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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？23 气候模型

研究气候变化的原因，把气候变化与所观察到的外部因素联系起来的工作，叫做归因。要说明两个事物之间的因果关系，不能简单地看两者分别的变化趋势，一定程度的可信度是必须的，这个可信程度直接关系到归因的可靠性。进行归因研究的时候，最好要有控制条件下的气候系统的实验数据，这样才可以实现确凿无疑的归因。很可惜，基本上没有办法实现这个条件。于是就只能用其他方法替代。在实践上，确定人类对气候的影响，使用的方法，是考察所观测到的气候变化，是与考虑了人类行为与自然行为两个因素之后所估计的变化相一致呢，还是与其他的，扣除了某些重要的影响因素以后的解释更相符合。要建立这样的一致性，就需要估计某个可能的原因所引起的变化，然后与实际的变化进行比较，看两者之间在统计学意义上是否一致。归因研究的另一个方面，是判断一个特定的外部原因是否与其他的原因相比对某个现象起到更加重要的作用，判定其是否可能是主要的影响因素。

最近二十年，人们对气候变化的原因的研究，发展也是很快的。由于相关研究开展的有限，在1990年IPCC发布第一次报告FAR里面，能够认定的人类对气候产生影响的直接证据还非常有限。到了1996年第二次报告SAR的时候，研究这就已经发现了可以辨别的人类活动对气候的影响，但是这仅仅是一个定性研究，当时的研究水平还达不到定量的水平，自然也就无法与自然因素进行可靠比较。到2001年TAR的时候，有关人类活动对气候影响的相关证据已经越来越多，随着相关研究方法的发展，已经有了对人类对气候的影响做定量分析的尝试。也就是在这个时候开始，研究人员才有可能对不同的强迫因素的影响进行单独研究，判断哪个因素是可能的关键因素。对于单独的气候现象，也有可能来分析人类活动是不是造成了影响，什么程度的影响，是否是主要因素。在这些技术进步之下，TAR给出的结论，是“在考虑了新的证据，考虑了其余的不确定性的基础上，绝大多数的在20世纪的最后50年所观测到的变暖现象，可能是温室气体浓度增加导致的。”

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辐射强迫

辐射强迫是影响气候变化的外部因素。AR4研究的辐射强迫，是各个因素与1750年或者说工业化之前相比的变化，用来分析工业化以来的各种影响气候因素的变化情况。这里面，既有单纯的自然的因素，也有人类活动造成的影响。总结一下，人类活动所造成的影响的综合，是+1.6W/m2的强迫，变暖方向，如果取90%的置信区间，是+0.6到+2.4 W/m2之间。虽然这个数字的覆盖范围仍然很大，但是已经可以说，在这段历史时期里面，非常可能人类活动已经对全球气候施加了一个不可忽视的影响。这里面，变暖方向的影响主要来自温室气体，几种温室气体综合贡献了+2.9+-0.3W/m2。由于对温室气体的辐射强迫估算有比较充分的数据支撑，这个数字的不确定性较好。人类活动带来的变冷方面的影响主要来自气溶胶，这方面的了解承认仍然有限，AR4的估计是-1.3W/m2，90%的置信范围是-2.2W/m2到-0.5W/m2，变化区间很大。而与此同时，观察到的太阳辐射变化带来的辐射强迫，仅有+0.12W/m2，90%置信区间是+0.06W/m2到+0.3 W/m2，这个数值大大低于TAR时候的估计。此外，另外一个对气候产生影响的自然因素，火山喷发，基本上会带来变冷方向的辐射强迫，具体数值无法估计。总的来说，在这一段历史时间里面，自然因素对气候产生的变暖方向的影响，与人类活动产生的同样的影响比起来，是要小的。不过各个单独的辐射强迫之间是不能直接进行加减的，不同因素但是同样数值的辐射强迫，对气候也会有不同程度的影响，单纯地将各个因素的影响加起来，也并不一定就可以得到综合影响。这方面还是比较复杂的。

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辐射强迫的空间分布

辐射强迫是有立体分布的，同一个辐射因素，由于其产生的机理不同，在不同的纬度、海拔，都会有不同的辐射强迫，一些因素在不同的时间、季节也有不同的辐射表现，所以辐射强迫存在一个空间和时间的分布。这个空间和时间的分布就会导致不同的辐射特征，也对研究者分辨不同辐射因素的影响提供了方便。对于单独的辐射因素的空间分布已经有了研究，可以见上面的图。这些图显示的是不同的纬度和大气高度几个主要辐射强迫因素的强迫分布情况。A图是太阳辐射的空间分布，B图是火山喷发造成的辐射强迫分布，这两个就是主要的自然原因的辐射强迫。可以看出来在不同的空间上，有的造成一个弱的变暖方向的辐射强迫，有的造成了一个弱的变冷方向的辐射强迫。对于太阳辐射影响来讲，在北极接近表面地区有一个很强的变暖的辐射强迫。C图是温室气体综合的辐射强迫的空间分布，可以看到这个分布与太阳和火山的辐射强迫分布还是有明显区别的。D图是对流层和平流层臭氧的变化带来的辐射强迫空间分布，E图是硫酸盐气溶胶的空间分布。最后一个F图是所有辐射强迫综合的空间分布。太阳辐射变化带来的辐射强迫具有一个很强烈的时间分布。太阳黑子活动的11年周期就是这个时间分布的强烈表现。由于在11年期间，太阳辐射的变化很大，这样，其他频率较低的变化就很容易比这个强烈的信号掩盖，增加了不确定性。其他受到时间影响的，还有火山爆发带来的辐射强迫，一般来讲火山喷发会在短时间内带来一个很大的变冷方向的辐射强迫，持续数月或者一两年，随后逐渐消失。对于人类工业活动所排放的气溶胶，也有一个时间影响问题。这些辐射强迫的时间分布也会给辐射强迫研究带来不小的不确定性。不过这些不同的辐射因素的不同的时间、空间分布特征，对于研究者把这些因素的影响区分开来也提供了方便。

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各个不同辐射强迫的时间分布

上图：整个大气。下图：地表

要分析模型结果的不确定性，这些辐射强迫的不确定性自然就是首先要考虑的问题。对辐射强迫的估算有两类方法，一个是正向的，就是收集所有该因素的数据，来计算该因素所带来的影响。在计算温室气体带来的辐射强迫的时候，采用的就是这个方法，计算太阳辐射强迫、臭氧的影响等等，使用的也是这个方法。理想的状态自然是所有的因素都能这样分析，因为这种正向的方法相对准确，带来的不确定性较小。但是实际上很多数据收集困难，很多影响的物理模型仍然不清楚，所以就有了另一类估算辐射强迫的方法，反向方法。对于气溶胶的辐射强迫的估算，有很多研究都使用了反向方法，具体说就是为了实现模型的最佳拟合来估算气溶胶的辐射强迫。这个方法当然就带来更大的不确定性，也会有很多因素被涵盖其中，不好区分，在使用的时候就需要非常小心。到AR4的时候，正向和反向对气溶胶带来的辐射强迫的估算都已经有了进展，正向的结果就是前文提到的-0.5W/m2到-2.2W/m2的90%置信范围，反向的结果是-0.1W/m2到-1.7W/2，两个方法得到的结果的重合程度还是可以接受的。基本上到AR4的时候，重要的外部影响因素的不确定性都实现了定量描述，对于理解整体模型的不确定性提供了很大方便。

很显然由于气候系统的复杂性，模型在这个研究中起到了很重要的作用。既然使用模型进行归因研究，那么就必须考察模型的不确定性，了解模型的误差范围，因为这直接关系到归因的可信度是什么样子的。在研究模型的不确定性的时候，理想状态是要了解所有参数的不确定性，并对物理过程本身有精确了解，从而推导出模型的不确定性。但是目前的水平还无法做到这一点，所以这种精确的评价模型不确定性的方法就无法使用。辐射强迫是模型本身重要的输入数据，上面讲了，辐射强迫的不确定性仍然很高，这些强迫的不确定性必然会给模型模拟结果的不确定性带来影响。这种影响AR4的时候仍然很难进行评估。但是仍然需要给模型的不确定性一个相对可信的描述，所以AR4时候采取的做法是通过对不同模型的评估、比较，从模型模拟的结果来了解模型的不确定性。在实践上，使用不同历史数据的不同模型也的确可以展示这些不确定性。由于这些不确定性的存在，以及可能的其他的导致不确定性的原因，在进行归因的时候，仍然需要进行主观的干预，由相关领域的专家来对评价的结果进行校正。AR4里面使用的校正方法，是总结使用不同的观测数据、不同辐射强度、不同分析方法、不同模型而得到的多方面的结果。比如多个研究结果的一致性的程度，与所观察得到的结果的符合程度，以及与其他各种证据的符合程度等等，甚至包括对相关不确定性的了解，是否有其他可能的解释等等，都需要综合考虑，来对某个或者某些因素对气候的影响的可能性进行判断。

基本上可以说，AR4时候的归因研究，仍然有很大的不确定性。不过对于辐射强迫因素，基本上这个不确定性都已经可以进行定量分析，对于研究者了解不确定性给结果带来的影响提供了依据。通过对这些不确定性的分析，AR4认为已经在人类对气候影响的问题上可以得出信度比较高的结论。

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？25 古气候归因

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