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，大半個冬天都過去了怎么還不見一場雪？科學家對于氣候變化及其產生的影響已經有了深刻的認識，進而迫切地要預測未來的氣候是怎么變化的，以采取得當的措施盡可能地地趨利避害。

預估未來氣候變化的假設條件

過去科學家認為有90%的可能性，全球暖化是由人類造成的，現在數值已經提高到95%，幾乎確定就是人類造成地球“發燒”。政府間氣候變化專門委員會的報告假設，人類社會繼續排放溫室氣體，對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上升4.8℃。那我們就會想問，這個最糟糕的情況是怎么被預估出來的？

對氣候系統變化的預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）是一套被用來進行新的氣候模式模擬的新情景。RCPs即“對溫室氣體和顆粒物排放量、濃度隨時間變化的一致性預測，作為一個集合，它涵蓋廣泛的人為氣候強迫”。

RCPs有4種情景，對應了不同溫室氣體濃度的假設，就相當于未來社會發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。

全球變暖的事實和危害

由于全球變暖造成極端氣候災害增多，已經給我國帶來日益嚴重的人員傷亡和財產損失。根據統計，1993年到2013年，極端氣候災害造成人員死亡累計超過了9萬人，直接經濟損失超過了5萬億人民幣，而且這樣的趨勢還會持續下去。去年我國南方遭遇了高溫熱浪，持續時間之長，高溫強度之大，是1951年有完整氣象紀錄以來最強的一次。

數學模型模擬未來氣候變化

我們都知道，氣候系統是由大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈、生物圈五個主要部分所組成的高度復雜的系統。內部各圈層之間的相互影響涉及不同介質和不同尺度間的相互作用和物質交換；涉及其中的相變過程；涉及其中的物理和化學過程；涉及到不同尺度的反饋過程等。氣候系統隨時間演變的過程還要受到外部強迫的影響，如火山爆發、太陽黑子活動等變化，以及人為強迫的影響，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過程的數學物理模型。

氣候模型太復雜了，以至于人力根本無法計算出它的結果。那么它又是怎么運行和計算的呢？也許我們可以從一篇描述它的文章里看出一些端倪。“英國南部城市埃克賽特的辦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，兩座毗鄰的房間內安放著27個巨大的黑色箱子，它們連接著數百萬條線路，有關地球和60多億人的下一刻動向通過電腦編碼的形式，傳輸到這些黑色箱子里進行處理……”這段描述出自一篇2010年發表于《世界博覽》雜志的文章中，文中的大樓正是英國國家氣象局辦公樓，而那些黑色箱子就是超級計算機。當時，即將在這些計算機中運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號氣候模型。

氣候模型實際上就是這些計算機中運算的一整套程序代碼。它利用物理、化學、流體力學等方程式，由實際觀測得到的氣候資料作為起始狀態驅動模型進行積分和循環計算，最終在計算機上再現氣候變化的過程。這種由成千上萬行計算機代碼建立起來的氣候模擬系統，正在成為氣候科學的核心工具。

正是基于這些復雜的氣候模型加上超級計算機出色的計算速度，科學家證明了如果未來溫室氣體增加，全球變暖還將持續，并可能引發更多的氣候災害，而是否持續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各部分的物理、化學和生物學性質及其已認識到的相互作用和反饋過程基礎上的。氣候系統模式的復雜性等同于氣候系統的復雜性，準確性取決于氣候系統數學表述的正確性，也就主要取決于人類對氣候系統各圈層物理、化學和生物學性質及其相互作用和反饋過程認識的準確性，同時也受到數學表述方法是否有效和計算機能力等技術條件限制的影響。由于人類對復雜氣候系統認識和技術條件的局限性，目前的氣候模型距離完整地描述氣候系統還差很遠。科學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。對未來氣候的模擬，要依附于氣候科學甚至地球科學的發展和數學及計算機等現代技術的發展，必將是一項長期的復雜的系統科學工程。

（科學顧問/羅勇 責任編輯/李靜敏 劉陽）