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在海洋马尔代夫的热带风暴
海洋上空的热带风暴,马尔代夫。 信用证:房间代理/阿拉米库存照片。
客人帖子
2021年9月28日11:00

Guest Post:角色'模拟器的模型在气候变化预测中播放

克里斯史密斯博士

克里斯史密斯博士

2021年9月28日上午11:00
客人的帖子 Guest Post:角色'模拟器的模型在气候变化预测中播放

对于气候科学家来说,最先进的工具也许是地球系统模型(ESM)。这些气候模型以前所未有的细节模拟了通过大气、海洋和陆地表面的能量、水分和化学物质的流必威体育在线注册动。

然而,它们需要相当长的时间和费用来运行——需要强大的超级计算机、气候科学家和软件工程师团队来制作模型和分析结果。

为了加快速度,科学家可以选择使用一种更简单的模型——称为“模拟器”——来提供预测。虽然ESM可以有数百万行计算机代码,但模拟器可能只有数百行或数千行。

虽然一些模拟器可以有效地充当简单的气候模型——采用未来排放情景并预测温室气体浓度和全球温度变化——但其他模拟器则用于更具体的目的。这些模型可用于确定冰原和冰川融化引起的海平面上升,或将全球气温上升转化为区域气候变化。

在本文中,我将介绍什么是仿真器,它们在气候科学中的使用方式,以及它们在气候变化中所起的作用biwei6868第六次评估报告(AR6)的政府间气候变化专门委员会(IPCC)。

悠久的历史

仿真器已经几乎只要更复杂的气候模型. 美国气候学家詹姆斯·汉森博士他的同事们提出了一个简单的气候模型早在1981年这是基于大气中二氧化碳的浓度和二氧化碳的活动火山太阳. 从那以后,它已经被证明具有很好地再现了观测到的变暖

IPCC在其历史上一直使用仿真器第一工作组(WG1)部分 - 专注于潜在的气候科学 - 使用的仿真器,以在许多排放情景下对项目进行变暖,并从当时可用biwei6868的气候模型提供补充知识。这段时间恰逢仿真器的发展“魔术“(评估温室气体引起的气候变化的模式),气专委的大多数预测都以此为基础。

在里面第五次评估报告(AR5), esm开始主导未来气候预测,尤其是由于协调一致耦合型号互通项目(CMIP5),其中提供了30个左右的ESM预测,在不同排放情景下预测到2100年。

对于最近发布的AR6 WG1报告,模拟器又回到了一个更加突出的角色,再次被用来支持、扩展和约束ESMs的气候预测。尽管最新的模型相互比较项目提供了一组更新的ESM运行,但仍然存在这种情况(CMIP6).

使用ESMs原始CMIP6结果的一个挑战是躺在外面AR6评估的“极有可能”范围平衡气候敏感性(ECS)在2摄氏度到5摄氏度之间——特别是在高端。ECS是衡量大气CO2达到所见水平的两倍后,全球平均气温最终将上升多少的指标工业革命之前

再加上高模拟短期变暖率,这导致在几个CMIP6模型中预测的未来变暖水平非常高。使用已校准到AR6评估范围的ECS模拟器,结合CMIP6的观测约束结果,将本世纪末预测的未来变暖水平降低了ome CMIP6型号。

这是所有仿真器共同的功能的示例 - 它们具有许多参数,例如ECS,可以改变模型的行为。

一个简单的气候模型模拟器可能包含多达100个左右不同的参数,这些参数控制着气候系统的不同方面,例如空气污染的升温和降温影响、热量在海洋中的扩散方式以及陆地和海洋碳汇对全球变暖的响应。

通过同时改变参数,仿真器可以是“调整来复制esm的行为。这是使用CMIP6存档中可用的大量ESM输出数据来执行的。同样,使用简单的气候模型示例,地球系统的每个组成部分都可以通过CMIP6的不同实验进行调整。

例如我们知道CO2的空气传播部分 - 排放后留在大气中的二氧化碳的比例取决于陆地和海洋碳汇的强度,这又取决于储存在那些水槽中的温度和总碳。我们可能会对受过教育的猜测这种关系的功能形式,然后将此关系与专用模型实验的ESM结果进行拟合。

验证意见

与ESM不同,模拟器运行速度非常快,可以在台式计算机上在几分之一秒内生成气候预测。这意味着,对于具有不同参数值的单一排放情景,模拟器可以运行数百次、数千次甚至数百万次。这对于跨越fut的不确定性范围非常重要气候预测。

在每次运行中,参数将发生变化——通常在预定义的分布范围内随机采样——以产生不同的气候预测。参数值可以从基于CMIP6模型调整的分布或其他先验知识(例如ECS的非常可能范围)中采样。

并非所有参数组合都能产生真实的气候预测。“真实性”的一个指标是仿真器能否再现历史上观察到的气候变化的良好表现。

由于我们可以运行非常大的模拟器预测集,我们可以抛弃不符合历史气候变化的模拟。例如,我们可以将模型输出与观测到的全球平均温度上升、海洋热吸收的变化以及模拟器的二氧化碳浓度是否与观测值相匹配进行比较。

知道观测本身并不完美,我们也可以围绕这些最佳估计值建立观测不确定性。这导致了一组比我们开始时小得多、受约束的预测,但其中我们可以有更多的信心。

你可以在下图中看到这一点,它显示了CMIP6模型中的全球变暖(红线)与历史温度观测(蓝色)的对比。使用校准到CMIP6结果的模拟器,我们可以产生一系列投影(浅灰色)。然而,当我们引入我们的观测限制时,通过消除一些更不可信的预估,我们大幅缩小了未来预估的不确定性范围(深灰色),产生了一个紧随着观测到的变暖的最佳预估未来预估(黑色)。该方法修正了CMIP6模型中的一些系统偏差,如a低估20世纪末气候变暖趋势

按照SSP2-4.5排放途径,对之前运行的更大集合进行约束的演示
演示在以下步骤之后对更大的先前运行集合的约束:SSP2-4.5排放途径(浅灰色)进入较小的历史变暖,气候敏感度,海洋热含量变化和二氧化碳(深灰色)的评估范围的较小的系列集合的集合,以最佳估计。历史观察的变暖以蓝色和个人CMIP6模型运行显示为红色。信用:克里斯史密斯。

多种情景

模拟器的众多优点之一是,它们可用于运行ESMs未分析的气候情景共享的社会经济途径(SSP)为在CMIP6的ESM中运行而开发,仅包含九个未来场景,其中五个场景被指定为“标题”场景。由于ESM运行时间和CMIP6中超级计算机的可用性,场景的数量必然有限世界各地的建模中心

此外,许多相关的物理科学问题依赖于运行在CMIP6中没有执行的模拟,因此,biwei6868最适合于模拟器。

一个突出的例子是归属当今气候变暖到不同气体和气溶胶的排放,你可以在下面的图表中看到。条形图显示的是具有整体变暖(红色)或整体变冷(蓝色)效应的排放,而整体人为造成的影响用灰色表示。

使用仿真器确定的排放对当今气候变暖的贡献
排放对当今气候变暖的贡献,使用模拟器确定。改编自IPCC AR6 WG1(2021)政策制定者摘要图2C由Chris Smith。

使用仿真器,在没有每种类型的排放的情况下计算辐射强制的差异,然后将这些强制转换为温度贡献。

能够进行大量模拟意味着可以估计每种强迫的温度响应的不确定性——而使用一组受约束的参数意味着报告的结果与观测到的总体变暖完全一致。

AR6中模拟器的其他用途包括估算模型情景未涵盖的时期(1850年前或2100年后)的气候变化,或确定大多数ESM中缺少的气候现象,如海冰和冰川融化的海平面贡献,或永久冻土融化的甲烷释放。

这些原因共同导致在WG1报告中广泛使用仿真器,下表对此进行了总结。

AR6中的位置 使用仿真器 为什么要使用模拟器
决策者摘要 确定对当天的贡献(SPM图2)和未来(SPM图4)从个体排放或辐射强制升温 没有CMIP6模型结果

报告的结果与AR6评估的气候敏感性范围以及当前和未来变暖完全一致
第一章 估算1750 - 1850年人类活动对温度的贡献 在CMIP6中没有1850年的人类学实验
第三章 确定从个别强迫的当前暖变的贡献 报告的结果与AR6评估的气候敏感性范围以及当前和未来变暖完全一致
第四章 从五个SSPs确定未来变暖估计 一些CMIP6模型显示出难以置信的高短期变暖率和高气候敏感性,导致无约束CMIP6模型档案中的升温预测非常高

评估的未来变暖与AR6评估的ECS和TCR完全一致
第四章 展示RCP和SSP场景之间的辐射强制和温度投影的差异 很少有ESM在同一模型中运行RCP和SSP预测,因此无法进行直接比较

诊断辐射强制耦合ESMS的难度
第四章 将温度预测延长到2100年以后 只有少数CMIP6模型预测超过2100年,而那些预测超过2100年的模型偏向于高灵敏度模型
第五章 估算对剩余碳预算的非二氧化碳贡献 没有等效的CMIP6实验
第六章 确定个人排放对当今气候变暖的贡献 没有CMIP6模型结果
第七章 从基于加工的ECS估计基于加工的TCR 需要与任何特定CMIP6型号不匹配的特定仿真程序参数集
第七章 全球变暖潜力的温室气体度量和全球温度潜力 超过400个温室气体评估,仅在ESM辐射转移码中建模小子集

在ESM中,GWP和GTP定义中的小辐射强迫和温度响应几乎不可能被执行,它们将由内部变率主导
第九章 全球平均海平面预测 ESMs并没有对一些导致海平面上升的因素(如陆地冰盖和冰川损失)进行建模

只有少数CMIP6模型的预测超过2100年
第十一章 不同全球变暖水平下的区域气候变化 报告的结果与AR6评估的未来变暖范围完全一致
IPCC WG1 AR6中仿真器的使用摘要,从IPCC AR6 WG1改编和扩展而来(2021)交叉章节框7.1由Chris Smith编写。

协作

模拟器快速运行ESMs未使用的场景的能力对于系统来说至关重要第3工作组(WG3)对第六次评估报告的贡献——该报告侧重于缓解气候变化——预计将于2022年初提交。

WG3有长期使用的仿真器来确定因衍生的未来排放途径的全球平均变暖响应综合评估模型(IAMs)。提交给IPCC分析的IAM场景的绝对数量——AR5中超过1000个,IPCC报告中超过400个关于1.5C的特别报告–需要使用有效的模型进行气候预测。这种数量的模拟在ESMs中是不可行的,特别是如果需要未来预测中的全部不确定性范围。

AR6中的一个主要进展是WG1在开发和测试模拟器和WG3方面在评估IAM途径时仔细协作。WG1报告考虑了四个气候模型仿真器:

  • 魔术(在澳大利亚墨尔本大学开发);
  • 公平的(英国利兹大学/牛津大学);
  • 奥斯卡(Iiasa,奥地利);和
  • CICERO-SCM(CICERO,挪威)。

这四个是绝对不是唯一可用的,但被IPCC视为有能力将一系列不同的人为排放首先转化为温室气体浓度,然后辐射强迫最后是全球平均温度。

在WG1中,MAGICC、FaIR、CICERO和OSCAR模拟器经过了严格的测试,并与报告中包含的多个评估限制条件(如ECS、工业化前以来的变暖和海洋热含量变化)进行了比较。四个模拟器中的三个被认为适合交付给WG3,其中每个模拟器将用于运行潜在的数千个IAM排放场景。这确保了WG3使用的模拟器与最新的气候科学完全一致。biwei6868

自然气候和气候科学的社会经济方面之间的协调很可能会继续发展。biwei6868一个新兴的研究领域是气候变化与能源系统之间的相互作用。必威体育在线注册

例如,IAMs现有的排放情景没有考虑到人类系统的反馈——例如在气候变化中预测的夏季变暖的事实将增加需求对于空调增加了能源需求,因此如果网格不是零碳必威体育在线注册,则增加排放,导致进一步变暖。模拟器将在ESM和IAM之间有效地翻译气候知识时发挥关键作用。

仿真器可能在AR6中获得了突出地位,但这并不是说它们是ESM的替代品。有些事情只有ESM才能做——例如,它们对于深入研究气候变化统计数据,特别是气候变化数据是必要的天气极端这对人类和自然生态系统最具破坏性。

通常,模拟器不是由处理esm的同一组开发的。这为同时使用两个层次的模型复杂性带来了客观性和独立性。

随着气候模型的不断发展提高分辨率,他们可以开始显式地解决本地化流程,例如对流,云的行为和循环洋流称为“漩涡“–并引导我们更深入地了解这些个体过程、它们的反馈和相互作用,以及它们可能如何受到气候变化的影响。

然而,随着设计巧妙的模拟器的不断发展,我们可以利用这一前沿科学的优势,从廉价且易于运行的模型中创建预测。这种简单与复杂的结合是IPCC AR6的真正优势。biwei6868

来自这个故事的Sharelines
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