「政府間氣候變化專門委員會，也就是IPCC的第四次評估報告稱，到21世紀末全球平均溫度將比現在升高2.5至3.8℃，這將導致一些地區持續產生乾旱、熱帶風暴等氣象災害……」
科普日的活動中，工作人員正在給大家演示著未來的氣候變化趨勢，觸目驚心的圖片和生動的講解讓觀眾們驚嘆不已。這些讓他們驚嘆的圖片並不是出自攝影師之手，而是通過氣候模型模擬得到的。
神秘的氣候模型
氣候模型，對於大多數普通人來說也許是個稍顯陌生的詞彙。那麼，到底什麼是氣候模型呢？也許我們可以從一篇描述它的文章裡看出一些端倪。
「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……這座大樓的地下室裡，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裡進行處理……」
這段描述出自一篇2010年發表於《世界博覽》雜誌的文章中，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裡氣候變化研究中心研製而成的最新氣候模型——「哈德裡2號氣候模型」。
氣候模型不是一臺儀器，而是一個數學模型，換句話說就是電腦程式代碼。它利用物理、化學、流體力學等方程式，外加由實際觀測得到的氣候場資料作為起始狀態，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地球模擬系統，正在成為氣候科學的核心工具。
當前，世界上很多工業化國家都在投資研發氣候模型，以期用來預測二氧化碳含量在大氣中的不斷升高，為全球空氣和海洋溫度、洋流以及極地冰等帶來的影響。
與我們更為熟悉的氣象預測不同的是，氣候預測主要針對區域尺度和全球尺度，而不是局地尺度。研究人員運用氣候模型能夠模擬全球幾年、幾十年甚至數千年的氣候變化。
為了驗證模型的準確性，科學家通常模擬過去的氣候狀況，然後將實際觀測到的信息與模型計算結果進行比較。
「更好地描述世界」
氣候模型的發展經歷了一個從簡單到複雜的過程：從低精度到高精度；從只有少數動力和熱力過程到包含更多物理化學過程（如雲、氣溶膠等）；從只有大氣部分到包含大氣、陸地、海洋甚至生物圈等多個圈層。
當今國際上研製氣候模型較為先進的主要有美國、英國、德國和日本等。其中，應用最為廣泛的氣候模型以美國第5代氣候模型——通用地球系統模型（CESM）為代表。
CESM誕生於2010年7月，是由美國國家大氣研究中心（NCAR）推出的新一代地球系統模型。雖然CESM是由美國國家科學基金會、美國能源部（DOE）和幾百位科學家共同研製的成果，但全球的科研人員都可以免費獲取。
作為一個完全耦合的氣候模型，CESM包括了大氣、陸地、海洋、海冰、陸冰等幾大模塊，可以用於研究地球的過去、現在和未來的氣候狀況。
目前，CESM已經成為了IPCC撰寫評估報告所使用的主要氣候模型之一。科研人員運用CESM來模擬海洋生態系統與溫室氣體的相互作用，臭氧、粉塵和其他大氣化學物質對氣候的影響，大氣、海洋和地表的碳循環，以及溫室氣體對高層大氣的影響等。
藉助CESM，研究人員還可以探索更廣闊的應用空間，如對空氣品質和生物地球化學反饋機制的研究。
「CESM有助於人們探究前人無法解決的科學問題。」NCAR的模型建造者James Hurrell稱，「模型通過改進的物理過程與擴展的生物地球化學過程和方法，幫助人們更好地描述世界。」
最新升級計劃
雖然，在構建氣候變化的全球圖景時，現有的氣候模型所做到的已經能夠接近最好水平。但是，越來越多的科學家和政策制定者希望獲得擁有更高解析度的氣候模型，可以將鏡頭聚焦到小於100平方公裡範圍內的氣候現象，例如海洋漩渦、暴風雨和山脈等。
相關研究顯示，這些元素的增加，再加之超級計算機的強大「火力」，氣候模型的預測能力有望大大提高。
科學家們的願望也許就要實現了。根據美國《科學》雜誌的報導，DOE正在擬建美國第6代氣候模型，這個還沒有命名的、計劃中的模型將是CESM的最新版本，擁有更高的解析度。這個CESM的升級版將致力於回答全球變暖會對生物燃料作物或發電廠的水供應造成怎樣影響的問題。
「我們能將廣泛的建模技術與世界上速度最快的計算機相結合，在氣候模型研製領域，DOE的國家實驗室絕對是『先頭部隊』。」DOE的工作人員表示。
根據相關部門官員透露的信息，新模型的建造將會涉及DOE的7個實驗室，但不需要新的資金投入。他們希望建模計劃能在4個月內啟動，但實際上該計劃「只有在同行評議中得到積極結論，並且通過DOE批准後」才能開始實施。屆時，DOE將與運行CESM和其他氣候模型的科學家共同分享計算機代碼，這將有助於他們獲得更高解析度的模型。
新一代氣候模型的研製計劃聽起來似乎相當不錯，但這個美好的願景同時也伴隨著質疑的聲音。
一些人對相關機構合作中的官僚主義傾向表示擔憂。按照規定，該模型建造過程中的所有更改都必須經過一個非常嚴苛的審批程序。這樣就可能會造成一些新想法不能被及時採納的情況。
儘管DOE的工作人員表示新的建模計劃不會導致CESM經費的削減，包括今年投入到NCAR的620萬美元，但還是有人擔心新模型會將DOE的專家從現有的研究中轉移出去。
「新計劃是很好的，但是建模研究的人手不足。」DOE的Lawrence Berkeley國家實驗室、加州大學伯克利分校的模型專家Inez Fung說，「與把研究人員分散開來相比，將更多的智力投入到一組編碼中，成果可能會更好。」
另外一個令人擔憂的問題是，美國真的需要6個氣候模型嗎？
去年，白宮管理和預算辦公室已經就模型過剩的問題考察過相關機構。同時，眾議院科學委員會中的共和黨成員表示，過多的錢被浪費在了氣候科學領域。
爭議還將持續
新模型的建造遭到質疑，現有的氣候模型也未能倖免。長期以來，對現有模型的批評主要集中在其對氣候變化預測的準確度上。
最近，有一項研究對20世紀90年代進行過的117次氣候預測與實際的氣候變暖情況進行了比較。
令研究者驚訝的是，在這117次預測中，只有3次是基本符合實際情況的，另外114次則高估了氣候變暖的程度。研究結果顯示，氣候變暖被預測的程度平均是實際情況的兩倍。
這項研究引起了人們的關注和討論。有些科學家認為，這說明了氣候模型的準確性需要被再次評估，但也有些科學家表示這是正常現象。
因為，從長期來看，氣候模型對氣候變化發展趨勢的預測是正確的，但氣候的演化存在很多變數，不能期望其絕對準確。
雖然，全球氣候變暖的程度有可能被氣候模型誇大了，但不可否認的是，人們確實應當開始關注全球變暖的問題。只不過，也許人為造成的溫室氣體對氣候變化的影響並不像很多人想像的那麼大而已。
氣候模型的預測為什麼會不準確？相關學者列舉的可能的原因包括太陽輻射、對火山噴發次數預測的不準確，以及對二氧化碳對氣候影響的估計不足等。還有專家認為，氣候模型之所以高估了氣候變暖的程度，是因為它們處理雲的方式有問題。
一位不願透露姓名的研究氣候型的專家對《科學新聞》記者表示，現有的氣候模型的水平肯定是不夠的，於是有人將此歸因於模型的精度不夠高，認為需要發展更高精度的模型，這也是美國發展新一代氣候模型的初衷。但是，模型的模擬準確度是否會隨著模型精度的提高而提高，研製新一代模型是否在浪費資源，目前還沒有明確的答案。
有專家認為，當前現有模型對氣候變化預測的不準確，是由於其沒有抓住自然變率中的某些因素，如深層海溫對氣候的影響等，而這些問題並不是提高精度所能解決的。
精度提高肯定可以提升模型對更小尺度的自然過程的模擬，這對模型發展是有利的，但不能指望提高精度來解決一切問題。提高模型準確度還需從物理上揭示更深層次的影響氣候變化的機制，並改善機制。■
（本文部分內容編譯自《科學》）