主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？23 气候模型 -- 橡树村

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？25 古气候归因

现在已经有很多对20世纪气候的模拟。下图显示了关于全球平均气温的一些模拟情况。图里面的黑线是仪器测量的结果，黄细线和浅蓝色细线是不同的模拟的结果，粗红线和粗蓝线是这些模拟的平均值。图a表示的是同时考虑了人类活动影响和自然因素变化以后的模拟结果，图b是只考虑自然因素时候的模拟结果。可以看到图a中的模拟基本上可以反映1960年以后的全球平均温度上升趋势，而图b中只考虑自然因素的时候，能够观察到一个降温的过程，与实际观测只有明显的偏离。得到这个结果的模型考虑了前面分析过的主要的辐射强迫因素，不过有一些模型考虑的因素并不够全面，比如一些模型没有考虑炭黑气溶胶的影响，没有考虑植被分布的影响等等。尽管仍然有不确定性，但是这个图已经可以很清晰的显示，对于全球平均气温这个指标，只有在考虑了人类活动的影响之后才可以解释20世纪末期的升温。这个图还可以显示，在几十年的时间尺度上，全球平均温度明显受到外部辐射强迫的控制。此外模型也都可以反映出了火山喷发导致的变冷这一重要的气候变化。不过，在更小的时间尺度上，比如年际的尺度上，模型还不能反映出足够的变化，特别是不同模型之间在年际变化方便的不确定性非常高。

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对20世纪全球平均气温的模拟

不仅仅全球平均气温的变化强烈提示人类活动对全球气候造成了很大影响，对于不同地域的气候模拟也显示了同样的趋势。下图显示了地球各个区域的观察到的气温（最上一行），同时考虑人类活动和自然因素所模拟到的各个区域的气温变化（第二行），仅考虑自然因素的模拟结果（第三行）。前三行图里面，红色表示升温，蓝色表示降温。第四行显示的是不同纬度的平均变化情况，黑线是观测值，红色带是同时考虑人类活动和自然因素以后的模拟结果，蓝色带式仅考虑自然因素以后的模拟结果，范围显示90%置信区间。左边是对1901年到2005年之间的变化的模拟，右边是对1979年到2005年变化的模拟。实测结果显示除了北美东南角、北大西洋北部，非洲、南美的一些局部地区等地区，在整个20世纪全球变暖是非常普遍的。在模型仅仅使用自然因素进行模拟的时候，观察到的是除了很少几个区域以外的略微变冷趋势。而在模型同时考虑人类活动的影响以及自然因素的时候，在大尺度范围上，模型基本上可以模拟到大多数地区的温度变化趋势。在1979年到2005年期间，也可以看出考虑了人类活动因素之后的模拟要更加接近观测到的结果。虽然模型仍然有不确定性，在模拟一些区域的时候仍然有偏差，甚至得出相反的结论，说明模型的不确定性仍然有很大的改进空间，但是至少，人类影响与自然因素产生的影响已经可以很明显的分离开来。通过这些研究可以至少得出这样的结论：非常可能造成20世纪晚期全球气温上升的主要因素是人类活动影响，而不是单纯的自然因素影响。

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各个区域的气温变化

对于20世纪前半期的模拟，当同时考虑了人类活动因素和自然因素以后，模拟的结果看起来要比单纯考虑自然因素的略好一些，但是并不明显。究竟哪个因素起到主要作用，不同的研究者也有不同的结论，有的研究者认为这段时期太阳辐射的变化是气候变化的主导，有的认为火山爆发起到重要作用。1950到1970年间的变冷自然引起了研究者的兴趣，不过到AR4的时候还没有很清晰的结论。有的研究者发现这一时期排放的硫酸盐气溶胶相对温室气体可能起到更大的作用，大约可以解释这个时期的全球变冷趋势，另有研究者认为在模型中考虑了炭黑气溶胶的因素之后，才可能在模型中得到具有统计学意义的结果。对于一些区域的模拟显示，可以显示这些区域在20世纪中期的变冷，这里面生物质燃烧引起的炭黑气溶胶很可能起到重要作用。由于对碳黑气溶胶的重视是比较晚的事情，相关研究还很少，在AR4的时候，这个问题还没有明确的结论。

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不同因素对气温变化的影响

也可以专门研究单一的因素对气候的影响。上图显示的是几个模型的研究结果，红色是温室气体的影响，绿色是人类其他活动的影响，蓝色是自然因素的影响。图b是三个模型估计的20世纪，从1900年到1999年这三个不同因素对全球平均气温的影响，图c显示的是20世纪后半段，1950年到1999年这三个因素对全球平均气温的影响。这里面可以看出虽然不同模型之间对于不同因素的贡献的估计仍然有很大不确定性，但是在考虑了这些不确定性之后，温室气体的升温作用仍然很明显，20世纪后半期自然因素的降温作用非常明显，人类活动带来的升温效果也大于降温效果。

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次大陆尺度的气温变化

在大陆尺度，次大陆尺度上，现在模型也可以进行归因研究。上图展示的是对各个次大陆的平均气温进行的模拟，黑色线仍然是观察到的数据，红色带是考虑了人类和自然因素以后的模拟结果，蓝色带是只考虑自然因素的模拟结果。左下角的三个图分别是全球平均GLO，陆地平均LAN和海洋平均OCE。可以看到在大多数次大陆，都可以很清楚地两种不同的模拟得到的结果在20世纪后半期的区别，不过次大陆尺度展示的信号明显部大陆尺度的清晰。各个大陆的模拟见下图。有不同研究者研究了更小地理尺度范围的情况，在更小的地理尺度范围，信号的不确定性更大，有的时候能够分离人为和自然因素的区别，不过很多时候还是不能明显区分，显示了相关研究方法的不足。

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大陆尺度的气温变化

按照人们对气候的理解，气候变暖之后，预期会发生气候变化的极端事件。人们自然就会联想，这些极端事件与全球气候变化是否有关系。要回答这个问题还是很难的。要知道在一个稳定的气候环境里面，极端事件都是经常发生的，所以把某个极端事件归因于气候变化，是非常困难的，甚至有可能完全做不到。另外，造成一个极端事件发生的因素非常多，给评价本身也带来复杂性。2003年欧洲的夏季非常炎热，下图是对1864年到2003年瑞士夏季极端气温的统计。各个竖条是137年间的各年夏季平均温度，其中最热的是2003年，达到了22摄氏度，用红色竖条表示。其他年份里面，最冷的是1909年，最热的是1947年。可以看到2003年的夏季平均气温高出了仪器记录以来的最高值不少。拟合的高斯分布用绿色曲线表示。造成这个酷暑的可能的影响因素，包括了与晴朗天空相联系的持续高压系统，干燥的土壤导致水分蒸发带走的能量降低，使得有更多的太阳能用来加热大地等。在这些因素里面，有的可能受人类影响，有的并不受人类影响，即使是有可能受人类影响的因素，要检测出人类影响的多少也是非常困难的。不过气候模型可以对极端事件发生的可能性进行判断。比如研究者采用了只使用自然因素和同时考虑自然与人类因素的方法对欧洲夏季气候进行模拟比较，最下图展示了这个模拟结果。上图是每千年类似事件发生的概率，红线是考虑了人类活动影响之后的概率分布，绿线是仅考虑自然因素的概率分布。发现考虑了人类活动的影响之后，欧洲出现2003年酷暑这样的气候风险增加了一倍以上。

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瑞士夏季的平均温度分布

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欧洲夏季酷暑发生的频率分析

其他极端事件，比如晚春，霜冻，极端雨量等等，也可以使用类似的研究方法。不过在进行相关研究的时候需要非常小心。

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