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Nature:目前的气候模式过高估计未来全球变暖
2022-06-20 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  自西方工业革命以来,人类在使用煤、石油和天然气等化石燃料过程中不断向大气排放二氧化碳,产生的温室效应导致全球平均地表气温不断升高。同时剧增的二氧化碳排放量对全球碳排放和碳循环也产生了重要影响。那么未来二氧化碳浓度如何变化,全球平均地表气温又如何响应?回答这一问题,不仅是科学界普遍关注的前沿科学问题,也是实现碳达峰和碳中和(简称“双碳”)目标需要面临的重大需求。 

  目前,对未来二氧化碳与全球地表气温的关系的研究主要依赖于气候模式。但最近美国五位气候学者联合在Nature发表评论指出,目前的气候模式模拟结果高估了未来气候变化增温幅度,这个问题被称为“热模型问题 (Hot Model Problem)。建议研究人员在使用最新气候模式模拟结果时,应当注意并尽量避免这一系统偏差(Hausfather et al., 2022) 

  Science地球和行星科学方向特约撰稿人Paul Voosen也在Science发表新闻评论指出,目前的气候模式高估了未来全球变暖的程度(Voosen, 2022)。这种全球平均地表气温的系统偏差意味着气候模式在其他方面也可能存在偏差,例如普遍高估了未来亚非季风区平均降水增幅(Chen et al., 2022) 

  气候学界通常用两个标准来定量评估二氧化碳与全球地表气温的关系。第一个标准是瞬态气候响应(Transient Climate Response, 简称TCR),是指从工业革命前大气二氧化碳浓度从280ppm开始,每年增长1%,大约71年之后超过工业革命前2倍的水平(560ppm)时,当年全球平均地表气温的增幅。第二个标准是平衡气候敏感度(Equilibrium Climate Sensitivity, 简称ECS),是指大气二氧化碳浓度设定为工业革命前两倍的水平(560ppm)、气候模式达到平衡时,全球平均地表气温相对于工业革命前的增幅。这两个标准是高度正相关的,较高TCR同样具有较高的ECS。二者只是试验设计不同,前者是外强迫随时间变化的瞬变试验,而后者是外强迫恒定的平衡态试验。 

  气候模式容许我们模拟地球气候系统(包括大气、海洋、陆面过程、冰冻圈和生物圈)各个组分变化的物理过程和相互作用。由于气候系统的复杂性,每个气候模式仿真这些组分变化时都做出不同程度的假设或者近似,如云的参数化过程。为了减少模式本身的不确定性,常从多模式视角提供一个更好的未来气候变化预估结果,国际耦合模式比较计划应运而生,鼓励各国模式参与未来气候预估。相比第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5),第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模型包括了更加复杂的物理过程,例如改进了云的参数化方案、改进了气溶胶的化学模块、加入了同位素模拟等。其目的是为了让气候模式进一步逼近真实场景。但由于个别的改进可能提高了模式对变暖过程的敏感度,导致约1/5 CMIP6模式显示大气二氧化碳浓度翻倍的情况下,全球平均地表气温至少增温5,约1/4CMIP6模式增幅高于4.7。而CMIP5所有模式模拟的增幅均低于4.7。这实际上意味着,我们目前其实还并不真正知道,多少CO2浓度或排放量可导致巴黎协定中的1.52阈值。 

  联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC) 发布的最新报告IPCC-AR6显示,在未来4种排放情景下,包括最新气候模式的集合平均结果高于IPCC-AR6建议的加权平均结果,而采用IPCC-AR6建议的TCR范围(1.4–2.2) 剔除导致气温偏高的模式,得到的集合平均的结果接近IPCC-AR6建议的加权平均结果(如图1所示)。因此,建议在未来研究中简单的做法是直接排除导致气温偏高的最新模式。已有研究也表明,这些高敏感度模式在重现过去一百多年历史全球气温变化和更长时间尺度古气候模拟方面均表现欠佳。具体来说,这些模式经常得到20世纪没有变暖,但却在最近几十年快速变暖。此外,模拟的古气候变化与代用记录重建结果相比也存在较大差异。 

  针对新气候模式高估气候敏感度的问题,气候学家们试图根据多源观测信息来约束气候敏感度,进而提高对气候敏感度范围的认识。已有最新的综述研究(Hausfather et al., 2020)综合了古气候代用记录、气温和海洋热含量的观测数据,以及物理过程模型的结果等多源证据,认为ECS可能在2.63.9变化(66%可能性),更可能在2.34.7之间 (90%可能性)。基于上述综述和最近的研究结果,IPCC-AR6决定将ECS可能范围设定为2.54,以及非常可能的范围设定为25 

  在使用当前最新的气候模式模拟结果时,Hausfather等给出三点建议: 

  第一,建议研究者优先研究未来全球变暖1.523甚至4情景下的气候变化及其影响。这样做一方面可以对照巴黎协定制定的1.5和不超过2的共同目标。另一方面可以使用CMIP6所有模式。 

  第二,建议研究者研究未来全球变暖时间演化规律和影响时,使用与IPCC-AR6变暖预估结果接近的模式。具体是建议使用TCR1.42.2ECS2.54范围内的气候模式。 

  第三,建议研究者针对具体科学问题,选择适合模式。如果是研究未来全球气温热尾现象,可以使用高敏感度的模式。如果是研究区域气候变化,建议根据IPCC-AR6推荐的气候敏感度范围挑选模式。 

  最新的CMIP6模式相对于前一代CMIP5模式,考虑更完备的物理过程,有更高的时空分辨率,但得到的气候敏感度却存在系统偏差。这给我们一个重要启示,即古气候研究的重要性:古气候重建是研究过去地球气候系统真实发生过的情景。可以给出当二氧化碳浓度加倍情况下,地球气候系统的真实自然响应,为研究气候敏感度提供相对真实的基础数据。在这个过程中,将多源观测数据(包括古气候代用资料、多源器测数据等)与气候模式相结合,才有可能准确认知气候变化与碳循环的关系。 

1 气候模型预估的不同共享社会经济路径(SSP)下的全球平均地表气温变化(修改自Hausfather et al., 2022

  主要参考文献    

  Chen Z, Zhou T, Chen X, et al. Observationally constrained projection of Afro-Asian monsoon precipitation[J]. Nature Communications, 2022, 13.(原文链接

  Hausfather Z, Marvel K, Schmidt G A, et al. Climate simulations: Recognize the ‘hot model’problem[J]. Nature, 2022,  605: 26–29.原文链接 

  Hausfather Z, Drake H F, Abbott T, et al. Evaluating the performance of past climate model projections[J]. Geophysical Research Letters,  2020, 47(1):  e2019GL085378. 

  Voosen P.  ‘Hot’climate models exaggerate Earth impacts[J]. Science, 2022, 376: 685. 

  (撰稿:史锋谭宁,吴志鹏/新生代室)

 
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