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印度洋上的热带风暴
印度洋热带风暴,马尔代夫。 信用证:房间代理/阿拉米库存照片。
客人的帖子
2021年9月28日11:00

客串帖子:“模拟器”模型在气候变化预测中扮演的角色

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 客串帖子:“模拟器”模型在气候变化预测中扮演的角色

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动。

然而,它们的运行需要大量的时间和费用——需要强大的超级计算机、气候科学家和软件工程师团队来生成模型并分析结果。

为了加快速度,科学家可以选择使用一种更简单的模型——被称为“模拟器”——来提供预测。esm可能有数百万行计算机代码,而模拟器可能只有几百行或几千行。

虽然有些模拟器有效地充当了简单的气候模型——采用未来的排放情景并预测温室气体浓度和全球温度变化——但其他模拟器用于更具体的目的。这些模型可用于确定冰盖和冰川融化导致的海平面上升,或将全球气温上升转化为区域气候变化。

在这篇文章中,我将解析模拟器是什么,它们如何在气候科学中使用,以及它们在气候变化中扮演的角色亚慱彩票APP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

模拟器存在的时间几乎和更复杂的气候模型. 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火山太阳.事实证明它确实如此再现观测变暖井

IPCC在其历史上一直使用模拟器。在它的前四份评估报告中工作小组1(WG1)部分侧重于基础的气候科学,使用模拟器在若干排放情景下预测未来的变暖,并补充当时可用的气候模型的知亚慱彩票APP识。这个时期正好与模拟器的发展相吻合。MAGICC(温室气体引起的气候变化评估模型),IPCC的大部分预测都基于该模型。

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模型互比较项目(CMIP5),它提供了30个左右的ESM预测,在不同的排放情景下到2100年。

对于最近发布的AR6 WG1报告在美国,模拟器已经回归到一个更加突出的角色,再次被用于支持、扩展和限制来自esm的气候预测。尽管从最新的模型相互比较项目(CMIP6).

使用来自esm的原始CMIP6结果的一个挑战是模型的数量躺在外面AR6评估的“极有可能”范围平衡气候敏感性(ECS)在2C和5C之间,特别是在高端市场。ECS衡量的是,当大气中的二氧化碳达到目前水平的两倍后,全球平均气温最终将上升多少工业革命之前

再加上模拟的短期变暖的高速率,这导致在CMIP6的几个模式中预测的未来变暖水平非常高。使用校准到AR6评估的ECS范围的模拟器,结合CMIP6的有限观测结果,降低了一些CMIP6模式对本世纪末未来变暖的高预估。

这是所有模拟器共有的特性的一个例子——它们有许多参数,例如ECS,可以通过改变这些参数来改变模型的行为。

一个简单的气候模型模拟器可能包含多达100个左右的不同参数,这些参数控制气候系统的不同方面,如空气污染的变暖和变冷影响,海洋中热量扩散的方式,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,仿真器可以调优来复制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。

例如我们知道空气中二氧化碳的含量——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,而陆地和海洋碳汇又取决于温度和这些碳汇中储存的碳总量。我们可以对这个关系的函数形式,然后将该关系与专用模型实验的ESM结果进行拟合。

验证与观察

与esm不同的是,模拟器运行速度非常快,在桌面计算机上可以在几分之一秒内生成气候预测。这意味着模拟器可以使用不同的参数值对单个排放场景运行数百次、数千次甚至数百万次。这对于跨越未来气候预测的不确定性范围很重要。

在每次运行中,参数将会变化——通常在预定义的分布中随机取样——以产生不同的气候预测。参数值可以从基于CMIP6模型调优的分布中采样,也可以从其他先验知识中采样,比如ECS很可能的范围。

并不是所有的参数组合都能产生真实的气候预测。“现实主义”的一个指标是,模拟器能否很好地再现历史上观测到的气候变化。

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,我们也可以在这些最佳估见值周围建立观测的不确定性。这导致了一个比我们开始时更小、更有约束的投影集,但在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对20世纪后期变暖的预测不足

演示了遵循SSP2-4.5排放路径的更大的先前运行集合的约束
演示了先前运行的更大集合的约束ssp2 - 4.5排放路径(浅灰色)进入满足历史变暖、气候敏感性、海洋热含量变化和二氧化碳(深灰色)评估范围的较小运行集合,黑色为最佳估计。历史观测到的变暖用蓝色表示,CMIP6模式的个别运行用红色表示。信贷:克里斯·史密斯。

多个场景

模拟器的众多优点之一是,它们可以用来运行esm无法分析的气候情景。的共享社会经济途径为在CMIP6的esm中运行而开发的ssp只包含9个未来场景——其中5个被指定为“标题”场景。由于ESM运行时和超级计算机的可用性,场景的数量必然受到限制世界各地都有模特中心

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,亚慱彩票APP最适合于模拟器。

一个突出的例子是现在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。

使用模拟器确定的排放对当今变暖的贡献
排放对当今气候变暖的贡献,由模拟器确定。改编自IPCC AR6 WG1 (2021图2:克里斯·史密斯(Chris Smith)

使用模拟器,计算了在有和没有每种辐射的情况下辐射强迫的差异,然后将这些强迫转化为温度贡献。

能够进行大量的模拟意味着对每个强迫的温度响应的不确定性可以被估计,并且使用一组受限制的参数意味着报告的结果与观测到的整体变暖完全一致。

在AR6中,模拟器的其他用途包括估计模型情景没有很好覆盖的时期(1850年前或2100年后)的气候变化,或确定大多数esm中没有的气候现象,如陆地冰和冰川融化对海平面的贡献,或永久冻土融化释放的甲烷。

综上所述,这些原因导致了WG1报告中模拟器的广泛使用,下表对该报告进行了总结。

位置在AR6 使用仿真器 为什么要使用模拟器
摘要为决策者 确定单个排放或辐射强迫对当前(SPM图2)和未来(SPM图4)变暖的贡献 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 CMIP6中没有1850年前的人类实验
第三章 确定个别强迫对当今变暖的贡献 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模式显示出令人难以置信的高短期变暖率和高气候敏感性,导致不受约束的CMIP6模式档案的变暖预估非常高

评估的未来变暖与ar6评估的ECS和TCR完全一致
第四章 展示了RCP和SSP情景辐射强迫和温度预估的差异 很少有esm同时在同一模型中运行RCP和SSP预测,因此不可能进行直接比较

耦合ESMs辐射强迫诊断的困难
第四章 将温度预测延长至2100年以后 只有少数CMIP6模型进行了2100年以后的预测,而那些预测都偏向于高灵敏度模型
第五章 估算非二氧化碳对剩余碳预算的贡献 没有相应的CMIP6实验
第六章 确定个人排放对当今全球变暖的贡献 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 所需的特定仿真器参数集不匹配任何特定的CMIP6模型
第七章 全球变暖潜力和全球温度潜力的温室气体指标 评估了超过400种温室气体,只有一小部分在ESM辐射传输代码中进行了建模

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 全球平均海平面预估 一些对海平面上升的贡献,如陆地冰盖和冰川流失,并没有被ESMs模拟

只有少数CMIP6模型预测了2100年以后的情况
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模拟器使用综述,由IPCC AR6 WG1改编和扩展(2021克里斯·史密斯(Chris Smith)的《跨章框7.1》(Cross-Chapter Box 7.1)。

协调

仿真器快速运行esm不使用的场景的能力对于工作小组3(WG3)对第6次评估报告的贡献——重点是减缓气候变化——预计将于2022年初。

长期以来,WG3一直使用仿真器来确定全球平均变暖对未来排放路径的响应综合评估模型(艾玛)。IPCC提交给分析的IAM场景的绝对数量——在AR5中超过1000个,在IPCC的AR5中超过4yabo亚博体育app下载00个关于1.5摄氏度的特别报道-必须使用有效的模型进行气候预测。这种数量的模拟在esm中是不可行的,特别是如果未来预测的全部不确定性范围是理想的。

AR6的一个主要进展是WG1在开发和测试模拟器方面与WG3在评估IAM通路方面的更紧密合作。WG1报告考虑了四个气候模型模拟器:

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

这四个是绝对不是唯一可用的但政府间气候变化专门委员会(IPCC)认为,这些国家有能力首先将各种不同的人为排放转化为温室气体浓度,然后再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。亚慱彩票APP

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。亚慱彩票APP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。

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空调如果电网不是零碳的,就会增加能源需求,从而增加排放,导致进一步变暖。模拟器将在esm和IAMs之间有效转换气候知识方面发挥关键作用。

模拟器可能在AR6中获得了突出的地位,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,它们对于更深入地研究气候变化的统计数据是必要的,特别是在极端天气对人类和自然生态系统都是毁灭性的。

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,它们可以开始明确地解决本地化过程——例如对流,云的行为循环洋流被称为涡流——并让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,我们可以利用这一尖端科学的好处,从模型中创建投影,既便宜又容易运行。亚慱彩票APP简单与复杂的结合是IPCC AR6报告的真正优势。

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