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电脑柜位于德国气候计算中心,形成超级计算机“istral”。信用:FelixKönig/ DPA / Alamy Live News
电脑柜位于德国气候计算中心,形成超级计算机“istral”。 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

Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

12.02.19
Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

02.12.2019 |8:00 AM
气候模型 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,新的物理流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专门委员会IPCC (IPCC)的评估报告,发布了一组模型结果——被称为“运行”——在每一个模型的准备阶段。

这些协调努力是其中的一部分耦合型号互通项目(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100个不同气候模型的“运行”组成49个不同的模型组.努力已经开始了落后时间表此外,它越来越不可能将所有CMIP6模型及时可在AR6中包含。

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亚慱官网。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。

虽然迄今为止只有大约40个CMIP6模型的结果被公布,但已经很明显,其中一些模型有明显的更高气候敏感性比CMIP5中的模型。这种较高的灵敏度有助于对本世纪的更大变暖的预测 - 比在CMIP5中的类似场景约为0.4C温暖 - 尽管这些加热预测可能随着更多型号可用而变化。研究人员仍在努力评估为什么最新一代模型中的敏感性值高得多。

在此解释者中,Carbon简介概述了在亚慱官网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存档的版本的文章。

2020年6月17日更新:这篇文章已经更新,包括更多的模型灵敏度估计,以及一个新的章节,关于最新研究的可靠性更高的灵敏度模型。

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。

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,气溶胶等气候营力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场景已被选中驱动CMIP6的气候模型。

具体来说,我们选择了一系列情景来提供一系列不同的世纪末气候变化结果。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的AR5报告列出了四项内容代表浓度通路(rcp)研究了未来可能的温室气体排放。这些场景,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辐射强迫就像它们在AR5中的前身。

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无政策基线方案.数据来自SSP数据库;通过碳简短使用图表亚慱官网高级园林

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情景(RCP8.5)和一个与基线结果相一致的相对较少的缓解情景(RCP6.0)。后来的很多文献都依赖于RCP8.5作为唯一的无策略基线,经常将其称为“正常业务”,尽管它有点最坏的情况在可能的禁止政策结果中。

CMIP6增加了一个新的场景 - SSP3-7.0 - 它位于能量系统模型生产的基线结果范围内。现在,莫德勒可以检查最坏情况(SSP5-8.5),中间的道路(SSP3-7.0),在建模世界在未能制定任何气候政策的世界中如何温暖时更加乐观(SSP4-6.0)结果。

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。

SSP5-3.4OS是AN.过冲情景在2040年前,排放遵循最坏情况下的SSP5-8.5路径,之后随着本世纪后期的大量使用,排放量急剧下降负排放量

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.它是在巴黎协议当各国同意努力将温度增加到1.5℃时。这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IPCC于2018年发布的报告。这些新的CMIP6情景现在将允许完整的气候模型来探索气温上升约1.5摄氏度时的气候变化和影响。

CMIP6具有新的场景,导致2100年强迫类似于CMIP5 RCP场景。然而,尽管它们在本世纪末的压力是相同的,但二氧化碳和非二氧化碳排放的排放路径和混合是不同的。下图比较了旧的RCP场景(虚线)和新的SSP场景(实线)的二氧化碳排放量。

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亚慱官网高级园林

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。

许多高灵敏度模型

平衡气候敏感性(ECS)是大气二氧化碳浓度加倍后的预期长期变暖。它是未来变暖的影响的最重要指标之一。“敏感性”是气候模型中的物理和生物地球化学模拟的东西;莫德勒没有明确设置的东西。

CMIP6型号可更新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ECS范围
可能的ECS范围(例如估计有66%的几率发生)IPCC AR5.(黑条),CMIP5模型ECS值(灰色)和CMIP6模型ECS值(蓝色)。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

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(在南洋中冻结但仍然是液体)可以产生大的敏感性。

然而,尽管使模型更加现实,但尚不清楚这些改进是否转化为更准确的ECS估计。例如,一些气候科学家表达怀疑论认为它们与古气候记录和其他证据不一致。

IPCC的AR6将如何将某些模型的高ECS与其他证据来源相协调,以及它们是否会更新“可能的”敏感范围,还有待观察。

目前已有的40个CMIP6模型的ECS值如下图所示。其中14个(用黄色标出)的ECS高于4.5C,其中11个的敏感性高于CMIP5中最高模式(例如4.7C)。有26个模式的ECS值符合AR5范围,其中CMIP6最低的ECS值(1.8C)与CMIP5最低的ECS值(2.1C)相似。

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。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

AR5的“可能”ECS范围为1.5C-4.5C,这意味着有66%的可能性真实值落在该范围内。因此,大约有33%的数值预计会落在这个范围之外——事实也确实如此期待的好理由高于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(例如融入群体)。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 -通过emke nijsse.和同事埃克塞特大学其他通过Katarzyna Tokarska博士和他的同事们埃尔希希- 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,一些研究人员争论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。

一种最近的研究通过Keith博士威廉姆斯和同事英国遇见了办公室建议,最新的遇见办公室模型 - 每加倍二氧化碳的灵敏度为5.5℃ - 在生产短期预测方面表现出比模型的变体更低,气候敏感性较低,因为它在寒冷温度下具有较大量的云液体水.

但是,正如美国宇航局的那样加文施密特博士指出Realclime Blog Post.目前仍不清楚为什么短期预测一定要与敏感性挂钩。施密特建议“可能是所有在这项任务(短期预测)上做得好的模型都有一系列的ECS值,而这个模型做得好的同时具有较高的ECS,这只是一个巧合。”

这些新的高灵敏度模型提醒我们,巨大的不确定性(和风险的长尾)仍然存在,但气候模型只是其中一个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,科学家建议现在说气候敏感性可能比以前认为的要高还为时过早。

CMIP6历史模拟

CMIP6仍在运行进度落后此外,只有35种不同型号的最终100型偶尔已经提交了未来的排放场景运行。虽然结果可能会随着其他建模组进行变化,但有足够的模型可用于评估CMIP5的CMIP6如何结果。

似乎越来越有可能的是,不是所有的CMIP6运行将由的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“ - 其中莫德尔斯模拟了1850年至今的期间 - 以及在不同的发射场景下将来变暖的预测。

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,一些建模组显式地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。线条显示了42个现有的CMIP6模型的平均值,而阴影区域显示了模型运行的95%置信区间。

观测到的气温与CMIP5和CMIP5的累计气温比较。
观测到的气温与CMIP5和CMIP5的累计气温比较。CMIP6模型从1850年到2014年的历史运行,结合了所有可能情景到2019年的平均预测。每个模型使用一次运行。实线表示多模型平均值,阴影部分表示two-sigma的范围内。括号中的值反映了分析中使用的模型的数量。yabo亚博体育app下载图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

尽管CMIP6的ECS值发生了变化,但其后报与CMIP5相当相似;观测结果几乎总是在模型运行的范围内,而模型对现代变暖的捕捉也相当好。CMIP6模式不能很好地模拟从1900-1940年观察到的20世纪早期温和的变暖,尽管在这方面它们与CMIP5相似。

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yabo亚博体育app下载于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,而观察是一个混合陆地表面的空气温度和海洋表面的温度。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

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的未来升温

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。

下图显示了全球变暖和多模式平均变暖的范围,从工业化前的水平到2090-2100年。一级CMIP6场景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5)以及SSP1-1.9场景,其中有相对较多的运行可用。图中没有显示其他场景,因为发布的运行仍然太少,无法提供可比的分析。yabo亚博体育app下载括号中的数字显示了每个场景当前提交模型运行的建模组数量。

1880-1900年至2090-2100年的CMIP6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。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

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。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

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“层2的情况下,当前可用的模型运行太少,无法产生与其他情况相比较的估计。RCP和新的SSP场景之间的区别有一个小的影响在世纪末的变暖。

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营力和21世纪及以后的未来排放情景。

此外,还有22个专业实验(包括23个未来排放情景),建模小组可以选择参与。这些实验被称为模型相互比较项目MIPs-除了基本诊断和历史模拟之外,提供对气候变化的有用评估。例如,在GeoMIP实验中,不同的建模组模拟不同类型的效果地球工程在气候上。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)。

并非所有建模组都将参与CMIP6中的所有MIP实验 - 部分原因是所有群体都具有相同的超级计算资源或对特定实验的兴趣。下面列出了CMIP6中包含的MIPS;有关每个的详细信息可以在附带链接中找到。

  • 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(朝比
  • 十年气候预测计划(DCPP
  • Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison项目(FAFMIP.
  • 地理工程模型互通项目(地理位置
  • 全球季风模型互通项目(Gmmip.
  • 高分辨率模型相互比较项目(高度胶质
  • CMIP6的ICE表模型兼容项目项目6(ISMIP6
  • 土地面,雪和土壤水分(ls3mip.
  • 土地使用模式比较项目(LUMIP
  • 海洋模型互通项目(Omip.
  • 极性放大模型互通项目(PAMIP.
  • 古气候模拟比较计划(PMIP.
  • 辐射强制模型互通项目(rfmip.
  • 情景模型相互比较项目(ScenarioMIP
  • 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(SIMIP
  • 脆弱性、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,由气候模式诊断和相互比较项目(PCMDI.),来自世界各地的许多学科的科学家可以自由、公开地获取。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IPCC的AR6目前正在起草中,但只有一组相对有限的模型可用,而且似乎不太可能在AR6最终草案之前完成所有CMIP6运行。

确认

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来创建这个分析中的数字。yabo亚博体育app下载

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