未來的氣候是怎樣模擬的？

李修倉

這幾年，氣候變化是街頭巷尾的熱門話題。比如，今年夏天為什么這么熱？或者，大半個(gè)冬天都過去了怎么還不見一場(chǎng)雪？科學(xué)家對(duì)于氣候變化及其產(chǎn)生的影響已經(jīng)有了深刻的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而迫切地要預(yù)測(cè)未來的氣候是怎么變化的，以采取得當(dāng)?shù)拇胧┍M可能地地趨利避害。

預(yù)估未來氣候變化的假設(shè)條件

過去科學(xué)家認(rèn)為有90%的可能性，全球暖化是由人類造成的，現(xiàn)在數(shù)值已經(jīng)提高到95%，幾乎確定就是人類造成地球“發(fā)燒”。政府間氣候變化專門委員會(huì)的報(bào)告假設(shè)，人類社會(huì)繼續(xù)排放溫室氣體，對(duì)減緩氣候變暖完全沒有作為，那么在2100年，最糟糕的情況是全球溫度會(huì)上升4.8℃。那我們就會(huì)想問，這個(gè)最糟糕的情況是怎么被預(yù)估出來的？

對(duì)氣候系統(tǒng)變化的預(yù)估是基于一系列氣候模式得出的，而氣候模式又是基于一系列人為強(qiáng)迫的情景來模擬氣候變化。典型濃度路徑（RCPs）是一套被用來進(jìn)行新的氣候模式模擬的新情景。RCPs即“對(duì)溫室氣體和顆粒物排放量、濃度隨時(shí)間變化的一致性預(yù)測(cè)，作為一個(gè)集合，它涵蓋廣泛的人為氣候強(qiáng)迫”。

RCPs有4種情景，對(duì)應(yīng)了不同溫室氣體濃度的假設(shè)，就相當(dāng)于未來社會(huì)發(fā)展下人類排放溫室氣體的諸多可能。RCP8.5代表了最高的典型濃度路徑，可以理解為溫室氣體高排放或加速排放的情景。RCP2.6代表了最低的典型濃度路徑，可理解為人們主動(dòng)控制溫室氣體排放并很快使之下降的情景。RCP6.0和RCP4.5則表示了兩種中間的可能情景。

全球變暖的事實(shí)和危害

由于全球變暖造成極端氣候?yàn)?zāi)害增多，已經(jīng)給我國(guó)帶來日益嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993年到2013年，極端氣候?yàn)?zāi)害造成人員死亡累計(jì)超過了9萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失超過了5萬億人民幣，而且這樣的趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。去年我國(guó)南方遭遇了高溫?zé)崂?，持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，高溫強(qiáng)度之大，是1951年有完整氣象紀(jì)錄以來最強(qiáng)的一次。

數(shù)學(xué)模型模擬未來氣候變化

我們都知道，氣候系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈、生物圈五個(gè)主要部分所組成的高度復(fù)雜的系統(tǒng)。內(nèi)部各圈層之間的相互影響涉及不同介質(zhì)和不同尺度間的相互作用和物質(zhì)交換；涉及其中的相變過程；涉及其中的物理和化學(xué)過程；涉及到不同尺度的反饋過程等。氣候系統(tǒng)隨時(shí)間演變的過程還要受到外部強(qiáng)迫的影響，如火山爆發(fā)、太陽黑子活動(dòng)等變化，以及人為強(qiáng)迫的影響，如不斷排放的溫室氣體和土地利用變化等。氣候模型就是可以模擬上述一系列物理化學(xué)過程的數(shù)學(xué)物理模型。

氣候模型太復(fù)雜了，以至于人力根本無法計(jì)算出它的結(jié)果。那么它又是怎么運(yùn)行和計(jì)算的呢？也許我們可以從一篇描述它的文章里看出一些端倪?！坝?guó)南部城市?？速愄氐霓k公大樓在三層玻璃窗戶的裝飾下，顯得富麗堂皇……這座大樓的地下室里，兩座毗鄰的房間內(nèi)安放著27個(gè)巨大的黑色箱子，它們連接著數(shù)百萬條線路，有關(guān)地球和60多億人的下一刻動(dòng)向通過電腦編碼的形式，傳輸?shù)竭@些黑色箱子里進(jìn)行處理……”這段描述出自一篇2010年發(fā)表于《世界博覽》雜志的文章中，文中的大樓正是英國(guó)國(guó)家氣象局辦公樓，而那些黑色箱子就是超級(jí)計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)，即將在這些計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的就是氣象局下屬的哈德里氣候變化研究中心研制而成的最新氣候模型—哈德里2號(hào)氣候模型。

氣候模型實(shí)際上就是這些計(jì)算機(jī)中運(yùn)算的一整套程序代碼。它利用物理、化學(xué)、流體力學(xué)等方程式，由實(shí)際觀測(cè)得到的氣候資料作為起始狀態(tài)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行積分和循環(huán)計(jì)算，最終在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)氣候變化的過程。這種由成千上萬行計(jì)算機(jī)代碼建立起來的氣候模擬系統(tǒng)，正在成為氣候科學(xué)的核心工具。

正是基于這些復(fù)雜的氣候模型加上超級(jí)計(jì)算機(jī)出色的計(jì)算速度，科學(xué)家證明了如果未來溫室氣體增加，全球變暖還將持續(xù)，并可能引發(fā)更多的氣候?yàn)?zāi)害，而是否持續(xù)變暖就取決于人類是否控制溫室氣體的排放。如果人類能夠采取強(qiáng)有力的措施減少溫室氣體排放，地球增溫的速率要平緩一些；反之，如果人們無約束地排放，按照目前或者比目前還要放肆排放溫室氣體，地球的升溫速率肯定要更高。

氣候模型是建立在氣候系統(tǒng)各部分的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)及其已認(rèn)識(shí)到的相互作用和反饋過程基礎(chǔ)上的。氣候系統(tǒng)模式的復(fù)雜性等同于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，準(zhǔn)確性取決于氣候系統(tǒng)數(shù)學(xué)表述的正確性，也就主要取決于人類對(duì)氣候系統(tǒng)各圈層物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)及其相互作用和反饋過程認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也受到數(shù)學(xué)表述方法是否有效和計(jì)算機(jī)能力等技術(shù)條件限制的影響。由于人類對(duì)復(fù)雜氣候系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和技術(shù)條件的局限性，目前的氣候模型距離完整地描述氣候系統(tǒng)還差很遠(yuǎn)。科學(xué)家也將始終圍繞更盡可能地減小模式的不確定性問題而不懈努力。對(duì)未來氣候的模擬，要依附于氣候科學(xué)甚至地球科學(xué)的發(fā)展和數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，必將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)工程。

（科學(xué)顧問/羅勇 責(zé)任編輯/李靜敏 劉陽）