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由NASA模型和超级计算机创建的气溶胶运动视图。
由NASA模型和超级计算机创建的气溶胶运动视图。 来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心。
气候模型
2018年1月15日8:30

问答:气候模型是如何工作的?

必威手机官网碳简报职员

多个作者

01.15.18
气候模型 问答:气候模型是如何工作的?

在为期一周的气候模拟系列的第一篇文章中,碳简报详细解释了科学家如何使用计算机来了解我们不断变化的气候……必威手机官网

计算机模型的使用贯穿了气候科学的核心。biwei6868

从帮助科学家解开数十万年前的冰期周期,到预测本世纪或下个世纪的情况,模型是了解地球气候的重要工具。

但是什么是气候模型呢?它看起来像什么?它实际上是做什么的?这些都是气候科学领域之外的人可能会合理地问的问题。biwei6868

必威手机官网为了回答这些问题,《碳简报》采访了一系列气候科学家。以下是关于气候模型以及科学家如何使用它们的深入问答。您可以使用下面的链接导航到特定的问题。

什么是气候模型?

一个全球气候模型通常包含足够的计算机代码一万八千页印刷文本;它将花费数百名科学家多年的时间来建造和改进;它需要一台网球场大小的超级计算机才能运行。

这些模型本身有不同的形式——从那些只覆盖世界上某个特定地区或气候系统的一部分,到那些模拟整个星球的大气、海洋、冰和陆地。

这些模型的结果推动了气候科学的发展,帮助科学家了解人类活动是如何影响地球气候的。biwei6868在过去50年里,这些进展为国家和国际层面的气候政策决策提供了基础。

在许多方面,气候模型只是天气预报的延伸,但关注的是几十年而不是几个小时的变化。事实上,英国气象局哈德利中心使用了同样的“统一的模型作为两项任务的基础。

模拟天气和气候需要巨大的计算能力,这意味着今天的模型是使用大型超级计算机运行的。

英国气象局哈德利中心的三个新Cray XC40超级计算机例如,它们加在一起每秒可以进行14000万亿次计算。下面的延时视频显示了2017年安装的第三台超级计算机。

基本物理原理

那么,气候模型到底包含了什么?在最基本的层面上,气候模型使用方程来表示驱动地球气候的过程和相互作用。它们覆盖了地球上的大气、海洋、陆地和冰雪覆盖的地区。

这些模型是基于同样的定律和方程式,这些定律和方程式支撑着科学家对地球系统中发生的物理、化学和生物机制的理解。

例如,科学家希望气候模型能够遵守基本的物理原理,例如热力学第一定律(也称为能量守恒定律),该定律指出,在一个封闭系统中,能量不会损失或产生,只会从一种必威体育在线注册形式转变为另一种形式。

另一个是斯蒂芬玻尔兹曼定律,科学家从中证明了自然温室效应使地球表面比没有地球表面温度高33摄氏度左右。

还有描述气候系统中动态变化的方程,比如克劳修斯——克拉珀龙方程方程,反映空气温度与最大水蒸气压之间的关系。

其中最重要的是n - s方程流体运动,它捕捉了大气中气体和海洋中水的速度、压力、温度和密度。

三维(x, y和z)中“不可压缩”流动的Navier-Stokes方程(虽然我们大气中的空气在技术上是可压缩的,但它移动相对缓慢,因此,为了简化方程,我们将其视为不可压缩的。)注意:这组方程比气候模型使用的方程简单,因为它们需要计算穿过旋转球体的气流。

三维(x, y和z)中“不可压缩”流动的Navier-Stokes方程(虽然我们大气中的空气在技术上是可压缩的,但它移动相对缓慢,因此,为了简化方程,我们将其视为不可压缩的。)注意:这组方程比气候模型使用的方程简单,因为它们需要计算穿过旋转球体的气流。

然而,这一套偏微分方程有那么复杂吗没有确切的解决方法(少数简单情况除外)。它仍然是一个巨大的数学挑战(有一个100万美元奖金等待谁能证明解决方案总是存在的)。相反,这些方程在模型中是“数值”求解的,这意味着它们是近似的。

科学家们将这些物理原理转化为由一行又一行的计算机代码组成的方程式,一个全球气候模型的代码通常超过100万行。

全球气候模型中的代码通常是用编程语言编写的Fortran.由IBM在20世纪50年代开发的Fortran是第一种“高级”编程语言。这意味着代码不是用机器语言(通常是一串数字)编写的,而是像人类语言一样编写的。

你可以在下面的例子中看到这一点,它显示了来自英国气象局哈德利中心模型的一小段代码。该代码包含“IF”、“THEN”和“DO”等命令。当模型运行时,它首先被(自动地)转换成计算机能理解的机器代码。

从HadGEM2-ES提取的用于CMIP5的Fortran编程语言的代码

Fortran编程语言中HadGEM2-ES(用于CMIP5)的一段代码。代码来自植物生理学部分,开始研究不同类型的植被是如何吸收光线和水分的。图源:英国气象局哈德利中心克里斯·琼斯博士

现在有许多其他的编程语言可供气候科学家使用,例如CPythonRMatlab而且IDL.但是,最后四个应用程序本身是用更基本的语言(比如Fortran)编写的,因此运行起来相对较慢。Fortran和C语言现在通常用于在超级计算机上快速运行一个全局模型。

空间分辨率

气候模型的整个代码都是控制气候系统基本物理的方程,从北极水域上海冰如何形成和融化,到陆地表面和上方空气之间的气体和水分交换。

下图显示了从20世纪70年代中期到20世纪70年代,几十年来越来越多的气候过程被纳入全球模型第四次评估报告(“AR4”),于2007年出版。

说明不同的气候模型是如何工作的

从20世纪70年代中期开始,通过IPCC的前四份评估报告(第一份(“FAR”)于1990年发表,第二份(“SAR”)于1995年发表,第三份(“TAR”)于2001年发表,第四份(“AR4”)于2007年发表),在过去几十年里增加到全球气候模型的过程说明。(注意,还有第五份报告,于2014年完成)。资料来源:联合国政府间气候变化专门委员会AR4,图1.2

那么,一个模型是如何计算这些方程的呢?

由于气候系统的复杂性和计算能力的限制,一个模式不可能计算出每立方米气候系统的所有这些过程。相反,气候模型将地球划分为一系列的盒子或“网格单元”。一个全球模式可以在大气和海洋的高度和深度上有几十个层。

下图展示了它的3D表现形式。然后,该模型计算每个单元的气候系统状态——考虑温度、气压、湿度和风速。

气候模型所使用的网格单元图以及模型将为每个单元计算的气候过程(下角)。资料来源:NOAA GFDL

气候模型所使用的网格单元图以及模型将为每个单元计算的气候过程(下角)。来源:NOAA GFDL

对于发生在比网格单元小的尺度上的过程,例如对流,该模型使用“参数化”来填补这些空白。这些本质上是简化每个过程的近似,并允许它们包含在模型中。(参数化在关于下面的模型调优)。

模型中网格单元的大小被称为“空间分辨率”。一个相对粗糙的全球气候模型通常具有中纬度100公里左右的经度和纬度网格单元。由于地球是一个球体,基于经度和纬度的网格的单元格在赤道较大,在两极较小。然而,科学家们越来越普遍地使用替代网格技术-例如cubed-sphere而且二十面体-它们没有这个问题。

高分辨率的机型会有更多更小的盒子。分辨率越高,一个模型就能为特定地区提供越具体的气候信息,但这是以运行时间较长为代价的,因为模型需要进行更多的计算。

下图显示了IPCC第一次和第四次评估报告期间模型空间分辨率的改善情况。你可以看到随着分辨率的提高,地表地形的细节是如何显现出来的。

IPCC前四份评估报告使用的气候模式空间分辨率不断提高:第一份(“FAR”)于1990年发表,第二份(“SAR”)于1995年发表,第三份(“TAR”)于2001年发表,第四份(“AR4”)于2007年发表。(注意,还有第五份报告,于2014年完成)。来源:IPCC AR4,图1.2

一般来说,将模型的空间分辨率提高两倍将需要大约10倍的计算能力在相同的时间内跑完。

时间步长

对于一个模型计算气候系统状态的频率的“时间步长”,也必须做出类似的妥协。在现实世界中,时间是连续的,但模型需要将时间切成小块,以使计算易于管理。

每种气候模式都以某种方式做到这一点,但最常见的方法是“跳跃式方法”,他解释道Paul Williams教授他是大气科学教授biwei6868雷丁大学,在本章在这个主题上:

“模型中的跳跃式的作用是及时预测天气,以便对未来做出预测。就像操场上的一个孩子跳过另一个孩子从后面走到前面一样,模型跳过现在从过去走到未来。”

换句话说,该模型从以前和现在的时间步骤中获取气候信息,以推断下一个时间步骤,以此类推。

与网格单元的大小一样,更小的时间步长意味着模型可以产生更详细的气候信息。但这也意味着模型在每次运行中都有更多的计算要做。

例如,计算整个世纪的每一分钟的气候系统状态,需要对每个网格单元进行超过5000万次计算,而仅计算每天的网格单元则需要36500次计算。这是一个相当大的范围——那么科学家如何决定使用哪个时间步长呢?

威廉姆斯告诉Carbon Brief,答案在于找到一个平衡:必威手机官网

“从数学上讲,正确的方法是不断减小时间步长,直到模拟收敛,结果停止变化。然而,我们通常缺乏计算资源来运行时间步长这么小的模型。因此,我们不得不忍受比理想情况下更长的时间。”

Williams说,对于气候模型的大气成分来说,在精度和计算机处理时间之间,大约30分钟的时间步长“似乎是合理的妥协”:

“任何更小的和改进的精度都不足以证明额外的计算负担。再大一点,模型就会运行得很快,但模拟质量会很差。”

将所有这些部分组合在一起,一个气候模式可以在几十年甚至几百年里以30分钟的间隔产生整个气候系统的代表。

作为Gavin Schmidt博士美国宇航局戈达德太空研究所所长,在2014年的TED演讲中描述,模型中小尺度过程的相互作用意味着它可以模拟我们的气候——从地球表面水分的蒸发和云的形成,到风把它们带到哪里,雨最终落在哪里。

施密特在他的演讲中称这些为“涌现属性”——气候的特征没有在模型中特别编码,而是被模型模拟为所有内置的单独过程的结果。

它类似于足球队的经理。他或她挑选球队,选择阵型和战术,但一旦球队上场,经理就不能决定球队是否进球或何时失球。在气候模型中,科学家们根据地球系统的物理原理设定基本规则,但造成风暴、干旱和海冰的是模型本身。

总结一下:科学家们把地球气候的基本物理方程放入一个计算机模型中,然后这个模型就能够在许多其他事情中重现海洋的循环,每年的季节循环,以及陆地表面和大气之间的碳流动。

你可以在下面观看施密特的完整演讲。

虽然上面大致解释了什么是气候模型,但还有许多不同的类型。请继续阅读下面的问题,以更详细地探讨这些问题。

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有哪些不同类型的气候模型?

最早和最基本的数值气候模式是能量平衡模式(ebm)。必威体育在线注册ebm不模拟气候,而是考虑从太阳进入地球大气层的能量与释放回太空的热量之间的平衡。必威体育在线注册他们计算的唯一气候变量是地表温度。的简单的实证只需要几行代码,可以在电子表格中运行。

其中许多模型是“零维”的,这意味着它们将地球视为一个整体;本质上,作为一个点。还有一些是一维的,比如那些还考虑了地球表面不同纬度(主要是从赤道到两极)的能量转移的理论。必威体育在线注册

与ebm进一步发展的是辐射对流模型,它模拟了能量在大气高度的转移——例如,当暖空气上升时通过对流。必威体育在线注册辐射对流模式可以计算大气不同层的温度和湿度。这些模型通常是一维的——只考虑能量在大气中的传输——但它们也可以是二维的。必威体育在线注册

再往上一层是大气环流模型(GCMs),也称为全球气候模型,它模拟气候本身的物理过程。这意味着它们可以捕捉大气和/或海洋中的空气和水的流动,以及热量的传递。

早期的gcm只模拟了地球系统的一个方面——比如“仅大气”或“仅海洋”模型——但它们是在三维空间中模拟的,在几十个模型层中包含了大气中许多公里的高度或海洋的深度。

更复杂的“耦合”模式将这些不同的方面结合在一起,将多个模式联系在一起,以提供气候系统的全面表示。大气-海洋环流耦合模式(或“AOGCMs”)可以模拟陆地、海洋表面和上方空气之间的热量和淡水交换。

下面的信息图显示了建模者如何在最近几十年逐渐将单个模型组件合并到全局耦合模型中。

气候模式的演变-信息图

图片:Rosamund Pearce;基于加文·施密特博士的工作。

随着时间的推移,科学家逐渐将地球系统的其他方面加入到gcm中。这些曾经会在独立的模型中进行模拟,比如陆地水文、海冰和陆地冰。

最新的gcm子集现在包括生物地球化学循环——生物和环境之间化学物质的转移——以及它们如何与气候系统相互作用。这些“地球系统模型”(esm)可以模拟碳循环、氮循环、大气化学、海洋生态以及植被和土地利用的变化,这些都影响气候对人为温室气体排放的响应。它们的植被会对温度和降雨做出反应,进而改变碳和其他温室气体的吸收和释放到大气中。

Pete Smith教授他是哈佛大学土壤与全球变化的教授阿伯丁大学将esm描述为gcm的“皮条客”版本:

“地球环流模型是20世纪80年代使用的模型。这些大部分都是由大气物理学家整理出来的,所以都是关于能量,质量和水守恒的,都是关于移动这些物体的物理学。必威体育在线注册但他们对大气如何与海洋和陆地表面相互作用的描述相对有限。而ESM试图将这些陆地相互作用和海洋相互作用结合起来,所以你可以把ESM视为GCM的‘美化版’。”

还有区域气候模型(RCMs),它们的作用与GCMs类似,但适用于地球的有限区域。由于rcm覆盖的区域更小,通常可以比gcm运行得更快,分辨率更高。具有高分辨率的模型具有较小的网格单元,因此可以为特定区域提供更详细的气候信息。

rcm是将全球气候信息“缩小”到本地规模的一种方式。这意味着获取GCM或粗尺度观测提供的信息,并将其应用于特定的地区或区域。更详细地介绍了降级在后面的问题中

术语表
综合评估模型:IAMs是一种计算机模型,它分析广泛的数据——例如物理数据、经济数据和社会数据——以产生可用于帮助决策的信息。具体来说,对于气候研究,……阅读更多

最后,气候模拟的一个子集涉及综合评估模型(IAMs)。这些模型为一个简单的气候模型添加了社会的各个方面,模拟人口、经济增长和能源使用如何影响物理气候,以及如何与物理气候相互作用。必威体育在线注册

IAMs提供了未来温室气体排放可能变化的情景。然后,科学家可以通过esm运行这些情景来生成气候变化预测,从而提供可用于为世界各地的气候和能源政策提供信息。必威体育在线注册

在气候研究中,IAMs通常用于预测未来的温室气体排放,以及为解决这些问题而可能实施的政策选项的收益和成本。例如,它们被用来估计碳的社会成本——每多排放一吨二氧化碳所产生的正面和负面影响的货币价值。

气候模式的输入和输出是什么?

如果上一节关注的是气候模型的内部内容,那么这一节关注的是科学家们放入模型并从模型的另一边获得的内容。

气候模型的运行使用了驱动气候的因素的数据,以及对这些因素在未来可能如何变化的预测。气候模式的结果可以运行到pb数据,包括每隔几小时在空间和时间上的数千个变量的读数,从温度到云层到海洋盐度。

输入

模型的主要输入是外部因素,这些因素改变了地球吸收的太阳能量的量,或者被大气捕获的能量的量。必威体育在线注册

2010年2月1日——加勒比海蒙特塞拉特岛苏弗里埃尔山火山爆发

2010年1月2日加勒比海蒙特塞拉特岛苏弗里埃尔山爆发。图片来源:Stocktrek Images, Inc./Alamy Stock Photo

这些外部因素被称为"营力”。它们包括太阳的输出例如,二氧化碳、甲烷(CH4)、氮的氧化物(一氧化二氮),卤烃以及被称为气溶胶燃烧化石燃料、森林火灾和火山爆发时排放的二氧化碳。气溶胶反射入射的阳光并影响云的形成。

通常,所有这些单独的强迫都通过一个模型来运行,要么作为过去条件的最佳估计,要么作为未来“排放情景”的一部分。根据未来几个世纪技术、能源和土地利用的变化,这些都是大气中温室气体浓度的潜在途径。必威体育在线注册

今天,大多数模型预测使用一个或多个代表性浓度路径(rcp),基于全球社会如何增长和发展的社会经济情景,提供了对未来的合理描述。你可以在前面读到更多关于不同路径的内容必威手机官网碳简报

模型还利用对过去强迫的估计来研究过去200年、1000年甚至2万年的气候变化。过去的强迫估计使用的证据地球轨道的变化历史上的温室气体浓度,过去的火山爆发,太阳黑子数量的变化等遥远过去的记录

然后是气候模型“控制运行”,其中辐射强迫保持不变数百年或数千年。这使得科学家能够比较有或没有人为或自然因素影响的模拟气候,并评估有多少“非强迫”自然变化发生。

输出

气候模型生成了几乎完整的地球气候图,包括每小时、每天和每月时间范围内的数千个不同变量。

这些产出包括从地表到上层平流层的不同大气层的温度和湿度,以及从地表到海底的海洋的温度、盐度和酸度(pH值)。

模型还可以估算降雪、降雨量、积雪以及冰川、冰原和海冰的范围。它们产生了风速、强度和方向,以及气候特征,如急流和洋流。

更不寻常的模型输出包括云量和高度,以及更多的技术变量,如表面上升流长波辐射——有多少能量被地表释必威体育在线注册放回大气——或者有多少海盐在蒸发过程中从海洋中消失并积聚在陆地上。

气候模式还产生了“气候敏感性”。也就是说,他们计算了地球对温室气体浓度增加的敏感性,并考虑了各种因素气候反馈,例如水蒸气而且反射率变化或“反照率”,与冰损失有关的地球表面。

为IPCC下一份报告运行的气候模型的共同产出的完整清单可从CMIP6项目(耦合模型相互比较项目6,或CMIP6下面将更详细地解释CMIP).

建模者商店pb的气候数据国家大气研究中心(NCAR),并经常将数据提供给netCDF文件,便于研究人员分析。

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科学家们在气候模型上进行什么类型的实验?

气候模型被科学家用来回答许多不同的问题,包括为什么地球气候正在变化,以及如果温室气体排放继续下去,未来气候会发生怎样的变化。

模型可以帮助找出是什么导致了过去观测到的变暖,以及角色有多大自然因素比人为因素更重要。

科学家运行很多不同的实验模拟过去、现在和未来的气候。他们还设计测试来观察不同气候模型中特定部分的表现。建模者进行实验,假设我们的二氧化碳突然增加了四倍,或者如果地球工程的方法用来冷却气候。

许多不同的小组在他们的气候模型上进行相同的实验,产生了所谓的模型集合。这些模式集合使研究人员能够检查气候模式之间的差异,以及更好地捕捉未来预测中的不确定性。建模者所做的实验是耦合模型相互比较项目(生产商)包括:

历史运行

气候模型是在历史时期运行的,从1850年左右到现在。他们使用了对影响气候的因素的最佳估计,包括CO2, CH4和N2O浓度,的变化太阳能输出火山喷发产生的气溶胶人类活动产生的气溶胶,以及土地使用变化。

这些历史运行并不“适合”实际观测到的温度或降雨量,而是来自模型的物理。这意味着它们允许科学家们比较模型预测(””),以记录气候观测。如果气候模式能够成功地预测过去的气候变量,例如地表温度,这将使科学家对未来的模式预测更有信心

历史运行也有助于确定人类活动在气候变化中扮演的角色有多大(称为“气候变化”)。归因”)。例如,下面的图表比较了两种模型变体与观测到的气候——只有自然强迫(蓝色阴影)和有人类和自然强迫的模型运行(粉红色阴影)。

IPCC第四次评估报告的数字(Hegerl等,2007).

“自然模式”只包括太阳辐射和火山爆发等自然因素,但假设温室气体和其他人为因素保持在工业化前的水平不变。仅限人类活动的跑步保持自然因素不变,只包括人类活动的影响,如不断增加的大气温室气体浓度。

通过比较这两种情景(以及一个综合的“全因素”运行),科学家可以评估人类和自然因素对观测到的气候变化的相对贡献。这有助于他们计算出现代气候变化的比例由于人类活动

未来变暖情景

政府间气候变化专门委员会的第五次评估报告集中在四种未来变暖的情景,被称为气候变暖代表性浓度途径(RCP)场景。这些研究着眼于从现在到2100年及以后气候可能发生的变化。

许多推动未来排放的因素,如人口和经济增长,都难以预测。因此,这些情景涵盖了广泛的未来,从采取很少或不采取缓解行动的“一切照常”世界(RCP6.0而且RCP8.5)转变为积极的缓解措施将全球变暖限制在不超过2摄氏度(RCP2.6).您可以阅读更多关于不同rcp的信息在这里

这些RCP场景指定了不同数量的辐射营力.模型使用这些强迫来检查地球系统在每个不同路径下将如何变化。即将到来的CMIP6与政府间气候变化专门委员会第六次评估报告有关的活动,将增加四种新的RCP场景以填补四个已经在使用的空白,包括满足1.5C温度极限

控制运行

在没有其他变化的情况下,控制运行对于检查模型中的自然变异性是如何表达的是有用的。它们也被用来诊断。”模型的漂移,在这种情况下,模型中出现了虚假的长期变化,这些变化既与自然变化无关,也与外部强迫的变化无关。

如果一个模式是“漂移”的,那么它所经历的变化将超出通常的年与年、十年与十年的自然变率,即使影响气候的因素(如温室气体浓度)没有变化。

模型控制运行在现代工业活动显著增加温室气体之前的一段时期开始。然后,他们让模型运行数百年或数千年,而不改变温室气体、太阳活动或任何其他影响气候的外部因素。这与纯自然运行不同,因为人类和自然因素都保持不变。

大气模式相互比较项目(AMIP)运行

气候模型包括大气、陆地和海洋。AMIP运行有效地“关闭”除大气以外的一切,使用基于观测的陆地和海洋的固定值。例如,AMIP运行使用观测到的海洋表面温度作为模型的输入,允许陆地表面温度和大气不同层的温度作出响应。

通常情况下,气候模式会有自己的内部变率-海洋中的短期气候周期,如El Niño和La Niña事件——发生在与现实世界不同的时间。AMIP的运行允许建模者将海洋温度与观测结果相匹配,这样模型中的内部变化与观测结果同时发生,并且两者随时间的变化更容易进行比较。

突然4倍二氧化碳运行

气候模式比较项目,如CMIP5,通常要求所有模式都采用一套“诊断”情景,以测试各种标准的性能。

其中一项测试是在保持所有其他影响气候的因素不变的情况下,二氧化碳浓度从工业化前的水平“突然”增加到四倍——从280ppm (ppm)增加到1120ppm。(作为上下文,当前的二氧化碳浓度为400 ppm左右)。这使得科学家们可以看到,与其他模型相比,地球温度对二氧化碳变化的反应有多快。

1% CO2排量

另一项诊断测试使二氧化碳排放量比工业化前水平每年增加1%,直到二氧化碳最终增加四倍,达到1,120ppm。这些情景还假定影响气候的所有其他因素不变。

这使得建模者能够将逐渐增加的二氧化碳的影响与更复杂的情况下发生的其他事情隔离开来,比如气溶胶和其他温室气体(如甲烷)的变化。

古气候运行

在这里,模型是为过去的气候(古气候)运行的。模型已经运行了许多不同的时期:过去的1000年;的全新世跨越过去12000年;最后一次冰期是21000年前,在最后一个冰期;最后一个间冰期大约12.7万年前;的上新世中期暖期320万年前;这段不寻常的快速变暖时期被称为古新世-始新世热最大值大约5500万年前。

这些模型使用了对影响地球过去气候的因素(包括太阳输出和火山活动)以及地球轨道和大陆位置的长期变化的最佳估计。

这些古气候模型的运行可以帮助研究人员理解过去地球气候发生了多大的波动,比如冰河时期的那些,以及海平面和其他因素在变暖和变冷期间是如何变化的。如果全球变暖持续下去,这些过去的变化为未来提供了指引。

专门的模型试验

作为CMIP6的一部分,世界各地的研究小组正在进行很多不同的实验.这些包括在模型中观察气溶胶的行为、云的形成和反馈、冰盖对变暖的反应、季风变化、海平面上升、土地使用变化、海洋和火山的影响。

科学家们也在计划地球工程模型对比项目.这将着眼于模型如何对注入硫化物气体进入平流层以冷却气候,以及其他潜在的干预措施。

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世界上有谁在做气候模型?

全世界有20多个科学机构在开发气候模型,每个中心经常同时建立和完善几个不同的模型。

他们制作的模型通常以中心本身的名字命名(尽管相当缺乏想象力)。因此,例如,英国气象局哈德利中心开发了“HadGEM3“模特家族。与此同时,美国国家海洋和大气管理局地球物理流体动力学实验室制作了“GFDL ESM2M“地球系统模型。

也就是说,模型是越来越多的合作成果,这通常反映在它们的名字上。例如,哈德利中心和更广泛的自然环境研究委员会(NERC),联合开发了“UKESM1“地球系统模型。这是英国气象局哈德利中心的HadGEM3模型是它的核心。

另一个例子是群落地球系统模型(CESM),由国家大气研究中心(NCAR)在20世纪80年代初的美国。顾名思义,该模型是数千名科学家合作的产物(并且可以免费下载和运行)。

事实上,世界各地有许多模拟中心正在经历类似的过程,这是“气候研究的一个真正重要的方向”,他说克里斯·琼斯博士他领导着英国气象局哈德利中心(Met Office Hadley Centre)对植被和碳循环建模及其与气候相互作用的研究。他告诉碳简报:必威手机官网

“可能有10到15个大型全球气候模拟中心提供模拟和结果。通过比较不同的模型和不同的研究结果,你可以判断哪些事情是有信心的,哪些是一致的,哪些是不太有信心的,哪些是不一致的。这指导了模型开发过程。”

琼斯说,如果只有一个模型,或者只有一个建模中心,对其优缺点的了解就会少得多。虽然不同的模型是相关的——小组之间有很多合作研究和讨论——但它们通常不会达到使用同一行代码的程度。他解释说:

“当我们开发一种新的(建模)方案时,我们会在科学文献中发表该方案的方程,这样就可以进行同行评审。它是公开的,其他中心可以将其与他们使用的进行比较。”

下面,碳简报绘必威手机官网制了为第五次耦合模式相互比较项目做出贡献的气候模拟中心(CMIP5),这些数据被纳入IPCC的报告第五次评估报告.将鼠标放在地图上的各个中心上,以了解更多有关它们的信息。

大多数的模特中心都在北美和欧洲。然而,值得注意的是,CMIP5的名单并不是一个详尽的建模中心清单——特别是因为它关注的是拥有全球气候模型的机构。Jones说,这意味着该名单不包括专注于区域气候模型或天气预报的中心:

“例如,我们与巴西进行了大量合作,巴西将其gcm集中在天气和季节预测上。在过去,他们甚至使用一个版本的HadGEM2向CMIP5提交数据。对于CMIP6,他们希望运行巴西地球系统模型(' BESM ')。”

每个建模中心的计算机代码公开的程度因机构而异。许多模型在授权下免费提供给科学界。这通常需要签署一份许可证,该许可证定义了代码的使用和分发条款。

例如,ECHAM6GCM由马克斯·普朗克气象研究所在德国可以在a许可协议(pdf),规定使用其软件“只允许用于研究和教育等合法的科学目的”,而“不得用于商业目的”。

该研究所指出的那样许可协议的主要目的是让它知道谁在使用模型,并建立一种与用户联系的方式。它说:

开发的MPI-M软件必须保持可控和文档化。这是以下许可协议背后的精神……向模型开发人员提供反馈,报告错误并提出代码改进建议也很重要。”

其他可获得许可的车型包括:NCARCESM模型(如前所述),美国宇航局戈达德空间研究所的模型气相色谱,还有各种型号皮埃尔·西蒙·拉普拉斯研究所(IPSL)法国气候模拟中心。

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CMIP是什么?

由于有如此多的机构在开发和运行气候模型,每个小组都有可能以不同的方式进行建模,从而降低其结果的可比性。

这就是耦合模型对比项目(“CMIP”)进来了。CMIP是一个气候模式实验框架,允许科学家系统地分析、验证和改进gcm。

名字中的“耦合”是指项目中所有的气候模式都是耦合的大气-海洋gcm。英国气象局的克里斯·琼斯博士解释了这个名字中“相互比较”部分的意义:

“相互比较的想法来自于这样一个事实:许多年前,不同的建模小组会有不同的模型,但他们的模型设置也会略有不同,他们会用这些模型进行不同的数值实验。当你来比较结果时,你永远无法确定这些差异是因为模型不同还是因为它们以不同的方式建立。”

因此,CMIP被设计成一种将不同模拟中心所做的所有气候模型实验整合起来的方法。

自1995年成立以来,CMIP已经经历了几代人,每一次迭代都在设计中的实验中变得更加复杂。每5-6年就会有新一代。

在早期,CMIP的实验包括,例如,模拟大气中二氧化碳浓度每年增加1%的影响(如上所述)。在后来的迭代中,实验纳入了更详细的排放场景,例如代表性浓度路径(rcp)。

以相同的方式建立模型并使用相同的输入意味着科学家们知道,由模型得出的气候变化预测的差异取决于模型本身的差异。这是试图理解造成这些差异的原因的第一步。

每个建模中心产生的输出然后加载到一个中央门户网站,由气候模式诊断与比较项目“,(PCMDI),来自世界各地的许多学科的科学家可以自由开放地访问。

CMIP的职责是耦合建模工作组委员会,这是世界气候研究计划(WCRP)总部设在日内瓦的世界气象组织。此外,生产商面板监督实验和数据集的设计,以及解决任何问题。

发表基于CMIP数据的论文的研究人员的数量“已经从几十增长到一千多”,他说Veronika Eyring教授他最近在接受《华尔街日报》采访时表示自然气候变化

Eyring说,随着CMIP5的模型模拟工作的完成,CMIP6现在正在进行中,这将涉及全球30多个模拟中心。

CMIP6除了有一套核心的“DECK”(Klima的诊断、评估和表征)模拟实验外,还将有一套额外的实验来回答特定的科学问题。这些被划分为单独的模型相互比较项目,或“MIPs”。Eyring说,到目前为止,已经有21个MIPs得到了认可:

“提案被提交给CMIP小组,如果它们符合10个社区设定的标准,就会获得批准空白标识在以前的CMIP阶段,为WCRP大挑战至少有8个模范团体愿意参与。”

你可以在下面的示意图中看到21个mip和CMIP6的整体实验设计。

CMIP/CMIP6实验设计原理图和21个CMIP6认可的mip。转载已获Simpkins (2017).

有一个特殊的问题在CMIP6上的《地球科学模型发展》杂志上发表了28篇论文,涵盖了整个项目和具体的MIPs。

CMIP6模型运行的结果将构成IPCC第六次评估报告的大部分研究的基础。然而,值得注意的是,CMIP完全独立于IPCC。

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科学家如何验证气候模型?他们是怎么检查的?

科学家们通过对比来测试或“验证”他们的模型实际的观测.例如,这可能包括将模型预测与过去一个世纪的实际全球表面温度进行比较。

气候模型可以用来测试过去地球气候的变化。如上所述,这些与过去的比较被称为“后置”。

科学家们不会“告诉”他们的模型过去气候是如何变化的——例如,他们不会输入历史温度读数。相反,它们输入过去气候强迫的信息,模型生成历史条件的“后验”。这可能是验证模型的有用方法。

气候模式对不同气候因素(包括气温)的后延表面海洋而且大气),雨雪交加飓风的形成海冰范围而且许多其他的气候变量已经被用来证明模型能够准确地模拟地球的气候。

后面有历史温度记录(1850年至今),在过去两千年使用各种气候代理,甚至超过过去2万年

对气候有很大影响的特定事件,如火山爆发,也可以用来测试模型的性能。气候对火山爆发的反应相对较快,因此建模人员可以看到模型是否准确地捕捉到了仅等待几年的大爆发后发生的情况。研究表明,模型准确地反映了温度而在大气水汽在大型火山爆发之后。

气候模型也与平均气候状态进行比较,即“气候学”。例如,研究人员检查地球冬季和夏季的平均温度在模型和现实中是否相似。他们还比较海冰范围在模型和观测之间,并且在尝试预测未来变化时,可能会选择使用更能代表当前海冰量的模型。

在实验中,许多不同的模型在相同的温室气体浓度和其他“强迫”下运行建立相互比较项目模型,提供了一种查看模型之间异同的方法。

对于气候系统的许多部分,所有模型的平均值可以更准确比大多数单独的模型。研究人员已经发现当几个独立的模型组合在一起时,预测可以显示出更好的技巧、更高的可靠性和一致性。

检验模型是否可靠的一种方法是将预测的未来变化与现实世界中的情况进行比较。然而,长期预测很难做到这一点,因为评估当前模型的表现需要很长时间。

最近,碳简报发现,自必威手机官网20世纪70年代以来科学家们制作的模型已经发生了变化总体上做得不错预测未来变暖。下面的视频展示了一个与实际地表温度比较的模型后置和预测的例子。

气候模型对全球变暖的预测有多准确?还不错... ...请点击我们简介中的链接阅读更多内容。Rosamund Pearce为Carbon Brief制作的动画,Z必威手机官网eke Hausfather绘制的图表。#biwei6868科学#ipcc #气候模型#全球变暖#温度#全球温度#气候科学

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气候模型如何“参数化”和调整?

如上所述,科学家并没有无限的计算能力,因此有必要将地球划分为网格单元,以使计算更易于管理。

这意味着在模型随时间变化的每一步,它都会计算每个网格单元的平均气候。然而,气候系统和地球表面的许多过程都发生在单个细胞内的尺度上。

例如,陆地表面的高度将在模型中的整个网格单元中平均,这意味着它可能忽略了任何物理特征的细节,如山脉和山谷。同样,云的形成和消散的尺度也比网格单元小得多。

为了解决这个问题,这些变量被“参数化”了,这意味着它们的值是在计算机代码中定义的,而不是由模型本身计算出来的。

下图显示了模型中典型的参数化的一些过程。

在气候过程没有很好理解的情况下,参数化也可以用作一种简化方法。参数化是其中之一不确定性的主要来源在气候模型中。

全球气候模式中通常需要参数化的20个气候过程和特性。图片由MetEd、彗星计划、UCAR提供。

在许多情况下,不可能将参数化变量缩小为单个值,因此模型需要包括一个估计。科学家们对模型进行测试,以找到使模型能够最好地反映气候的值或值的范围。

这个复杂的过程被称为模型“调整”或“校准”。虽然它是气候模拟的必要组成部分,但它不是气候模拟所特有的过程。例如,在1922年,a英国皇家学会论文在理论统计中,“参数估计”是建模的三个步骤之一。

James Screen博士他是芝加哥大学气候科学助理教授biwei6868埃克塞特大学,描述了科学家如何根据海冰的反射率调整他们的模型。他告诉碳简报:必威手机官网

“在许多海冰模型中,海冰的反照率是一个设置为特定值的参数。我们不知道冰反照率的“正确”值。反照率观测有一定的不确定范围。因此,在开发模型的同时,建模中心可能会试验略有不同但似乎合理的参数值,试图模拟海冰的一些基本特征,尽可能接近我们从观测中得出的最佳估计。例如,他们可能想确保季节周期看起来正确,或者平均冰量大致正确。这就是调音。”

Screen指出,如果所有参数都是100%确定的,那么这种校准就没有必要了。但是科学家对气候的了解并不完美,因为他们从观察中获得的证据是不完整的。因此,他们需要测试他们的参数值,以便为关键变量提供合理的模型输出。

术语表
反照率:反照率是衡量一个表面反射多少太阳能量的指标。必威体育在线注册它来源于拉丁词albus,意思是白色。反照率是用百分比来衡量的。阅读更多

由于大多数全局模型将包含参数化方案,几乎所有建模中心都进行某种类型的模型调优。一个2014年调查(pdf)发现,在大多数情况下,建模者会调整他们的模型,以确保气候的长期平均状态是准确的——包括诸如绝对温度、海冰浓度、表面反照率和海冰范围。

在70%的情况下,最常调整的因素是大气顶部的辐射平衡。这一过程涉及调整参数化,特别是云的微物理、对流和云分数,但也包括雪、海冰反照率和植被。

这种调整不只是简单地“拟合”历史观察。更确切地说,如果参数的合理选择导致模型结果与观察到的气候学,建模人员可能会决定用另一个.类似地,如果对模型的更新导致了与观测结果的巨大差异,建模者可能会寻找错误或其他解释差异的因素。

正如美国宇航局戈达德太空研究所主任加文·施密特博士告诉《碳简报》的那样:必威手机官网

“监测全球平均趋势是为了保持理智,但(通常)没有进行精确调整。在社区中有很多关于这一点的讨论,但每个人都清楚,这需要变得更加透明。”

什么是偏差校正?

虽然气候模型能很好地模拟地球的整体气候——包括我们熟悉的气候特征,如风暴、季风性降雨、急流、信风和厄尔Niño循环——但它们并不完美。在区域和局部尺度上尤其如此,在这些尺度上,模拟可能与观测到的气候有很大偏差,称为“偏差”。

之所以会出现这些偏差,是因为模式是气候系统的简化,而全球模式使用的大规模网格单元可能会遗漏当地气候的细节。

在这些情况下,科学家对模型数据应用“偏差修正”技术,解释说道格拉斯·马劳恩博士,处长区域气候模拟与分析研究小组他还与人合著了一本关于“气候研究的统计降尺度和偏差校正”。他告诉碳简报:必威手机官网

“想象一下,你是一名水利工程师,必须保护一个山谷免受附近山间小溪的山洪暴发。这种保护应该会持续几十年,所以你必须考虑未来河流流域降雨量的变化。气候模型,即使它们解决了相关的天气系统,与现实世界相比,也可能有偏见。”

Maraun说,对于将气候模型输出作为山谷洪水风险模型输入的水工程师来说,这种偏差可能是至关重要的:

“假设现实中气温很低,正在下雪,强降雨造成的地表径流很低。但该模型模拟了正温度、降雨和暴洪。”

换句话说,将大规模气候模型的输出原样通过洪水模型进行运行,可能会对特定山谷的洪水风险产生误导性的印象。

为了解决这个问题,并得出水利工程师可以用于防洪设计的气候预测,科学家们对气候模型输出进行了“偏差修正”。

霍金斯教授他是哈佛大学气候科学教授biwei6868雷丁大学向碳简报解释道:必威手机官网

“偏差修正——有时被称为‘校准’——是解释气候模式模拟偏差的过程,以提供与现有观测结果更一致的预测。”

从本质上讲,科学家们将模型输出的长期统计数据与观测到的气候数据进行比较。然后,他们使用统计技术纠正模型输出中的任何偏差,以确保它与当前对气候系统的知识一致。

Maraun指出,偏差修正通常基于平均气候信息,尽管更复杂的方法也可以调整极端情况。

Hawkins说,当科学家在考虑阈值很重要的气候方面时,建模过程中的偏差修正步骤特别有用。

一个例子来自2016年研究,霍金斯与人合著了这本书,探讨了气候变化如何导致航线在北极海冰上开放。他解释说:

“未来北极航运的可行性取决于预计的海冰厚度,因为如果海冰在沿途任何一点达到临界厚度,不同类型的船只都无法航行。如果气候模式在当前某个特定地点模拟了过多或过少的冰,那么对航线生存能力的预测也将是不正确的。

“然而,我们能够利用对冰厚度的观测来纠正整个北极模拟海冰厚度的空间偏差,并产生比没有偏差修正更一致的预测。”

换句话说,通过使用偏差修正使模型中模拟的海冰正确,霍金斯和他的同事就可以对他们对未来的预测更有信心。

在北极的俄罗斯破冰船

在北极的俄罗斯破冰船。图片来源:Christopher Michel via Flickr

通常,偏差校正只应用于模型输出,但在过去,它也被用于模型运行中,Maraun解释说:

“直到大约十年前,通过所谓的‘通量修正’来调整不同模式成分之间的通量是很常见的,例如海洋和大气。”

模拟的最新进展意味着通量修正在很大程度上不再需要.然而,一些研究人员提出了通量修正仍然可以用来帮助消除模型中剩余的偏差的建议,Maraun说:

“例如,大多数gcm模拟的北大西洋太冷,这一问题会对欧洲的大气环流和降雨模式产生连锁反应。”

因此,通过对模型进行微调,使其对北大西洋的模拟保持在正确的轨道上(基于观测数据),这一想法可能会产生,例如,更准确的欧洲降雨模拟。

然而,使用通量校正存在潜在的缺陷,他补充道:

“这种方法的缺点是,模型中存在一种人为力量,将模型拉向观测结果,这种力量甚至可能抑制模拟的气候变化。”

Maraun解释说,换句话说,如果一个模式在欧洲没有产生足够的降雨,可能是北大西洋以外的原因。例如,这可能是因为模拟的风暴轨迹将暴雨送到了错误的地区。

Maraun总结道,这强化了这一点,即科学家需要小心,不要在不了解偏差的潜在原因的情况下应用偏差校正:

“气候研究人员需要花更多的努力来了解模型偏差的起源,而进行偏差校正的研究人员需要将这些信息纳入他们的研究中。”

在最近的一篇观点文章中自然气候变化, Maraun和他的合著者认为,“目前的偏差修正方法可能会提高气候模拟的适用性”,但它们不能——也不应该——被用来克服气候模型更显著的局限性。

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气候模式对温度的预测有多准确?

气候模式最重要的产出之一是对全球地表温度的预测。

为了评估他们的模型表现如何,科学家们将地球气候的观测结果与模型的未来温度预测和历史温度“后验”进行比较。然后,科学家可以通过观察单个气候模型和所有模型的平均值与观测到的变暖进行比较,来评估温度预测的准确性。

19世纪后期以来的历史温度变化这是由很多因素造成的包括不断增加的大气温室气体浓度、气溶胶、太阳活动的变化、火山爆发和土地利用的变化。自然变化也在较短的时间尺度上发挥作用。

如果模型能很好地捕捉过去的气候响应,研究人员就能更有信心地对未来相同因素的变化做出准确的响应。

必威手机官网碳简报在最近的一篇文章中更详细地探讨了气候模型如何与观测结果进行比较分析部分,研究自20世纪70年代以来气候模型中的地表温度预测如何与现实相符。

模型估计大气温度运行温度比观测值略高,而对于海洋热含量模型与我们观测到的变化的最佳估计相当吻合。

比较模型和观测结果可能是一个难题有点棘手的练习.气候模型中最常用的数值是地表上方的空气温度。然而,观测到的温度记录是地表上方空气温度和海洋表层水温度的组合。

将模型中的全球气温与观测中气温和海面温度的组合进行比较可能会产生问题。为了解释这一点,研究人员从气候模型中创建了他们所谓的“混合场”,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。

这些来自模型的混合场显示出的变暖程度略低于全球表面空气温度,因为近年来海洋上空的空气变暖速度快于海洋表面温度。

必威手机官网Carbon Brief的下图既显示了所有CMIP5模式的平均气温(黑线虚线),也显示了所有CMIP5模式的混合场平均气温(黑线实线)。灰色区域表示模型结果的不确定性,称为95%置信区间。个别的彩色线代表不同组的观测温度估计值,例如英国气象局哈德利中心美国国家海洋和大气管理局而且美国国家航空航天局

RCP4.5 CMIP5海陆混合模型平均(黑色),二西格玛模型范围(灰色),和观测温度记录美国国家航空航天局美国国家海洋和大气管理局HadCRUT考坦和威,伯克利地球从1970年到2020年。虚线黑色表示原始(未混合)CMIP5多模型平均值。2017年的初步数值是基于截至8月底的温度异常。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

来自模式的混合场通常与观测中看到的变暖相当吻合,而来自模式的空气温度显示出更大的变暖,因为它们包括海洋上空的空气温度,而不是海面本身的温度。观测值均在模型运行的95%置信区间内,这表明模型很好地反映了由气候因素驱动的短期自然变率厄尔尼诺现象还有其他因素。

下图显示了从1880年到2100年的模型预测的较长时期。它既显示了自19世纪后期以来的长期变暖,也显示了在相对快速减排(称为“减排”)的情况下对未来变暖的预测。RCP4.5),到2100年,全球气温将比工业化前的水平高出2.5摄氏度左右(比图中所示的1970-2000年基线高2摄氏度左右)。

与之前的数据相同,但从1880年到2100年。到2100年的预测使用RCP4.5。请注意,这张图和前一张图使用的是1970-2000年的基线期。图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

19世纪中期以来的气候预测与观测结果相当吻合。有几个时期,比如20世纪初,地球比模型预测的温度要低一些,或者20世纪40年代,观测到的温度要高一些。

然而,总的来说,模拟温度和观测温度之间的强烈对应增加了科学家的信心,即模型准确地捕捉了推动气候变化的因素和地球气候短期自然变率的水平。

1998年以来,观测值略低于模式预测值最近发表于《自然》杂志探讨发生这种情况的原因。

研究人员发现,通过使用模型中的混合场,可以解决一些差异。他们认为,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。

全球平均地表温度只是气候模型中包含的众多变量之一,而模型可以根据许多其他气候指标进行评估。有具体的"指纹例如,在模型和观测中都可以看到的低层大气中人类活动变暖的影响。

模型预估已与地球上的温度观测结果进行了核对表面海洋而且大气,到历史雨雪交加数据,飓风的形成海冰范围而且许多其他的气候变量。

模型通常在匹配全局观测值方面做得很好,尽管一些变量,比如降水,在区域层面上就更难得到正确的答案。

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目前气候模拟的主要局限性是什么?

值得重申的是,气候模型不是地球气候的完美代表,也不可能是。由于气候本质上是混乱的,不可能100%准确地模拟,但模型在正确模拟气候方面做得相当好。

由模型做出的预测的准确性也取决于模型中预测的质量。例如,科学家们不知道温室气体排放是否会下降,因此根据未来社会经济发展的不同情况进行估计。这给气候预测增加了另一层不确定性。

同样,未来的某些方面在地球历史上是如此罕见,以至于很难对它们进行预测。一个例子是冰盖可能会不稳定随着它们的融化,预计全球海平面将加速上升。

然而,尽管模型变得越来越复杂和复杂,但它们仍难以像科学家希望的那样捕捉到气候系统的某些方面。

气候模型的主要局限性之一是它们对云的表现有多好。

云一直是气候科学家的眼中钉。它们在任何时候都覆盖了地球的三分之二,但单个云可以在几分钟内形成和消失;它们可以使地球变暖或变冷,这取决于云的类型和一天中的时间;科学家也没有关于云是什么样子的记录在遥远的过去这样就更难确定它们是否发生了变化,以及如何发生变化。

云建模困难的一个特殊方面归结于对流。在这个过程中,地球表面的热空气通过大气上升,冷却,然后它所含的水分凝结形成云。

在炎热的日子里,空气迅速变暖,这推动了对流。这可能带来强烈的、持续时间短的降雨,通常伴随着雷电。

图片来源:Niccolò Ubalducci / Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)

来源:Niccolò Ubalducci /Flickr(cc by nc - nd 2.0)

对流降雨可以在很短的时间尺度和非常特定的地区发生。因此,全球气候模型的分辨率过于粗糙,无法捕捉到这些降雨事件。

相反,科学家们使用“参数化”(见上文)来表示对流对单个网格单元的平均影响。这意味着gcm不能模拟单个风暴和局部强降雨事件,解释说Lizzie Kendon医生英国气象局哈德利中心的高级极端气候科学家对碳简报说:必威手机官网

“因此,gcm无法捕捉亚日尺度的降水强度和夏季降水极端值。因此,我们对未来gcm或粗分辨率rcm对每小时降雨量或对流极端事件的预测信心不足。”

(必威手机官网Carbon Brief将于本周晚些时候发表一篇文章,探讨气候模式对降水的预测。)

为了解决这个问题,科学家们一直在开发高分辨率的气候模型。它们的网格单元只有几公里宽,而不是几十公里。这些“convective-permitting“模型可以模拟更大的对流风暴而不需要参数化。

然而,拥有更多细节的代价是,这些模型还不能覆盖全球。尽管面积更小,而且使用超级计算机,但这些模型仍然需要很长时间才能运行,特别是当科学家想要运行模型的许多变体时,即所谓的“集合”。

例如,模拟是非洲未来气候的一部分黑斑羚项目(“改进非洲气候模型过程”)使用了覆盖整个非洲的允许对流的模型,但只适用于一个集合成员,Kendon说。同样,下一套英国气候预测将于明年发布(“UKCP18),将为10名合唱团成员演出,但仅限于英国。

但Kendon指出,将这些允许对流的模型推广到全球范围仍有一段路要走:

“我们可能需要很多年才能负担得起允许对流的全球气候模拟(计算能力),特别是对多个集合成员的模拟。”

双ITCZ

与全球模式中的云问题相关的是“双ITCZ”。的热带辐合带ITCZ是赤道附近环绕地球的一个巨大的低压带。它控制着大部分热带地区的年度降雨模式,对数十亿人来说,它是气候的一个非常重要的特征。

热带辐合带示意图

热带辐合带(ITCZ)的插图和地球大气中的主要全球环流模式。来源:知识共享

ITCZ每年在热带地区南北移动,大致跟踪太阳在季节中的位置。全球气候模式确实在模拟中重现了ITCZ,这是模式中编码的各个物理过程相互作用的结果。然而,作为气候期刊论文科学家在加州理工学院解释说,有一些地区的气候模型难以正确地代表ITCZ的位置:

“在东太平洋上,ITCZ一年中大部分时间位于赤道以北,在6度纬线周围蜿蜒几度。然而,在春天的短暂时间里,它会分裂成横跨赤道的两个itcz。目前的气候模型将这种分裂夸大为两个itcz,导致了模型的著名双itcz偏差。”

大多数gcm显示某种程度的双重ITCZ问题,这导致它们模拟了太多的降雨南半球大部分地区都是热带有时赤道太平洋降水不足

双ITCZ“可能是当前气候模式中最显著和最持久的偏差”,他说向宝强博士他是该研究所的首席科学家地球物理流体动力学实验室国家海洋和大气管理局在美国。

这主要意味着,建模者对ITCZ如何随着气候变暖而变化的预测可信度较低。但是,这也有连锁反应,项告诉碳简报:必威手机官网

“例如,目前大多数气候模型预测信风会减弱,海平面上升也会放缓沃克环流.双ITCZ问题的存在可能会导致低估这种减弱的信风。”

信风是几乎恒定的东风,在赤道两侧环绕地球。)

此外,2015年的一项研究地球物理研究快报表明,由于双ITCZ影响模式中的云和水汽反馈,因此它在气候敏感性中发挥作用。

术语表
气候敏感性:当大气中的二氧化碳达到工业革命前的两倍时,我们可以预期的变暖程度。有两种方式来表达气候敏感性:瞬态气候……阅读更多

他们发现,具有强双ITCZ的模式具有较低的平衡气候敏感性(ECS)值,这表明“大多数模式可能低估了ECS”。如果模型低估了ECS,那么气候对人为排放的反应将比目前的预测更强烈。

Xiang告诉Carbon Brief,模型中双ITCZ的原因很复杂,并且已经成为许多研究的主题。必威手机官网Xiang说,可能有许多促成因素,包括对流在模型中参数化的方式。

例如,美国国家科学院院刊biwei68682012年发表的一篇论文指出,这一问题源于大多数模式没有在“经常阴云密布的南大洋”上空产生足够厚的云层,导致整个南半球的温度高于正常水平,以及热带降雨的南移。

至于科学家们什么时候能解决这个问题,Xiang说这是一个很难回答的问题:

“从我的角度来看,我认为我们可能无法在未来十年完全解决这个问题。然而,随着对模型物理理解的提高、模型分辨率的提高和更可靠的观测,我们已经取得了重大进展。”

急流

最后,气候模型中的另一个常见问题是与急流在气候模型中。喷射气流是在大气中高速流动的蜿蜒河流。它们可以在地球上形成由西向东的漏斗状天气系统。

与ITCZ一样,气候模型根据其代码中包含的基本物理方程来重建急流。

然而,急流在模型中经常显得过于“纬向”——换句话说,它们太强、太直,解释说蒂姆·伍林斯博士他是牛津大学物理气候科学的讲师,也是英国气象局和大学联合过程评估小biwei6868组的前负责人,负责阻塞和风暴轨迹。他告诉碳简报:必威手机官网

在现实世界中,喷气式飞机在穿越大西洋(和太平洋)时略微向北转向。由于模型低估了这一点,飞机通常平均向赤道方向偏得太远。”

因此,模型并不总是正确地预测低压天气模式所经过的路径——即所谓的“风暴轨迹”。伍林斯说,风暴在模型中往往过于迟缓,它们不够强大,消失得太快。

伍林斯说,有很多方法可以改善这一点,但有些方法比其他方法更直接。一般来说,提高模型的分辨率会有所帮助,Woollings说:

“例如,当我们提高分辨率时,山峰会变得更高一些,这有助于使射流向北偏转。更复杂的事情也会发生;如果我们能在模型中得到更好、更活跃的风暴,就会对急流产生连锁反应,而急流在一定程度上是由风暴驱动的。”

(随着模型分辨率的提高,山峰会变得更高,因为更大的细节可以让模型“看到”更多的山,因为它正在向顶部变窄。)

伍林斯补充说,另一个选择是改进模型在其方程中表示大气物理的方式,使用“新的、聪明的方案(来近似)计算机代码中的流体力学”。

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改进模型的过程是什么?

建立气候模型的过程是一项长期的任务,它不会在模型发表后就结束。大多数建模中心将以连续的周期更新和改进模型,在开发过程中,科学家将花费数年时间构建下一个版本的模型。

在英国埃克塞特气象局工作的气候建模员

在英国埃克塞特气象局工作的气候建模员。图片来源:英国气象局。

英国气象局哈德利中心的克里斯·琼斯博士说,一旦准备就绪,包含所有改进的新模型版本就可以发布了:

“这有点像汽车公司制造一款特定汽车的下一个模型,所以他们多年来一直在生产同一款汽车,但突然之间,他们一直在开发的一款新车出来了。我们的气候模型也是如此。”

蒂姆·伍林斯博士解释说,在每个周期开始时,将模式再现的气候与一系列观测结果进行比较,以确定最大的问题。他告诉碳简报:必威手机官网

“一旦确定了这些,注意力通常会转向评估已知的影响这些区域的物理过程,并尝试改进[在模型中]这些过程的表示。”

Woollings说,这是如何实现的,因情况而异,但通常会以一些新的改进代码结束:

“这可能是整行代码,以稍微不同的方式处理一个进程,或者有时只是将现有参数更改为更好的值。这很可能是受到新研究或其他(建模中心)经验的推动。”

有时在这个过程中,科学家们发现一些问题弥补了其他问题,他补充道:

“例如,进程A被发现太强,但这似乎被进程B太弱所补偿。在这些情况下,过程A通常是固定的,即使它在短期内使模型变得更糟。最后,这个模型更好地代表了这两个过程的物理特性,我们有了一个更好的整体模型。”

伍林斯解释说,在英国气象局哈德利中心,开发过程涉及多个团队,或“过程评估小组”,他们希望改进模型的一个不同元素:

过程评估组本质上是负责模型某些方面的工作组。随着模型的发展,他们会监测各自领域的偏差,并测试减少偏差的新方法。这些小组定期开会讨论他们的领域,通常包括来自学术界和英国气象局科学家的成员。

然后,每个小组正在进行的改进被整合到新模型中。Jones说,一旦完成,模型就可以开始正式运行:

“在两到三年的过程结束时,我们有了一个新一代模型,我们认为它比上一个更好,然后我们可以开始使用它来回到我们以前研究过的科学问题,看看我们是否能更好地回答它们。”

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科学家们如何为特定地区产生气候模型信息?

全球气候模型的主要局限性之一是,它们组成的网格单元通常在中纬度的经度和纬度上约100公里。例如,当你考虑到英国只有400多公里宽时,这意味着它在GCM中是由少量的网格框表示的。

如此粗糙的分辨率意味着gcm忽略了特定位置的地理特征。一些岛国太小了,以至于GCM可能只把它们视为一片海洋,他指出Michael Taylor教授他是哈佛大学的高级讲师西印度群岛大学同时也是IPCC关于1.5摄氏度的特别报告.他告诉碳简报:必威手机官网

“如果你想想东加勒比群岛,一个单一的东加勒比岛屿位于一个网格框中,所以在这些全球气候模型中代表水。”

“即使是较大的加勒比岛屿也被表示为一个或最多两个网格框-所以你只能获得一个或两个网格框的信息-这对加勒比地区的小岛和一般的小岛构成了限制。所以你最终不会得到精细的、更精细的、亚国家规模的小岛屿信息。”

科学家们通过将全球气候信息“缩小”到局部或区域尺度来解决这一问题。从本质上讲,这意味着获取GCM或粗尺度观测提供的信息,并将其应用于特定的地方或地区。

多巴哥礁和梅洛岛,圣文森特和格林纳丁斯,迎风群岛,西印度群岛,加勒比海,中美洲

多巴哥礁和梅洛岛,圣文森特和格林纳丁斯。图片来源:robert tharding/Alamy Stock Photo。

泰勒解释说,对于小岛屿国家来说,这一过程使科学家能够获得特定岛屿甚至岛屿内地区的有用数据:

“整个降尺度的过程就是试图从大尺度中获得信息,并以某种方式将其与当地规模、或岛屿规模,甚至是次岛屿规模联系起来。”

缩减规模的方法主要有两类。第一个是“动态降尺度”。这本质上是运行类似于gcm的模型,但适用于特定的区域。由于这些区域气候模式(RCMs)覆盖的区域更小,因此它们的分辨率可以比gcm更高,而且仍能在合理的时间内运行。也就是说,注意丹·米切尔博士他是伦敦大学地理科学学院的讲师biwei6868布里斯托大学, rcm的速度可能比全球同行要慢:

“一个拥有25公里网格单元覆盖欧洲的RCM运行时间比分辨率为150公里的GCM长5-10倍左右。”

2009年英国气候预测(UKCP09),例如,是一组专门针对英国的气候预测,由英国气象局哈德利中心的区域气候模型产生HadRM3模型

HadRM3使用25km * 25km的网格单元,从而将英国划分为440个正方形。这是对UKCP09的前身(“UKCIP02”),以产生50公里的空间分辨率的投影。下面的地图显示了25公里网格(右边的六张地图)比50公里网格(最左边的两张地图)提供的更多细节,

rcm如HadRM3可以添加一个更好的-尽管仍然有限-表示当地因素,如湖泊、山脉和海风的影响。

高排放情景下,2080年代冬季(上)和夏季(下)季节平均温度变化的比较,来自UKCIP02(最左边的面板)和UKCP09在三个概率水平(10、50和90%)的预测。越深的红色阴影表示变暖的程度越大。©英国气候预测2009

尽管rcm仅限于一个特定的地区,但它们仍然需要考虑影响它的更广泛的气候因素。科学家通过输入来自气相色谱或观测的信息来做到这一点。泰勒解释了这是如何应用于他在加勒比地区的研究的:

“对于动态降尺度,你首先必须定义你要运行模型的领域——在我们的例子中,我们定义了一种加勒比/美洲内部领域——所以我们将建模限制在该领域。但是,当然,你把大尺度模型的输出输入到这个领域的边界,所以是大尺度模型的信息驱动了小尺度模型。这就是动态降尺度——你基本上是在一个更精细的尺度上建模,但在一个有限的域上,在边界处输入信息。”

在一个GCM中“嵌套”或嵌入rcm也是可能的,这意味着科学家可以同时运行多个模型并同时获得多个水平的输出。

降尺度的第二个主要类别是“统计降尺度”。这包括使用观测数据建立全球和当地气候之间的统计关系。利用这种关系,科学家们然后根据来自gcm或观测的大尺度预测得出局部变化。

统计降尺度的一个例子是天气生成器。天气生成器生成特定位置的每日和/或每小时数据的合成时间序列。它结合了观测到的当地天气数据和对未来气候的预测,以显示短期内未来天气状况可能会是什么样子。(天气生成器还可以生成当前气候下的天气时间序列。)

它可以用于规划目的——例如,在洪水风险评估中,模拟现有的防洪设施是否能够应对未来可能的强降雨水平。

一般来说,这些统计模型可以快速运行,允许科学家在完成一次GCM运行所需的时间内进行多次模拟。

值得注意的是,降级信息在很大程度上仍然取决于它所基于的信息的质量,例如观测数据或输入的GCM数据。降尺度只提供了更多特定位置的数据,并不能弥补它所依赖的数据所产生的任何不确定性。

特别是,统计降尺度依赖于用于推导统计关系的观测数据。米切尔指出,缩小尺度还假设当前气候中的关系在变暖的世界中仍然成立。他告诉碳简报:必威手机官网

“(统计降尺度)对于观察良好的时间段,或观察良好的感兴趣的地点可能没问题,但一般来说,如果你把本地系统推得太远,统计关系就会崩溃。因此,统计上的降尺度对未来气候预测的限制很差。”

米切尔说,动态降尺度更稳健,但前提是RCM很好地捕获了相关过程,并且驱动它们的数据是可靠的:

“对于气候建模来说,动力模型中天气和气候过程的实现通常与较粗糙的全球驱动模型没有太大的不同,因此动力降尺度只能提供有限的数据改进性。然而,如果做得好,动态降尺度对天气和气候的本地化理解是有用的,但它需要大量的模型验证,在某些情况下,需要模型开发来表示可以在新的更精细尺度上捕获的过程。”

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2018年1月15日更新,以澄清解决N-S方程的100万美元奖金是为了证明在所有情况下解的存在,并且当网格是基于纬度和经度时,网格框才会向两极收敛。

必威手机官网碳简报要感谢所有帮助准备这篇文章的科学家。

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