Felix König/dpa/Alamy直播新闻
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
气候建模
2019年12月2日8:00

CMIP6:下一代气候模型解释

齐克Hausfather

齐克Hausfather

12.02.19.
齐克Hausfather

齐克Hausfather

02.12.2019 |8:00 AM
气候建模 CMIP6:下一代气候模型解释

气候模型是科学家们了解过去的气候如何改变的主要手段之一,并可能在未来变化。这些模型非常详细地模拟了大气,土地和海洋的物理,化学和生物学,并要求世界上最大的一些超级计算机生成气候预测。

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,新的物理过程和生物地球化学循环。这些建模组协调其更新周围的更新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。

这些协调一致的努力是耦合型号互通项目(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将由大约100个不同的气候模型组成的“运行”49个不同的造型组.努力已经落后时间表,所有的CMIP6模型似乎越来越不可能及时被纳入AR6。

现在可以获得足够的数据以产生对自CMIP5以来的事情发生变化的评估必威手机官网。这些模型正在运行许多新的和更新的排放路径,这些排放路径探讨了比CMIP5中包含的更广泛的未来结果。

虽然只有大约40个CMIP6型号的结果已经发布到目前为止,但已经很明显,其中许多人具有显着更高气候敏感性比CMIP5的模型要好。这种更高的敏感性有助于预测本世纪更大的变暖——比CMIP5的类似情景高出0.4摄氏度——尽管这些变暖预测可能会随着更多可用模型的出现而改变。研究人员仍在努力评估为什么最新一代模型的灵敏度值显得更高。

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。

更新2020年6月17日: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。

未来的发射情景

CMIP6代表了CMIP5的大量扩展,就参与的建模组的数量而言,所检查的未来情景的数量和所进行的不同实验的数量。

目标的目标CMIP.是生成一组标准模拟,每个模型都将运行。这允许导致在不同模型中直接相当,看模型在哪里同意和对未来的变化不同意。由模型运行的主要模拟之一是未来的气候情景,其中型号是一套常见的未来温室气体浓度,气溶胶等气候强迫项目将来可能发生的事情。

在领导到IPCC AR6,能源建模社区开发了一系列由不同社会经济假设驱动必威体育在线注册的新的排放情景,这些是“共享社会经济途径“(SSP)。许多这些SSP场景被选择驱动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精选四个代表性浓度途径(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., 和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辐射强迫在AR5中作为他们的前任的水平。

许多新情景也用于CMIP6,以便为科学家提供更广泛的期货来模拟。这些方案包含在下图中,显示了在每种情况下假设的年度二氧化碳排放量为2100.新方案包括SSP1-1.9(紫线),SSP4-3.4(蓝色实体),SSP5-3.4OS(蓝色虚线)和ssp3-7.0(橙色)。

CMIP6中的未来二氧化碳排放方案
CMIP6中的未来二氧化碳排放情景,以及历史二氧化碳排放(黑色)。阴影区域代表了范围没有政策基线场景.数据来自SSP数据库;通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

CMIP6情景的一个重大改进是对可能的基线“无气候政策”结果的更好探索。在CMIP5中的现代气候模型仅包括一个非常高的基线场景(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在可能的无政策结果中。

CMIP6增加了一个新的情景——SSP3-7.0——它正好位于能源系统模型产生的基线结果范围的中间。必威体育在线注册现在建模者可以检验最坏的情况(SSP5-8.5),中间路线(SSP3-7.0)和更乐观的结果(SSP4-6.0),当建模世界如何变暖时,没有制定任何气候政策。

SSP4-3.4是另一个尝试探索通常限制在2C(RCP2.6 / SSP1-2.6)和大约3C(RCP4.5 / SSP2-4.5)的情况下的场景之间的空间(RCP4.5 / SSP2-4.5)。它将帮助科学家如果社会迅速减少排放,则更好地评估变暖的影响,但不能快速减轻足以限制在2℃以下。

ssp5 - 3.4操作系统是一个过冲情景(操作系统)排放遵循最坏情况SSP5-8.5途径,直到2040年,他们随着很多临近的临近使用而迅速下降负排放

最后,SSP1-1.9是一个方案,旨在将其预热到1.5℃以下2100预工业水平.它被添加到了巴黎协议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开发限制变暖到1.5c在此处发挥了重要作用关于1.5C的特别报告该IPCC于2018年发布。这些新的CMIP6情景现在允许充分的气候模型探讨气候变化和影响左右的变暖。

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及其CMIP6对应物中的未来RCP二氧化碳排放方案以及历史二氧化碳排放量(黑色)。数据来自SSP数据库;通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

这些差异有几个原因。新的SSP场景于2014年开始,而旧的RCP在2007年开始。低端SSP1-2.6场景显示出比RCP2.6和更高的起点,在2007-2014排放的部分中反映出了更高的排放量。在原始RCP2.6场景中明显高于预期。它雇用了大量的深入世纪的消极排放,以弥补更高的起点和较慢的下降。

SSP2-4.5还显示出更高的起点,并且比RCP4.5略微慢得多,尽管SSP2-4.5中的更大的非二氧化碳排放下降也起到了作用。SSP4-6.0与RCP6.0完全不同,与2080年相比,二氧化碳排放量达到峰值和下降。这更快的缓解抵消了更高的近期排放,尽管二氧化碳以外的温室气体排放也发挥作用。最后,SSP5-8.5具有比RCP8.5更高的二氧化碳排放,在非二氧化碳排放中具有相应的较大切割。

许多更高的灵敏度模型

平衡气候敏感性(ECS)是在大气二氧化碳浓度翻倍后预期的长期变暖。它是未来变暖影响有多严重的最重要指标之一。“敏感性”是指气候模型中的物理和生物地球化学模拟;它不是由建模者明确设置的东西。

CMIP6型号可供客人使用倾向于展示显着高于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)IPCC AR5(黑条),CMIP5模式ECS值(灰色),CMIP6模式ECS值(蓝色)。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

研究人员目前正在研究驱动这些高ECS值的原因。在许多模型中,EC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(低于冰点但仍然是液体)在南方海洋中可以产生很大的不同,导致敏感性。

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怀疑论高端价值观,争论他们与来自古藏记录和其他证据的证据不一致。

仍有待观察到IPCC AR6如何与其他型号与其他证据来源调和高EC,以及如果它们将更新“可能”的灵敏度范围。

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5月2020年5月可用的40个CMIP6型号的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。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

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 - 并且有期待的好理由高于4.5c的值比1.5℃低的值更可能。例如,来自古怪数据,模型和观察的证据都表明了1.5C下方的EC不太可能,而它们并不容易排除4.5℃以上的EC。

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(例如与牛群合作)。然而,到目前为止可获得的多种型号具有非常高的ECS意味着未来的变暖可能比我们想象的或许多突出的气候模型可能会使气候敏感性错误,这是许多气候科学家专注的问题解决。

NASA模型和超级计算机创造的气溶胶运动看法。信用:美国宇航局/戈达德太空飞行中心。

最新研究

最近,许多研究试图解决更高灵敏度模型的可靠性。两项研究 -经过emke nijsse.和同事埃克塞特大学其他经过Katarzyna Tokarska博士和同事们埃尔希希- 指出,最高敏感模型在再现历史气温的情况下做出了糟糕的工作,无论是显示20世纪的变暖和近期变暖,还是太多的整体变暖。他们认为历史气温可以作为一种紧急的约束,以帮助排除新的非常高的敏感性估计。

另一方面,一些研究人员认为这种自然变化有助于在近年来近年来产生的变暖模式,导致全球温度降低,而不是否则发生的,使得使用观察到的变暖来限制未来预测的挑战。

一种最近的研究经过威廉姆斯博士和同事英国遇见了办公室最新的英国气象局模型——敏感度为每翻倍二氧化碳5.5摄氏度——比气候敏感度较低的模型的其他变种在做出短期预测方面表现得更好,因为它在低温下有更多的云液态水。

然而,随着美国宇航局Gavin Schmidt博士指出RealClimate博客,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“这可能是这项任务的所有模型[短期预测]具有一系列ECS值,并且这一模型的巧合良好并具有高ECS,恰恰是巧合”。

这些新的高灵敏度模型是提醒人们仍然存在大的不确定性(和长尾),但气候模型只是其中之一科学家用来确定气候敏感性的证据。鉴于新型模型敏感性估计的范围,科学家建议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

CMIP6仍在运行落后于预定计划到目前为止,只有35个不同的模型最终提交了100个左右的未来排放情景运行。虽然结果可能会随着其他建模小组的完成而改变,但有足够的模型可供评估CMIP6与CMIP5相比可能的结果。

它似乎越来越有可能是所有CMIP6运行将通过最后期限要包含在最终IPCC报告中,由于2021年4月出版。但是,CMIP6在未来的研究人员仍然可以使用CMIP6运行。

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“环球——建模人员模拟了从1850年到现在的时期——以及在不同排放情景下对未来变暖的预测。

Hind Cassions是莫德勒评估气候模型性能的有用工具。当模型做好代表过去的变化时,它可以灌输他们将来更改的信心正确。

鉴于今天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。在某些情况下,他们必须为有效模拟太小的过程提供的过程的值 - 例如云形成。这些值的选择 - 通常本身非常不确定 - 被称为模型调整.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把它们寄出扰乱查找修复。在CMIP6中,一些建模组明确调整一些参数更好地匹配历史温度 - 但是最仍然没有

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”NASA Gistemp.数据集。线路显示当前可用的42个CMIP6型号的平均值,提供了HindCasts,而阴影区域显示模型运行的95%置信区间。

观察到温度与CMIP5和CMIP5 HindCasts相比。
观察到温度与CMIP5和CMIP5 HindCasts相比。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,而阴影区域代表两西格玛范围。括号中的值反映了分析中使用的模型数。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

尽管CMIP6中的ECS值更改了,但HindCast与CMIP5非常相似;观察几乎始终在模型运行范围内,而模型可合理地捕获现代变暖。CMIP6型号没有做出特别好的工作模拟了20世纪初期的20世纪初期从1900-1940观察到的温暖,但在这方面,它们与CMIP5类似。

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)。

观察到,CMIP5和CMIP6为1880-2019和1970-2019期的变暖率。
观察到,CMIP5和CMIP6为1880-2019和1970-2019期的变暖率。该点表示观察结果的中心趋势估计,并且CMIP5和CMIP6的多模型意味着。不确定性范围反映了观察结果的统计不确定性和所有模型的95%趋势。请注意,型号显示全球平均表面空气温度,而观察是一个混合海洋陆地和海面温度过度的表面空气温度。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

在完整的1880 - 2019年期间,CMIP5和CMIP6都匹配了观察到的变暖速率。在最近的1970 - 2019年期间,CMIP5中的多模型平均值比观察结果快10%,而到目前为止可获得的CMIP6型号子集的多模型平均值速度比观察速度快16%左右。CMIP6中的更高的加热速率可以由更高的模型灵敏度值驱动。

CMIP6中的未来变暖

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。

下图显示了变暖和多模型的范围意味着变暖 - 从预工业水平到2090-2100 - 四个“1“CMIP6场景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5)以及SSP1-1.9可用的SSP1-1.9场景可用。在此图中未显示其他情况,因为仍然太少的已发布运行以提供可比分析。括号中的数字显示为每种方案目前提交的建模组模型运行。

CMIP6在1880-1900和2090-2100之间变暖
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。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

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。

到目前为止的结果与CMIP5中发现的结果相当差异,用于类似的迫使情况。下图比较了CMIP5和CMIP6中类似场景之间的预工业水平的热化。

CMIP5和CMIP6为1880-1900和2090-2100的RCP场景和新的类似物的变暖
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。通过碳简短使用图表必威手机官网高级园林

虽然RCP2.6在CMIP5中的多模型平均估计为1.7℃,但新的SSP1-2.6场景的平均变暖为2.0℃。对于其他场景,发现类似的差异,CMIP6变体显示大约0.4℃的变暖。请注意,CMIP6结果未显示SSP4-6.0,因为它是“2级“具有太少的模型运行的情况目前可用于产生与其他方案相当的估计值。RCP与新SSP方案之间的差异也影响很小在世纪末的变暖。

更多型号和实验

CMIP6的实验包括基本的“诊断”模拟(称为甲板其中CO2每年增加1%,或者突然四倍,或者气候迫使在长时间相对不变。这些包括由观察到的二氧化碳和其他的变化驱动的历史运行气候强迫和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.- 为超出基本诊断和历史模拟中的气候变化提供有用的评估。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在气候上。包含在CMIP6中的MIPS在下图中显示。

CMIP / CMIP6实验设计的示意图和21个CMIP6辅助MIPS。通过Simpkins(2017)的许可转载。
CMIP / CMIP6实验设计的示意图和21个CMIP6辅助MIPS。通过Simpkins的许可转载(2017年)。

并不是所有的建模小组都将参与CMIP6的所有MIP实验——部分原因是不是所有的小组都拥有相同水平的超级计算资源或对特定实验的兴趣。CMIP6中包含的MIPs列在下面;关于每一个的详细信息可以在附带的链接中找到。

  • 气溶胶和化学模型互相项目(空气敏捷
  • 耦合气候碳周期模型互通项目(C4.m
  • 二氧化碳去除模型互通项目(CDRMIP.
  • 云反馈模型互通项目(CFMIP.
  • 检测和归因模型互通项目(DAMIP
  • Decadal Climate预测项目(DCPP.
  • Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison项目(FAFMIP.
  • 地理工程模型互通项目(GeoMIP
  • 全球季风模型互通项目(GMMIP
  • 高分辨率模型互通项目(高度胶质
  • CMIP6的ICE表模型兼容项目项目6(ISMIP6
  • 地表、积雪及土壤水分(ls3mip.
  • 土地使用模型互通项目(l
  • 海洋模型互通项目(OMIP
  • 极地放大模型互通项目(PAMIP.
  • 古典气候建模互通项目(PMIP.
  • 辐射强制模型互通项目(RFMIP
  • 场景模型互通项目(情景
  • 火山迫使模型互通项目(volmip.
  • 协调区域气候镇压实验(Cordex.
  • 动态和变异模型互通项目(Dynvarmip.
  • 海冰模型互相项目(sim
  • 漏洞,影响,适应和气候服务咨询委员会(VIACS AB.

参与CMIP6的49个不同的建模组,Up左右在CMIP5中大约两打。下图显示了参与CMIP6的建模组的位置。

每个建模中心为CMIP6产生的输出加载到a上中央网门户网站,由气候模型诊断和互相组进行管理(PCMDI.),其中许多学科和世界各地的科学家可以自由而公开地访问。还有一个特刊关于CMIP6的地球科学模型发展的研究,涵盖整体项目和特定MIPS的28篇文章。

CMIP6是一种巨大的建模努力,比CMIP5大幅雄心勃勃。这导致了一些延迟,CMIP6目前至少运行落后时间表.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

克里斯汀麦克凯纳博士利兹大学约束项目使模型运行可用于在此分析中创建数字。

来自这个故事的Sharelines
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