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热带风暴在海洋马尔代夫
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客人的帖子
2021年9月28日11点

帖子:“模拟器”的角色在气候变化的预测模型

克里斯·史密斯博士

克里斯·史密斯博士

28.09.2021 |上午11点
客人的帖子 帖子:“模拟器”的角色在气候变化的预测模型

最先进的工具可用于气候科学家,也许地球系统模型(ESM)。这些气候模型模拟流动的能量,通过大气中水分和化学物质,海洋和陆地表面以前所未有的细节必威体育在线注册。

然而,他们需要大量的时间和费用来运行,需要强大的超级计算机和气候科学家和软件工程师团队生产模型和分析结果。

为了加快速度,科学家们可以选择使用一种简单的模型——被称为“模拟器”——提供预测。虽然esm可以有数百万行计算机代码,一个模拟器可能只是成百上千。

虽然一些仿真器有效地充当简单的气候模型——在未来的碳排放场景和预测温室气体浓度和全球气温变化——有些用于更具体的目的。这些模型可用于确定从冰盖和冰川融化海平面上升,或将全球气温上升到区域气候变化。

在这篇文章中,我打开模拟器是什么,如何使用它们在气候科学,和所发挥的作用biwei6868第六个评估报告(AR6)政府间气候变化专门委员会(IPCC)。

悠久的历史

模拟器已经存在近只要更复杂的气候模型。美国气候学家詹姆斯·汉森博士和他的同事们提出了一个简单的气候模型早在1981年这是基于大气中的二氧化碳浓度和活动的火山太阳。它已被证明复制观察到的变暖好

IPCC在其历史上使用模拟器。在最初的四个评估报告,工作小组1(WG1)——关注底层的气候科学——一部分模拟器用于项目未来气候变暖下的排放从气候模型可用场景和补充知识。biwei6868这段时间正好与模拟器的发展”MAGICC”(模型评估温室气体引起的气候变化),IPCC预测的主要依据。

第五次评估报告(AR5), esm开始主宰未来气候预测,尤其是由于协调耦合模型相互比对项目(CMIP5)提供30左右ESM预测到2100年在不同排放场景。

在最近发布的AR6 WG1报告模拟器已经回到一个更突出的作用,用于再次支持,扩展和限制从esm气候预测。尽管运行一组更新的ESM从最新的可用模型相互比较项目(CMIP6)。

在使用原始CMIP6 esm的结果的一个挑战是模型的数量之外的AR6评估“很有可能”范围平衡气候敏感性(ECS)的2 c和5 c -特别是在高端。ECS是一个衡量全球平均气温将上升后大气中的二氧化碳达到水平的两倍在工业革命之前

加上高模拟近期气候变暖,这将导致高水平的预测未来气候变暖在几个CMIP6模型。使用模拟器校准的ECS的AR6评估范围,结合根据观察从CMIP6约束的结果,带来了高end-of-century由一些CMIP6模型预测未来气候变暖。

这是一个功能共同模拟器——他们有很多参数,如ECS,可以改变模型的行为不同。

一个简单的气候模型模拟器可能含有多达100左右不同的参数,控制气候系统的不同方面,例如升温和冷却空气污染的影响,如何在海洋,热扩散和响应的土地和海洋碳汇全球变暖。

同时通过不同参数,仿真器可以“调优“复制esm的行为。这是使用大量的ESM执行输出数据可以从CMIP6档案。再一次,使用简单的气候模型示例,地球系统的每个组件可以从CMIP6调谐使用不同的实验。

例如,我们知道机载部分二氧化碳,二氧化碳排放的比例仍然在大气中排放——取决于陆地和海洋碳汇的力量,反过来依赖于温度和总碳存储在下沉。我们可能会让一个受过教育的猜测这种关系的函数形式,然后适应这种关系ESM从专用模型的实验结果。

验证与观察

与esm模拟器是非常快速运行,可以产生一个气候投影在几分之一秒台式电脑。这意味着模拟器可以运行数百、数千甚至数百万次为单个排放场景时使用不同的参数值。这是很重要的,为了跨越的范围不确定性未来气候预测。

在每次运行,参数将在预定义的变化——通常是随机抽样分布,产生不同的气候预测。从分布参数值可能采样基于CMIP6模型调优,或从其他先验知识,如ECS的可能范围。

并不是所有的参数组合将产生现实的气候预测。“现实主义”的一个指标是一个模拟器能否重现历史上观察到的气候变化的一个好的表示。

我们可以运行非常大套模拟器的预测,我们可以扔掉不对应的模拟气候变化的历史。例如,我们可以比较模型输出与观察到的全球平均气温上升,海洋吸收热量的变化,是否一个模拟器的二氧化碳浓度观测值相匹配。

了解观察自己并不完美,我们可以建立在观察这些最佳估计不确定性值,。这导致更小,比我们从约束的预测,但一个我们可以更有信心。

你可以看到在下面的图中,这表明全球变暖在CMIP6模型(红线)比较历史温度观测(蓝色)。使用我们的模拟器校准CMIP6结果,我们可以产生一系列的预测(浅灰色)。然而,当我们介绍我们的观测条件的限制,我们大大缩小范围的未来预测的不确定性(深灰色)通过消除一些更令人难以置信的预测,产生一个最佳估计未来投影(黑色)密切观察到的变暖。这种方法纠正一些系统性的偏差在CMIP6模型,例如倾向于低估了20世纪后期的气候变暖

示范的限制更大合奏之前运行ssp2 - 4.5后排放的途径
示范的限制之前运行后的大合奏ssp2 - 4.5排放途径(浅灰色)到一个更小的运行满足评估范围的历史变暖,气候敏感性,海洋热含量变化和二氧化碳(深灰色),黑色的最佳估计。历史上观察到的变暖所示蓝色和个人CMIP6模型运行红色所示。信贷:克里斯·史密斯。

多个场景

模拟器的优点之一是,他们可以用来运行气候场景不是由esm分析。的共享社会经济途径(SSPs)开发运行在esm CMIP6只包含九未来情景——五指定为“标题”的情景。场景的数量必然是有限的由于ESM超级计算机的运行时间和可用性造型中心在世界各地

此外,许多有关自然科学问题取决于运行模拟在CMIP6没有执行,因此,最适合biwei6868模拟器。

一个著名的例子是归因现在气候变暖不同的气体和气溶胶的排放,在下图中可以看到。酒吧表示排放总体变暖(红色)或冷却(蓝色)效应,总显示在灰色的人为影响。

今天变暖从排放的贡献决定使用一个模拟器
从排放对当今气候变暖的贡献,决定使用一个模拟器。改编自IPCC AR6 WG1 (2021年图2)总结为决策者c由克里斯·史密斯。

使用一个模拟器,辐射强迫的差异和不使用每种类型的排放计算,然后这些营力转换为温度的贡献。

能够运行大量的模拟意味着温度响应的不确定性迫使每个可以使用一组约束的参数估计,意味着报道结果完全符合观察总体变暖。

其他用途的模拟器AR6包括评估气候变化周期模型得到的场景(1850年以前或post - 2100)或确定气候现象没有在大多数esm——比如从陆地冰和冰川融化海平面贡献,冻土释放甲烷或融化。

在一起,这些原因导致的大量使用模拟器WG1报告,总结在下表中。

位置在AR6 使用仿真器 为什么使用模拟器
摘要为决策者 决定今天的贡献(SPM图2)和未来(SPM图4)变暖从单个排放或辐射营力 没有CMIP6模型结果可用

报告结果是完全符合AR6评估范围的气候敏感性和现在的和未来的气候变暖
第一章 估计从1750年到1850年人为温度的贡献 没有1850年以前人为实验CMIP6中可用
第三章 从个人营力决定今天的气候变暖的贡献 报告结果是完全符合AR6评估范围的气候敏感性和现在的和未来的气候变暖
第四章 确定未来气候变暖估计来自五ssp CMIP6模型显示一些令人难以置信的高近期气候变暖,气候敏感性高,导致非常高的变暖从无约束CMIP6模型预测档案

评估未来气候变暖是完全符合AR6-assessed ECS和识别
第四章 示范辐射强迫和温度预测的差异之间的RCP和SSP场景 很少esm运行RCP和SSP的预测在同一模型中,使直接比较是不可能的

从耦合esm辐射强迫很难诊断
第四章 延伸温度预测2100年以后 只有少数CMIP6模型预测超越2100年,那些是偏向高灵敏度模型
第五章 剩余的碳预算估计的客座率贡献 没有等效CMIP6实验
第六章 决定今天的气候变暖的贡献从单个排放 没有CMIP6模型结果可用
第七章 估计processed-based TCR processed-based ECS 具体仿真器参数设置要求不匹配任何特定CMIP6模型
第七章 全球变暖的温室气体指标潜力和全球气温的潜力 超过400个温室气体评估,只有一小部分在ESM辐射传输模型代码

几乎不可能在ESM小型辐射营力和温度响应GWP和三磷酸鸟苷定义将由内部变化
第九章 全球平均海平面预测 一些对海平面上升的贡献如陆地冰盖和冰川损失不是由esm模仿

只有少数CMIP6模型预测2100年以后
第十一章 区域气候变化在不同的全球变暖的水平 报告结果是完全符合AR6评估未来气候变暖的范围
总结模拟器使用IPCC WG1 AR6,适应和扩展从IPCC AR6 WG1 (2021年7.1)Cross-Chapter框由克里斯·史密斯。

协调

仿真器快速运行场景的能力所不习惯的esm是至关重要的工作小组3(WG3)贡献AR6——专注于减缓气候变化——预计在2022年初。

WG3一直使用模拟器来确定全球平均变暖的响应未来的排放途径得到了综合评估模型(艾玛)。我场景的数量提交联合国政府间气候变化专门委员会的分析——超过1000年AR5, IPCC的400多特别报告在1.5摄氏度——需要使用有效的气候预测模型。这个数字模拟不会在esm是可行的,特别是在未来的预测需要完整的不确定性范围。

AR6中的一个重大进展是WG1之间的更紧密合作开发和测试模拟器和WG3评估我通路。WG1报告认为四个气候模型模拟器:

  • MAGICC(澳大利亚墨尔本大学开发);
  • 公平(利兹大学/牛津大学,英国);
  • 奥斯卡(IIASA、奥地利);和
  • CICERO-SCM(西塞罗、挪威)。

这四个是绝不是唯一可行的方法,但被认为是由政府间气候变化专门委员会的能力将各种不同的人为排放温室气体浓度,然后辐射强迫最后,全球平均气温。

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在WG1 MAGICC、公平、西塞罗和奥斯卡模拟器是严格测试和比较多个约束条件包含在评估报告——例如ECS,自工业化前的变暖,海洋热含量变化。三四个模拟器被认为适合WG3交付,其中每个将被用于运行成千上万我排放场景。这将确保所使用的模拟器WG3完全符合最新的气候科学。biwei6868

很有可能协调气候科学的物理环境和社会经济方面将继续发展。biwei6868一个新兴的研究领域是气候变化和能源系统之间的交互。必威体育在线注册

例如,现有排放场景从艾玛不占人类系统反馈——比如温暖萨默斯预计气候变化将增加需求空调,增加的能源需求,因此如果网格不是零必威体育在线注册碳排放增加,导致进一步变暖。模拟器将发挥关键作用在翻译气候知识有效地esm和艾玛。

在AR6模拟器可能获得声望,但这并不是说他们是一个替代esm。有些事情,只有esm能做的——例如,他们是必要的,气候变化的统计数据,深入探讨了特别的变化极端天气最严重的人类和自然生态系统。

一般来说,模拟器开发的不同群体在esm工作。这会带来客观性和独立性的同时使用两个级别的模型的复杂性。

气候模型继续提高分辨率,他们可以开始明确解决本地化流程,如对流,云的行为和圆形洋流称为“涡流”,让我们更了解这些个体的过程,他们的反馈和互动,以及它们如何可能会受到气候变化的影响。

然而,巧妙地设计模拟器的持续发展,我们可以使用这一前沿科学的好处来创建预测模型,廉价和容易。biwei6868这种组合的简单与复杂是一个真正的力量在IPCC的AR6。

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