氣候模型如何預測全球變暖?

氣候模型如何預測全球變暖?科學家們過去四十年來一直在使用日益複雜的氣候模型來預測未來的全球變暖。

這些由大氣物理和生物地球化學驅動的模型在我們對地球氣候的理解以及未來可能發生的變化方面發揮著重要作用。

Carbon Brief收集了自1973以來的重要氣候模型預測,以了解它們如何預測過去和未來的全球氣溫,如下面的動畫所示。 (單擊播放按鈕開始。)

雖然有些模型預測的變暖程度低於我們經歷的變暖,有些模型預測的變暖程度較高,但所有模型都表明1970和2016之間的表面溫度升高與實際發生的距離並不太遠,特別是考慮到假設未來排放的差異時。

過去的氣候模型如何表現?

雖然過去的氣候模型預測得益於對大氣溫室氣體濃度,火山爆發等的了解 輻射強迫 影響地球的氣候,向前邁進是可以理解的更不確定。 可以評估氣候模型的後發溫度和預測​​未來溫度的能力。

Hindcast - 測試過去溫度的模型 - 是有用的,因為它們可以控制輻射強迫。 預測很有用,因為模型不可行 含蓄地調整 與觀察相似。 氣候模型是 不適應歷史氣溫但是建模者確實有一些觀察知識可以 告知他們的選擇 of 模型參數,如雲物理和氣溶膠效應。

在下面的例子中,1973和2013之間公佈的氣候模型預測與觀測到的溫度進行了比較 五個不同的組織。 投影中使用的模型複雜程度不同,簡單 能量平衡模型 完全耦合 地球系統模型.

(注意,這些模型/觀察比較使用1970-1990的基線週期來在分析的早期階段對齊觀察和模型,其顯示溫度如何隨著時間的推移更加清晰地演變。)

Sawyer,1973

未來變暖的第一個預測之一來自 約翰索耶 在1973的英國氣象局。 在一個 論文發表在Nature上 在1973中,他假設世界將在0.6和1969之間加熱2000C,並且大氣CO2將增加25%。 索耶爭辯說 氣候敏感性 - 每增加一倍的大氣CO2水平會產生多少長期變暖--2.4C,距離 最佳估計 政府間氣候變化專門委員會(IPCC)今天使用的3C。

與本文中檢查的其他預測不同,Sawyer沒有提供每年估計的變暖,只是預期的2000值。 他對0.6C的升溫估計幾乎是現場 - 在此期間觀察到的變暖是在0.51C和0.56C之間。 他過高估計了2000的大氣CO2濃度,但假設它們是375-400ppm - 與實際相比 370ppm的值.

Broecker,1975

由於全球變暖導致的未來溫度的首次預測出現在 文章 科學 在哥倫比亞大學科學家出版的1975中 Wally Broecker教授。 布萊克使用了一個 簡單的能量平衡模型 如果在2之後大氣CO1975繼續快速增加,估計地球溫度會發生什麼變化。 幾十年來,布勒克預測的變暖與觀測結果相當接近,但最近卻相當高。

這主要是因為Broecker過高估計CO2排放和大氣濃度在他的文章發表後會增加。 他對2000相當準確,預測CO373的2ppm - 與實際的Mauna Loa 370ppm觀測結果相比。 然而,在2016中,他估計CO2將是424ppm,而 僅觀察到404 pm.

布魯克也沒有在他的模型中考慮其他溫室氣體。 但是,由於變暖的影響 甲烷, 笑氣鹵代烴 很大程度上取消了氣溶膠的整體冷卻影響 從1970開始,這並沒有產生那麼大的差異(雖然估計氣溶膠強迫 有很大的不確定性).

與Sawyer一樣,Broecker每增加一倍CO2.4就使用2C的平衡氣候敏感度。 布勒克認為地球瞬間變暖以匹配大氣CO2,而現代模型則解釋了大氣和海洋升溫的速度之間的滯後。 (海洋吸收的熱量較慢通常被稱為“熱慣性“氣候系統。”

您可以在下圖中看到他的投影(黑線)與觀察到的溫度上升(彩色線)相比較。

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Broecker 1975(粗黑線)的預測變暖與來自觀測溫度的記錄相比 美國航空航天局, 諾阿, HadCRUT, Cowtan和Way伯克利地球 (細彩色線條)從1970到2020。 1970-1990的基線期。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

在科學家廣泛認為觀察結果的時候,布魯克做出了他的預測 顯示適度的冷卻 地球的。 他通過有先見之明地開始撰寫文章“可以證明,目前的冷卻趨勢將在十年左右的時間內讓位於二氧化碳引起的明顯變暖”。

Hansen等,1981

美國航空航天局的 詹姆斯漢森博士 和同事們 發表了一篇論文 在1981中,也使用簡單的能量平衡模型來預測未來的變暖,但是由於海洋熱量的吸收導致了熱慣性。 他們假設每增加一倍CO2.8,氣候敏感度為2C,但每次加倍也會看到1.4-5.6C的範圍。

來自Hansen等人1981的預測變暖(快速生長 - 粗黑線 - 和慢生長 - 細灰線)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

Hansen及其同事提出了許多不同的情景,不同的未來排放和氣候敏感性。 在上面的圖表中,您可以看到“快速增長”情景(粗黑線),其中CO2排放量在4之後每年增加1981%,以及緩慢增長的情景,其中排放量每年增加2%(細灰線) )。 快速增長的情景有點高估了當前的排放量,但當結合略低的氣候敏感性時,它提供了對早期2000升溫接近觀測值的估計。

在快速增長情景中,Hansen等人在1970中預測的2016和1981之間的整體變暖速率比觀察值低約20%。

Hansen等,1988

論文發表 由Hansen及其同事在1988中代表了最早的現代氣候模型之一。 它將世界劃分為經度為10度的八度緯度的離散網格單元,具有九個垂直層的大氣層。 它包括氣溶膠,CO2以外的各種溫室氣體和基本的雲動力學。

Hansen等人提出了與未來不同溫室氣體排放相關的三種不同情景。 場景B在下面的圖表中顯示為粗黑線,而場景A和C由細灰線顯示。 情景A的排放量呈指數增長,CO2和其他溫室氣體濃度大大高於今天。

來自Hansen等人1988的預測變暖(情景B-粗黑線 - 和情景A和C-薄實心和灰色虛線)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

情景B假設CO2排放逐漸減緩,但濃度為 401中的2016ppm 那是非常接近的 觀察到404ppm。 然而,情景B假設各種鹵代烴的排放量持續增長,這些鹵代烴是強大的溫室氣體,但後來受到限制 蒙特利爾協議 1987 在2000年之後,情景C的排放量接近於零。

在這三個中,情景B最接近實際的輻射強迫,儘管如此 關於10%太高了。 Hansen等人在大多數現代氣候模型的高端使用了CO4.2氣候敏感度為2C的模型。 由於這些因素的綜合,情景B預測1970和2016之間的變暖速率比觀察到的高約30%。

IPCC第一次評估報告,1990

IPCC的 第一份評估報告 (FAR)在1990中展示了相對簡單的能量平衡/上升流擴散海洋模型,以估算全球氣溫的變化。 他們的特色常規(BAU)情景假設大氣CO2快速增長,在418中達到2ppm CO2016,與觀測中的404ppm相比。 FAR還假設大氣中鹵化碳濃度的持續增長比實際發生的要快得多。

FAR給出了氣候敏感性的最佳估計值,因為2.5C變暖了CO2加倍,1.5-4.5C系列。 這些估計值適用於下圖中的BAU情景,黑色粗線表示最佳估計值,黑色細線表示氣候敏感度範圍的高端和低端。

IPCC第一次評估報告預測的變暖(平均投影 - 粗黑線,上邊界和下邊界由細點黑線表示)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

儘管氣候敏感度的最佳估計值比目前使用的3C低一些,但FAR高估了1970和2016之間的變暖率,其BAU情景中的17%大約為1%,顯示0.85C在此期間變暖,而2C觀察到的變暖。 這主要是由於預測的COXNUMX濃度高於實際發生的濃度。

IPCC第二次評估報告,1995

IPCC的 第二次評估報告 (SAR)僅發布了1990以後的現成預測。 他們使用了2.5C的氣候敏感度,其範圍為1.5-4.5C。 他們的中程排放情景“IS92a”預計2中的CO405水平為2016ppm,幾乎與觀察到的濃度相同。 SAR還包括更好的人類氣溶膠處理,這些氣溶膠對氣候有降溫作用。
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 IPCC第二次評估報告中預測的變暖(平均投影 - 粗黑線,上邊界和下邊界由細點黑線表示)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

正如你在上面的圖表中看到的那樣,SAR的預測結果明顯低於觀測結果,從28到1990期間,2016%的增長速度更慢。 這可能是由於兩個因素的綜合作用:氣候敏感度低於現代估計值(2.5C vs. 3C)和高估 CO2的輻射強迫 (每平方米4.37瓦特與後續IPCC報告中使用的3.7相比,今天仍在使用)。

IPCC第三次評估報告,2001

IPCC 第三次評估報告 (TAR)依賴來自七個不同模型組的大氣 - 海洋一般循環模型(GCM)。 他們還引入了一套新的社會經濟排放情景,稱為 SRES,其中包括四種不同的未來排放軌跡。

在這裡,Carbon Brief檢查了 A2場景雖然所有排放量和升溫軌跡都相當於2020。 A2情景預測2016大氣CO2濃度為406 ppm,幾乎與觀察到的相同。 SRES情景來自2000,2000之前的模型使用估計的歷史強迫。 上圖中的灰色虛線表示模型從使用觀察到的排放和濃度過渡到預計的未來排放的點。

IPCC第三次評估報告的預測變暖(平均投影 - 粗黑線,上邊界和下邊界由細點黑線表示)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

TAR的標題投影使用了一個簡單的氣候模型,該模型被配置為匹配七個更複雜的GCM的平均輸出,因為在TAR中沒有發布特定的多模型平均值,並且個別模型運行的數據不容易獲得。 它的氣候敏感度為每增加一倍CO2.8 2C,其範圍為1.5-4.5C。 如上圖所示,TAR中1970和2016之間的變暖速率比實際觀察到的低約14%。

IPCC第四次評估報告,2007

IPCC的 第四次評估報告 (AR4)的特色模型具有顯著改善的大氣動力學和模型分辨率。 它更多地利用了地球系統模型 - 它結合了碳循環的生物地球化學 - 以及改進的地表和冰過程模擬。

AR4使用與TAR相同的SRES情景,歷史排放量和大氣濃度達到2000年度和之後的預測。 AR4中使用的模型的平均氣候敏感度為3.26C,範圍為2.1C至4.4C。

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IPCC第四次評估報告中的預測變暖(平均投影 - 粗黑線,由淺點黑線表示的兩西格瑪上下界)。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

上圖顯示了A1B場景的模型運行(這是模型運行隨時可用的唯一場景,儘管其2016 CO2濃度幾乎與A2場景的濃度相同)。 4和1970之間的AR2016預測顯示變暖非常接近觀測值,僅高出8%。

IPCC第五次評估報告,2013

最新的IPCC報告 - 第五次評估 (AR5) - 對氣候模型進行了額外的改進,與AR4相比,未來模型的不確定性略有下降。 IPCC最新報告中的氣候模型是該報告的一部分 耦合模型比對項目5 (CMIP5),全世界數十個不同的建模組使用相同的輸入和場景來運行氣候模型。

IPCC第五次評估報告中預測的變暖(平均投影 - 粗黑線,由淺點黑線表示的兩西格瑪上下界)。 虛線黑線顯示混合模型字段。 圖表由Carbon Brief使用 Highcharts.

AR5推出了一套新的未來溫室氣體濃度方案,稱為 代表濃度通路 (垃圾收集站)。 這些都有來自2006的未來預測,以及2006之前的歷史數據。 上圖中的灰色虛線表示模型從使用觀察到的強迫轉變為預測的未來強迫的位置。

將這些模型與觀察結果進行比較可以是a 有點棘手的運動。 氣候模型中最常用的領域是全球地面氣溫。 然而,觀測到的溫度來自海面上的陸地和海面溫度的表面氣溫。

為了解釋這一點,最近,研究人員創建了混合模型領域,其中包括海洋上的海面溫度和陸地上的地面氣溫,以便與觀測中實際測量的內容相匹配。 這些混合油田,如上圖中的虛線所示,顯示出比全球表面氣溫略低的變暖,因為近年來模型使海洋上空的空氣變暖速度快於海面溫度。

CMIP5模型中的全球表面氣溫比16以來的觀測值快了大約1970%。 關於40%這種差異是由於海洋上空的氣溫升溫速度快於模型中的海面溫度; 混合模型字段僅顯示比觀察速度快9%的溫度。

A 最近在自然界的論文 by Iselin Medhaug 和同事們提出,其餘的分歧可以通過短期自然變率(主要在太平洋),小火山和低於預期的太陽能輸出的組合來解釋,這些太陽能輸出未包括在其後的模型中2005預測。

以下是Carbon Brief所研究的所有型號的摘要。 下表顯示了每個型號或一組型號之間變暖速率的差異 美國航空航天局的 溫度觀測。 所有的觀測溫度記錄都非常相似,但NASA是近年來包括更完整的全球覆蓋範圍的群體之一,因此可以更直接地與氣候模型數據進行比較。

氣候

* SAR趨勢差異是在1990-2016期間計算的,因為1990之前的估算值不易獲得。
#基於混合模型陸地/海洋領域的括號差異

結論

自1973以來發布的氣候模型在預測未來變暖方面通常非常熟練。 雖然有些太低而有些太高,但它們都顯示出與實際發生的結果相當接近的結果,特別是考慮到預測和實際CO2濃度與其他氣候強迫之間的差異。

模型遠非完美,並將隨著時間的推移不斷改進。 他們還表現出相當大的未來變暖 不能輕易縮小 僅使用我們觀察到的氣候變化。

儘管如此,自1970以來預測和觀測到的變暖之間的緊密匹配表明未來變暖的估計可能同樣準確。

方法論說明

環境科學家 Dana Nuccitelli 有用地提供了過去的模型/觀察比較列表 這裡。 “ PlotDigitizer軟件 當數據無法獲得時,用於獲取舊數字的值。 CMIP3和CMIP5模型數據來自 KNMI氣候探​​索者.

這篇文章最初出現在 Carbon Brief

關於作者

Zeke Hausfather以美國為重點,涵蓋氣候科學和能源研究。 Zeke擁有耶魯大學和阿姆斯特丹自由大學的環境科學碩士學位,並正在加州大學伯克利分校獲得氣候科學博士學位。 他在過去的10工作期間曾擔任清潔技術領域的數據科學家和企業家。

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