十年期氣候預測模型仍存爭議

圖片來源：JASIEK KRZYSZTOFIAK/NATURE

　　在英國氣象局哈德利中心經過十余年的艱苦工作，Doug Smith發表了一份詳細的預測——在未來十年的大部分時間里，氣候將如何變化。他和同事預測，全球變暖在經歷短暫的停滯后，速度會顯著加快，在幾年內，世界氣溫將會突破有記錄以來的最高值。

　　西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞氣候科學研究所的分析員Francisco Doblas-Reyes是另一份即將發布的關于氣候預測的報告的作者之一，該報告由政府間氣候變化專門委員會(IPCC)出臺。在準備IPCC報告的過程中，共有16個小組利用氣候模型進行了一系列精細的10年期預報實驗。

　　過去兩年內，多份基于這些實驗工作的研究報告出版，而對于近期的氣溫，大部分研究報告的預測結果較標準模型更低。雖然，一些研究人員認為10年期預測方法已然成熟。但對于很多突出的科學疑問，仍需一場昂貴且長期的科學實驗。

　　美國宇航局(NASA)戈達德太空研究所氣候分析員Gavin Schmidt拒絕參加IPCC的10年預測實驗，Schmidt說：“盡管我不反對這個研究方向，但到目前為止它更多的只是一個反證的概念而已。”

　　最初設想

　　為了制作氣候預報，Smith的團隊在標準氣候模型的基礎上，打破了束縛，從氣象學家預測一周天氣預報的方法中獲取靈感。

　　傳統的氣候預報方法要追溯到工業時代之前，主要是通過掌握氣候的平均變化，來預測長期的變化。而一周天氣預報則不同，它是以當前的氣候為出發點來預測的。通過多種模擬手段將各種氣象條件考慮進去，剔除天氣的不規律因素，最終得出一系列具有統計學真實性的結果。

　　Smith與他的團隊使用的正是后者。從2005年起，他們通過收集大量的氣候測量數據，包括氣溫、風速、風向、氣壓、水溫以及鹽度，來預測未來20天的氣候。在每次預測中，他們通過載入每日的數據，從而將哈德利中心主要氣候模型初始化。之后，他們便可以利用模型綜合多種環境因素的影響(例如溫室氣體濃度)來預測未來10年的氣候。

　　但之后該預測的精確度大幅降低：預期中的大幅升溫并未在2008年之后到來。Smith說：“公平地說，現實中的氣候變暖幅度比我們預測的還低，我們目前還不清楚這是為什么。”

　　問題的答案或許深藏在海洋中。盡管日常氣溫主要由大氣控制，但是當以年為單位研究氣溫時，擁有更大能量和熱量，且流動緩慢的海洋是首要因素。研究者懷疑，洋流在這里起了重要作用，例如在熱帶太平洋東部海域，厄爾尼諾現象使氣溫上升，而拉尼娜現象則使氣溫下降。理論上說，因為海洋洋流速度比空氣移動速度更慢，所以制作海洋模型更加容易。

　　關注海洋

　　在2008年，由現就職于挪威卑爾根大學的Noel Keenlyside領導的一組氣候研究者，以大西洋海水表面溫度為切入點，制作了從2008年到2030年的氣候預測模型。他們將焦點集中于大西洋經向翻轉環流上(目前大西洋主要的洋流之一)。在該洋流的運動過程中，攜帶經太陽烘烤的熱帶海域海水流向北大西洋，一邊行進一邊把熱量釋放到大氣中，最終沉入深海并回流到熱帶海域。該模型預測：在接下來的幾年內，大西洋經向翻轉環流可能減弱，有助于穩定甚至降低全球氣溫。

　　這一預測引爆了學界：一些研究者對Keenlyside團隊的分析方法以及模型構建方法提出了質疑。Keenlyside團隊的研究報告發布不久之后，一個由德國波茨坦氣候影響研究所海洋學家Stefan Rahmstorf領導的團隊公開反駁Keenlyside的結論。Rahmstorf說：“我們認為，有責任讓公眾知道Keenlyside的研究根本不是氣候科學，所謂的冷卻周期也不存在。”Rahmstorf還表示，大西洋經向翻轉環流并不能降低氣溫，實際氣溫比Keenlyside預測的要高。

　　Keenlyside明白自己模型的缺陷是什么，但他認為，他們的工作至少反映了全球氣溫的最初變化趨勢，氣溫在預測周期的最初幾年并沒有上升。他說：“我們的系統是很簡陋，但足以證明海洋在全球氣溫模型中的作用。”

　　盡管Keenlyside的研究有很多缺陷，但對于那些極力想檢測并改進自己對于全球氣溫估算的科學家來說，他的研究提供了新的思路。那些參與IPCC 實驗的全球氣候研究者將他們大多數時間用于系統化預測未來數年的氣候變化。預測結果顯示，平均而言，在未來幾十年內，氣溫較標準的氣候預測結果低了 15%。

　　為了確定這些預測是否能夠成真，相關研究小組將全部的監測數據投入測試中，并且以1960年為起點，至少每5年制作一份10年期的氣候預測，并將追算的結果與歷史上實際的結果以及標準氣候模型的結果作對比。

　　在一項分析中，Doblas-Reyes和他的同事認為，他們的模型能夠提前5年預測到全球氣候變暖的速度在降低。他們的報告還證明了深海，尤其是大西洋和熱帶太平洋，能夠通過大量地吸收熱量來降低全球氣溫。

　　誤差更正

　　這些研究結果還不足以說服持懷疑論者，例如，Rahmstorf就懷疑這些模型是否能精確地將各種因素加入到地球氣候研究中。但其他許多人認為這些新的模擬方法對研究區域氣候(尤其是海洋氣候)有很高的價值。

　　哥倫比亞大學氣候學家Lisa Goddard目前正領導著一項對IPCC模型系統分析和比較的研究，他說：“我們確實在這些新方法中看到了革新。”例如，許多模型捕捉到了北大西洋海面表層水溫在1995年左右突然上升。他還說：“他們都準確地預測了這一變化，但據我所知，不幸的是：不同模型雖然得出的結果相同，但理由卻不同。”

　　如果是這樣的話，這些模型是否能夠準確預測氣候變化將打上大大的問號：無論在最初的一兩年內他們的預測有多準確，隨著真實氣候環境的變化，預測的準確性將大大降低。氣候環境并不經常會在一到兩年內出現大幅度的改變，所以在頭一兩年，以該方法作出的預測是與現實情況基本吻合的，但幾年后，其準確性將大幅度降低。

　　盡管該預測實驗目前在預報能力上存在有限性，但模型制作者正努力嘗試利用新的手段來改進他們的模型，其中一個關鍵的問題就是，以何種手段構建模型。開始模擬之前，模型制作者會盡可能多地將各種數值輸入到一個海洋與大氣的三維網格中。但是由于有些地區——例如深海海域——缺少數據，他們還必須將自己的想象加入進去。

　　另一個問題在于，每個氣候模型都有其自身的平衡狀態，即氣候環境處于沒有人為干預的條件下自然運轉的狀態。而模型制作者在為海洋與大氣加入了眾多實際數值之后，該模型已然與其自然平衡狀態相去甚遠。當模型啟動并一直持續運轉之后，它立刻會開始將現狀調整回原先的平衡狀態，這將為氣候研究帶來更多更復雜的問題。

　　Doblas-Reyes問道：“造成這種自我恢復的原因是什么?”科學家希望通過對比傳統氣候預估中的模擬手段，從而解決自我恢復問題，并發現那些可能隱藏在模型中的潛在問題。Doblas-Reyes說：“如果這些模型能幫助科學家找出系統上的錯誤，那么它將惠及整個氣候模擬研究界。”

　　但Schmidt說這些嘗試是“一個錯誤”。他認為很難將預測的成功與失敗歸因于某個特定參數，因為天氣與氣候所具有的不可預測性是與整個地球環境系統和模型緊密相連的。他說：“模擬實驗并不能給出任何答案。”