气候模型如何预测全球变暖?

气候模型如何预测全球变暖?

科学家们过去四十年来一直在使用日益复杂的气候模型来预测未来的全球变暖。

这些由大气物理和生物地球化学驱动的模型在我们对地球气候的理解以及未来可能发生的变化方面发挥着重要作用。

Carbon Brief收集了自1973以来的重要气候模型预测,以了解它们如何预测过去和未来的全球气温,如下面的动画所示。 (单击播放按钮开始。)

虽然有些模型预测的变暖程度低于我们经历的变暖,有些模型预测的变暖程度较高,但所有模型都表明1970和2016之间的表面温度升高与实际发生的距离并不太远,特别是考虑到假设未来排放的差异时。

过去的气候模型如何表现?

虽然过去的气候模型预测得益于对大气温室气体浓度,火山爆发等的了解 辐射强迫 影响地球的气候,向前迈进是可以理解的更不确定。 可以评估气候模型的后发温度和预测未来温度的能力。

Hindcast - 测试过去温度的模型 - 是有用的,因为它们可以控制辐射强迫。 预测很有用,因为模型不可行 含蓄地调整 与观察相似。 气候模型是 不适应历史气温但是建模者确实有一些观察知识可以 告知他们的选择 of 模型参数,如云物理和气溶胶效应。

在下面的例子中,1973和2013之间公布的气候模型预测与观测到的温度进行了比较 五个不同的组织。 投影中使用的模型复杂程度不同,简单 能量平衡模型 完全耦合 地球系统模型.

(注意,这些模型/观察比较使用1970-1990的基线周期来在分析的早期阶段对齐观察和模型,其显示温度如何随着时间的推移更加清晰地演变。)

Sawyer,1973

未来变暖的第一个预测之一来自 约翰索耶 在1973的英国气象局。 在一个 论文发表在Nature上 在1973中,他假设世界将在0.6和1969之间加热2000C,并且大气CO2将增加25%。 索耶争辩说 气候敏感 - 每增加一倍的大气CO2水平会产生多少长期变暖--2.4C,距离 最好的估计 政府间气候变化专门委员会(IPCC)今天使用的3C。

与本文中检查的其他预测不同,Sawyer没有提供每年估计的变暖,只是预期的2000值。 他对0.6C的升温估计几乎是现场 - 在此期间观察到的变暖是在0.51C和0.56C之间。 他过高估计了2000的大气CO2浓度,但假设它们是375-400ppm - 与实际相比 370ppm的值.

Broecker,1975

由于全球变暖导致的未来温度的首次预测出现在 文章 科学 在哥伦比亚大学科学家出版的1975中 Wally Broecker教授。 布莱克使用了一个 简单的能量平衡模型 如果在2之后大气CO1975继续快速增加,估计地球温度会发生什么变化。 几十年来,布勒克预测的变暖与观测结果相当接近,但最近却相当高。

这主要是因为Broecker过高估计CO2排放和大气浓度在他的文章发表后会增加。 他对2000相当准确,预测CO373的2ppm - 与实际的Mauna Loa 370ppm观测结果相比。 然而,在2016中,他估计CO2将是424ppm,而 仅观察到404 pm.

布鲁克也没有在他的模型中考虑其他温室气体。 但是,由于变暖的影响 甲烷, 笑气卤代烃 一直 很大程度上取消了气溶胶的整体冷却影响 从1970开始,这并没有产生那么大的差异(虽然估计气溶胶强迫 有很大的不确定性).

与Sawyer一样,Broecker每增加一倍CO2.4就使用2C的平衡气候敏感度。 布勒克认为地球瞬间变暖以匹配大气CO2,而现代模型则解释了大气和海洋升温的速度之间的滞后。 (海洋吸收的热量较慢通常被称为“热惯性“气候系统。”

您可以在下图中看到他的投影(黑线)与观察到的温度上升(彩色线)相比较。

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Broecker 1975(粗黑线)的预测变暖与来自观测温度的记录相比 美国航空航天局, NOAA, HadCRUT, Cowtan和Way伯克利地球 (细彩色线条)从1970到2020。 1970-1990的基线期。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

在科学家广泛认为观察结果的时候,布鲁克做出了他的预测 显示适度的冷却 地球的。 他通过有先见之明地开始撰写文章“可以证明,目前的冷却趋势将在十年左右的时间内让位于二氧化碳引起的明显变暖”。

Hansen等,1981

美国航空航天局的 詹姆斯汉森博士 和同事 发表了一篇论文 在1981中,也使用简单的能量平衡模型来预测未来的变暖,但是由于海洋热量的吸收导致了热惯性。 他们假设每增加一倍CO2.8,气候敏感度为2C,但每次加倍也会看到1.4-5.6C的范围。

来自Hansen等人1981的预测变暖(快速生长 - 粗黑线 - 和慢生长 - 细灰线)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

Hansen及其同事提出了许多不同的情景,不同的未来排放和气候敏感性。 在上面的图表中,您可以看到“快速增长”情景(粗黑线),其中CO2排放量在4之后每年增加1981%,以及缓慢增长的情景,其中排放量每年增加2%(细灰线) )。 快速增长的情景有点高估了当前的排放量,但当结合略低的气候敏感性时,它提供了对早期2000升温接近观测值的估计。

在快速增长情景中,Hansen等人在1970中预测的2016和1981之间的整体变暖速率比观察值低约20%。

Hansen等,1988

由数百家创建、维护和提供物联网(IoT)全球开放标准的公司所组成的 论文发表 由Hansen及其同事在1988中代表了最早的现代气候模型之一。 它将世界划分为经度为10度的八度纬度的离散网格单元,具有九个垂直层的大气层。 它包括气溶胶,CO2以外的各种温室气体和基本的云动力学。

Hansen等人提出了与未来不同温室气体排放相关的三种不同情景。 场景B在下面的图表中显示为粗黑线,而场景A和C由细灰线显示。 情景A的排放量呈指数增长,CO2和其他温室气体浓度大大高于今天。

来自Hansen等人1988的预测变暖(情景B-粗黑线 - 和情景A和C-薄实心和灰色虚线)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

情景B假设CO2排放逐渐减缓,但浓度为 401中的2016ppm 那是非常接近的 观察到404ppm。 然而,情景B假设各种卤代烃的排放量持续增长,这些卤代烃是强大的温室气体,但后来受到限制 蒙特利尔议定书 1987 在2000年之后,情景C的排放量接近于零。

在这三个中,情景B最接近实际的辐射强迫,尽管如此 关于10%太高了。 Hansen等人在大多数现代气候模型的高端使用了CO4.2气候敏感度为2C的模型。 由于这些因素的综合,情景B预测1970和2016之间的变暖速率比观察到的高约30%。

IPCC第一次评估报告,1990

IPCC的 第一份评估报告 (FAR)在1990中展示了相对简单的能量平衡/上升流扩散海洋模型,以估算全球气温的变化。 他们的特色常规(BAU)情景假设大气CO2快速增长,在418中达到2ppm CO2016,与观测中的404ppm相比。 FAR还假设大气中卤化碳浓度的持续增长比实际发生的要快得多。

FAR给出了气候敏感性的最佳估计值,因为2.5C变暖了CO2加倍,1.5-4.5C系列。 这些估计值适用于下图中的BAU情景,黑色粗线表示最佳估计值,黑色细线表示气候敏感度范围的高端和低端。

IPCC第一次评估报告预测的变暖(平均投影 - 粗黑线,上边界和下边界由细点黑线表示)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

尽管气候敏感度的最佳估计值比目前使用的3C低一些,但FAR高估了1970和2016之间的变暖率,其BAU情景中的17%大约为1%,显示0.85C在此期间变暖,而2C观察到的变暖。 这主要是由于预测的COXNUMX浓度高于实际发生的浓度。

IPCC第二次评估报告,1995

IPCC的 第二次评估报告 (SAR)仅发布了1990以后的现成预测。 他们使用了2.5C的气候敏感度,其范围为1.5-4.5C。 他们的中程排放情景“IS92a”预计2中的CO405水平为2016ppm,几乎与观察到的浓度相同。 SAR还包括更好的人类气溶胶处理,这些气溶胶对气候有降温作用。
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IPCC第二次评估报告中预测的变暖(平均投影 - 粗黑线,上边界和下边界由细点黑线表示)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

正如你在上面的图表中看到的那样,SAR的预测结果明显低于观测结果,从28到1990期间,2016%的增长速度更慢。 这可能是由于两个因素的综合作用:气候敏感度低于现代估计值(2.5C vs. 3C)和高估 CO2的辐射强迫 (每平方米4.37瓦特与后续IPCC报告中使用的3.7相比,今天仍在使用)。

IPCC第三次评估报告,2001

IPCC 第三次评估报告 (TAR)依赖来自七个不同模型组的大气 - 海洋一般循环模型(GCM)。 他们还引入了一套新的社会经济排放情景,称为 SRES,其中包括四种不同的未来排放轨迹。

在这里,Carbon Brief检查了 A2场景虽然所有排放量和升温轨迹都相当于2020。 A2情景预测2016大气CO2浓度为406 ppm,几乎与观察到的相同。 SRES情景来自2000,2000之前的模型使用估计的历史强迫。 上图中的灰色虚线表示模型从使用观察到的排放和浓度过渡到预计的未来排放的点。

IPCC第三次评估报告的预测变暖(平均投影 - 粗黑线,上边界和下边界由细点黑线表示)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

TAR的标题投影使用了一个简单的气候模型,该模型被配置为匹配七个更复杂的GCM的平均输出,因为在TAR中没有发布特定的多模型平均值,并且个别模型运行的数据不容易获得。 它的气候敏感度为每增加一倍CO2.8 2C,其范围为1.5-4.5C。 如上图所示,TAR中1970和2016之间的变暖速率比实际观察到的低约14%。

IPCC第四次评估报告,2007

IPCC的 第四次评估报告 (AR4)的特色模型具有显着改善的大气动力学和模型分辨率。 它更多地利用了地球系统模型 - 它结合了碳循环的生物地球化学 - 以及改进的地表和冰过程模拟。

AR4使用与TAR相同的SRES情景,历史排放量和大气浓度达到2000年度和之后的预测。 AR4中使用的模型的平均气候敏感度为3.26C,范围为2.1C至4.4C。

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IPCC第四次评估报告中的预测变暖(平均投影 - 粗黑线,由浅点黑线表示的两西格玛上下界)。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

上图显示了A1B场景的模型运行(这是模型运行随时可用的唯一场景,尽管其2016 CO2浓度几乎与A2场景的浓度相同)。 4和1970之间的AR2016预测显示变暖非常接近观测值,仅高出8%。

IPCC第五次评估报告,2013

最新的IPCC报告 - 第五次评估 (AR5) - 对气候模型进行了额外的改进,与AR4相比,未来模型的不确定性略有下降。 IPCC最新报告中的气候模型是该报告的一部分 耦合模型比对项目5 (CMIP5),全世界数十个不同的建模组使用相同的输入和场景来运行气候模型。

IPCC第五次评估报告中预测的变暖(平均投影 - 粗黑线,由浅点黑线表示的两西格玛上下界)。 虚线黑线显示混合模型字段。 图表由Carbon Brief使用 Highcharts.

AR5推出了一套新的未来温室气体浓度方案,称为 代表浓度通路 (垃圾收集站)。 这些都有来自2006的未来预测,以及2006之前的历史数据。 上图中的灰色虚线表示模型从使用观察到的强迫转变为预测的未来强迫的位置。

将这些模型与观察结果进行比较可以是a 有点棘手的运动。 气候模型中最常用的领域是全球地面气温。 然而,观测到的温度来自海面上的陆地和海面温度的表面气温。

为了解释这一点,最近,研究人员创建了混合模型领域,其中包括海洋上的海面温度和陆地上的地面气温,以便与观测中实际测量的内容相匹配。 这些混合油田,如上图中的虚线所示,显示出比全球表面气温略低的变暖,因为近年来模型使海洋上空的空气变暖速度快于海面温度。

CMIP5模型中的全球表面气温比16以来的观测值快了大约1970%。 关于40%这种差异是由于海洋上空的气温升温速度快于模型中的海面温度; 混合模型字段仅显示比观察速度快9%的温度。

A 最近在自然界的论文 by Iselin Medhaug 和同事们提出,其余的分歧可以通过短期自然变率(主要在太平洋),小火山和低于预期的太阳能输出的组合来解释,这些太阳能输出未包括在其后的模型中2005预测。

以下是Carbon Brief所研究的所有型号的摘要。 下表显示了每个型号或一组型号之间变暖速率的差异 美国航空航天局的 温度观测。 所有的观测温度记录都非常相似,但NASA是近年来包括更完整的全球覆盖范围的群体之一,因此可以更直接地与气候模型数据进行比较。

气候模型如何预测全球变暖?

* SAR趋势差异是在1990-2016期间计算的,因为1990之前的估算值不易获得。
#基于混合模型陆地/海洋领域的括号差异

总结

自1973以来发布的气候模型在预测未来变暖方面通常非常熟练。 虽然有些太低而有些太高,但它们都显示出与实际发生的结果相当接近的结果,特别是考虑到预测和实际CO2浓度与其他气候强迫之间的差异。

模型远非完美,并将随着时间的推移不断改进。 他们还表现出相当大的未来变暖 不能轻易缩小 仅使用我们观察到的气候变化。

尽管如此,自1970以来预测和观测到的变暖之间的紧密匹配表明未来变暖的估计可能同样准确。

方法论说明

环境科学家 Dana Nuccitelli 有用地提供了过去的模型/观察比较列表 请点击此处。 该 PlotDigitizer软件 当数据无法获得时,用于获取旧数字的值。 CMIP3和CMIP5模型数据来自 KNMI气候探索者.

这篇文章最初出现在 碳简介

关于作者

Zeke Hausfather涵盖了美国关注的气候科学和能源研究。 Zeke拥有耶鲁大学和阿姆斯特丹Vrije大学的环境科学硕士学位,并正在加州大学伯克利分校完成气候科学博士学位。 他曾在10的过去几年担任清洁技术行业的数据科学家和企业家。

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