未来的气候是怎样模拟的?

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这几年,气候变化是街头巷尾的热门话题。比如,今年夏天为什么这么热?或者,大半个冬天都过去了怎么还不见一场雪?科学家对于气候变化及其产生的影响已经有了深刻的认识,进而迫切地要预测未来的气候是怎么变化的,以采取得当的措施尽可能地地趋利避害。
  预估未来气候变化的假设条件
  过去科学家认为有90%的可能性,全球暖化是由人类造成的,现在数值已经提高到95%,几乎确定就是人类造成地球“发烧”。政府间气候变化专门委员会的报告假设,人类社会继续排放温室气体,对减缓气候变暖完全没有作为,那么在2100年,最糟糕的情况是全球温度会上升4.8℃。那我们就会想问,这个最糟糕的情况是怎么被预估出来的?
  对气候系统变化的预估是基于一系列气候模式得出的,而气候模式又是基于一系列人为强迫的情景来模拟气候变化。典型浓度路径(RCPs)是一套被用来进行新的气候模式模拟的新情景。RCPs即“对温室气体和颗粒物排放量、浓度随时间变化的一致性预测,作为一个集合,它涵盖广泛的人为气候强迫”。
  RCPs有4种情景,对应了不同温室气体浓度的假设,就相当于未来社会发展下人类排放温室气体的诸多可能。RCP8.5代表了最高的典型浓度路径,可以理解为温室气体高排放或加速排放的情景。RCP2.6代表了最低的典型浓度路径,可理解为人们主动控制温室气体排放并很快使之下降的情景。RCP6.0和RCP4.5则表示了两种中间的可能情景。
  全球变暖的事实和危害
  由于全球变暖造成极端气候灾害增多,已经给我国带来日益严重的人员伤亡和财产损失。根据统计,1993年到2013年,极端气候灾害造成人员死亡累计超过了9万人,直接经济损失超过了5万亿人民币,而且这样的趋势还会持续下去。去年我国南方遭遇了高温热浪,持续时间之长,高温强度之大,是1951年有完整气象纪录以来最强的一次。
  数学模型模拟未来气候变化
  我们都知道,气候系统是由大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈五个主要部分所组成的高度复杂的系统。内部各圈层之间的相互影响涉及不同介质和不同尺度间的相互作用和物质交换;涉及其中的相变过程;涉及其中的物理和化学过程;涉及到不同尺度的反馈过程等。气候系统随时间演变的过程还要受到外部强迫的影响,如火山爆发、太阳黑子活动等变化,以及人为强迫的影响,如不断排放的温室气体和土地利用变化等。气候模型就是可以模拟上述一系列物理化学过程的数学物理模型。
  气候模型太复杂了,以至于人力根本无法计算出它的结果。那么它又是怎么运行和计算的呢?也许我们可以从一篇描述它的文章里看出一些端倪。“英国南部城市埃克赛特的办公大楼在三层玻璃窗户的装饰下,显得富丽堂皇……这座大楼的地下室里,两座毗邻的房间内安放着27个巨大的黑色箱子,它们连接着数百万条线路,有关地球和60多亿人的下一刻动向通过电脑编码的形式,传输到这些黑色箱子里进行处理……”这段描述出自一篇2010年发表于《世界博览》杂志的文章中,文中的大楼正是英国国家气象局办公楼,而那些黑色箱子就是超级计算机。当时,即将在这些计算机中运行的就是气象局下属的哈德里气候变化研究中心研制而成的最新气候模型—哈德里2号气候模型。
  气候模型实际上就是这些计算机中运算的一整套程序代码。它利用物理、化学、流体力学等方程式,由实际观测得到的气候资料作为起始状态驱动模型进行积分和循环计算,最终在计算机上再现气候变化的过程。这种由成千上万行计算机代码建立起来的气候模拟系统,正在成为气候科学的核心工具。
  正是基于这些复杂的气候模型加上超级计算机出色的计算速度,科学家证明了如果未来温室气体增加,全球变暖还将持续,并可能引发更多的气候灾害,而是否持续变暖就取决于人类是否控制温室气体的排放。如果人类能够采取强有力的措施减少温室气体排放,地球增温的速率要平缓一些;反之,如果人们无约束地排放,按照目前或者比目前还要放肆排放温室气体,地球的升温速率肯定要更高。
  气候模型是建立在气候系统各部分的物理、化学和生物学性质及其已认识到的相互作用和反馈过程基础上的。气候系统模式的复杂性等同于气候系统的复杂性,准确性取决于气候系统数学表述的正确性,也就主要取决于人类对气候系统各圈层物理、化学和生物学性质及其相互作用和反馈过程认识的准确性,同时也受到数学表述方法是否有效和计算机能力等技术条件限制的影响。由于人类对复杂气候系统认识和技术条件的局限性,目前的气候模型距离完整地描述气候系统还差很远。科学家也将始终围绕更尽可能地减小模式的不确定性问题而不懈努力。对未来气候的模拟,要依附于气候科学甚至地球科学的发展和数学及计算机等现代技术的发展,必将是一项长期的复杂的系统科学工程。
  (科学顾问/罗勇 责任编辑/李静敏 刘阳)
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