30年前的全球變暖預測模型準確嗎？

作者 | Tom M.L. Wigley

編譯 | 張羽

事實證明，30年前做出的全球變暖預測模型至今仍存在一定價值。政府間氣候變化委員會(IPCC)提出的科學證據有力證明，至少在過去50年裡，人為因素是氣候變化的主要影響因素。

然而，自美國總統川普到普通公眾，仍有一些「坦率」的批評者否認這一事實。他們認為「氣候模型是錯誤的，因此不能將之作為政策的依據」，當然這種批評缺少可信的數據支撐。

氣候模型是錯的嗎？如果氣候變化的威脅程度被高估了呢？對未來氣候變化的預測不確定性很大，因此，決策者面臨的問題是，面對這種不確定性，如何採取行動。我個人的觀點是，要防患於未然，要提前做好緩解措施以及應對措施。當然也要防止反應過度。

2019年9月21日的聯合國青年氣候峰會上，青年們表達了對各國行動遲緩的擔憂。聯合國秘書長安東尼奧·古特雷斯在發言中表示，即使是對氣候變化「最糟糕的預測」，也低估了現實的觀測數據。

人們可以找到很多支持古特雷斯的數據，北極海冰融化、南極極端高溫等等。但有人還是要問，關於氣候變化的說法到底誰是對的？氣候模型存在嚴重缺陷嗎？換句話說，模型是否高估了變化？古特雷斯認為模型低估了氣候變化的看法對嗎？

早在19世紀，就已經有未來可能會因人類活動而出現全球變暖的觀點。斯賓塞·魏特的《探索全球變暖》(2008)一書中記錄下早期的工作。這門科學發展的裡程碑出現在1979年，「恰尼報告」中提到了相關內容。恰尼報告發表前不久，第一個三維的、全球的、特定空間的氣候模型已經提出，這個模型是馬納比和理察·韋塞爾德1975年開始研究的。這個模型與如今的大氣環流模型相比，還是相對初級的，但仍然需要最先進的計算能力來支持運行。

過去對氣候的觀測也同樣處於初級水平。衛星數據非常少，僅有氣象站收集到的信息，存在大量的數據空白，尤其是海洋上空的氣候數據。直到1986年，才第一次真正意義對全球平均氣溫變化(包括陸地和海洋區域)進行預測，我們才有可能(至少在原則上)將全球平均氣溫變化預測模型對與觀測到的數據變化進行對比。

NAS戈達德太空研究所(GISS)的吉姆·漢森和同事對未來氣候做出了第一個可信的預測。這篇開創性的論文使用了GISS大氣環流模式，耦合到一個相對簡單的海洋模型。與當時大多數其他大氣環流模式的研究的關鍵區別在於，它考慮了海洋混合層下的熱傳輸，因此可以量化海洋滯後效應。

與這項工作同時進行的是，人們正在開發和探索其他更簡單的模型：能量平衡模型(EBMs)。為了預測未來的氣候變化，這些模型必須考慮海洋熱慣性，他們通過將海洋熱傳遞建模為一個上升——擴散過程。相關模型稱為上升流擴散EBMs (UD EBMs)。

海洋是對未來氣候變化做出現實估計的關鍵，因為海洋大量的吸熱削弱了氣候系統對任何形式的外部壓力的反應。例如，這些外部力量可能是溫室氣體濃度變化對氣候的影響，太陽能量輸出的變化，大型火山爆發的影響，等等。即使有物理上可信的模型，預測未來氣候仍然是一個挑戰，因為我們還需要預測溫室氣體排放的影響，以及其他影響氣候變化的因素。

20世紀80年代末，我們有兩種方法可以詳細地估計未來的全球氣候變化：漢森等人的模型，或是UD EBMS模型。此外，自19世紀末以來，我們對全球氣溫的現實變化已經有很好的估計。

30年過去了，是我們可以看看這些早期的預測效果。接下來，我將給出1988年、1989年、1990年和1992年對全球平均氣溫變化的五項最早預測的結果，總結如下表1。

由於對UD EBMs的研究卓有成效，英國首相瑪格麗特·柴契爾在1989年讓我給她和內閣做了一個報告，介紹氣候科學的現狀。在我給柴契爾內閣的報告中，介紹了一種名為STUGE的UD EBMs模型，這個模型是我和東英吉利大學氣候研究部門的同事們合作開發的。

此外，我還預測了1985年到2040年的未來大氣環流變化，並考慮到主要溫室氣體排放可能發生的變化。在這些對全球平均氣溫的估計中，氣候變化的唯一影響因素是未來的溫室氣體排放。

大約在這個時候，我們已經意識到，未來的氣候變化不僅是由溫室氣體引起的，還有「氣溶膠」，這些小顆粒或液滴可以反射太陽輻射，並改變雲的輻射特性，在某種尚不確定的程度上，能夠抵消溫室氣體引起的變暖。

對氣溶膠效應的忽視是一個嚴重的缺陷，因為二氧化碳的主要來源是燃煤，燃煤不僅產生二氧化碳，還產生二氧化硫。當二氧化硫被氧化並與水蒸氣結合時，會在大氣中形成硫酸鹽(主要是硫酸)氣溶膠。如果二氧化硫排放量增加，這些氣溶膠可能會產生實質性的降溫效應；反之，如果排放量減少，則會產生變暖效應。雖然這在當時已經眾所周知的，但仍不能確定這種氣溶膠的效應，今天也一樣；因此氣溶膠被忽視了。

圖1顯示了1989年全球平均氣溫預測，並與觀測結果進行了比較。雖然預測使用了對未來溫室氣體排放的估計，但溫室氣體排放的不確定性被認為是影響未來大氣環流模式預測不確定性的一個主要因素。我們現在知道，當時對溫室氣體排放的預測過高，因此對未來濃度的預測，特別是對CO2和CH4的預測(見表1)同樣也過高。單單這一點，就會導致過高預測氣候的變暖。

圖1(來自英國環境部1989年)和表1表明了這種情況。圖中顯示了兩種對溫度的預測，標為低和高，低——高的範圍用來解釋未來溫室氣體排放和氣候模型結構的一系列不確定性。對於後者，當時的主要不確定因素是氣候「敏感度」以及氣候變暖所產生的熱量從大氣轉移到海洋中的速率。我們假定氣候敏感度為2.5∞C，接近目前的最佳估計。我們對未來溫室氣體排放量的高估，意味著我們對未來變暖的預測過高，即使是對較低的預測也太高，如圖1所示。

圖1

UKDOE(1989)對全球平均變暖程度高低的預測（圖中的兩條實線），與HadCRUT4數據集的觀測結果的比較（圖中的點線）。

該模型所預測的變化與線性變化趨勢難以區分。觀察結果的線性趨勢線也用虛線表示。變化是相對於1985-1989年的平均值而言。政府間氣候變化專門委員會報告1990年和1992報告中的附件中使用相同的模型做出與圖1類似的預測，但是他們使用了不同的未來溫室氣體排放預測。

如表1所示，本文分析的5個案例中， 4個案例預測2018年二氧化碳和CH4濃度高於最終觀察到的濃度。其中的例外是根據漢森等人的資料得出的二氧化碳預測，與監測到的數據非常接近。然而，隨之而來的預計變暖率為0.27∞C/ 10年，遠遠高於觀測值。部分原因是高估了其他溫室氣體濃度的變化(見表1中甲烷的結果)，此外還因為漢森等人的模型具有相當高的氣候敏感性(4.2∞C)。

表1:全球平均氣溫(GMT)變化(變暖率)早期預測結果匯總。前三行給出了從規定年份(最後一行)到2018年的溫度變化率(∞C/ 10年)。另外幾行是2018年CO₂和CH4的預測濃度，括號內為觀測值。WR來自Wigley和Raper。溫度變化趨勢來自於HadCRUT4；濃度來自NOAA和ESRL

此時，關於氣溶膠對氣候的影響正在迅速得到認識。隨著這些認識的發展，我和Sarah Raper把硫酸鹽氣溶膠的影響納入到我們最新版本的氣候模型中，首次在對全球平均氣溫的預測中考慮到硫酸鹽氣溶膠的變化。在1992年IPCC的報告中，我們還使用了IS92排放情景，其中包括對二氧化硫排放的預測。本文的溫度投影結果如圖2所示。

圖2中觀測模型的一致性看起來很顯著，但這種一致性部分是補償誤差的結果。在二十世紀90年代初，現有數據顯示二氧化硫排放量長期穩定增長，預測21世紀這種增長將繼續下去。這些變化的結果是模型中出現變冷，在很大程度上抵消了因過高估計未來溫室氣體排放而產生的變暖誤差。然而，我們現在知道，20世紀80年代後，二氧化硫的排放有所減少(Klimont et al. 2013)，這導致氣候變暖而不是變冷。那麼，圖2中的一致性是否只是偶然呢？

圖2: Wigley和Raper(1992，Fig.5)對全球平均變暖的最佳預測，與HadCRUT4數據採集的觀測結果進行比較。該模型所預測的變化與線性變化難以區分。觀察結果的線性趨勢線用虛線表示。變化是相對於1990年至1994年的平均值而言

排放量的不確定性顯然是大氣環流模式預測中不確定性的一個重要來源。1989年的情況就是如此，時至今日依然如此。但在1992年的模擬中，問題更為複雜。如果我們現在用正確的排放量重新進行計算，結果會怎麼樣?

首先，溫室氣體排放減少將導致模型中變暖減弱。其次，二氧化硫排放量的減少(以及大氣中氣溶膠含量的減少)將導致模型中的變暖。所以對全球平均溫度預測的淨效應很小，而且，即使使用修正後的排放量，模型結果和觀測結果之間仍然會有很好的對應關係。上面提到的圖2結果中，補償誤差的「缺陷」實際上是一個轉移視線的問題。

儘管如此，在對未來氣候變化進行量化，並將模型預測與觀測值進行比較時，仍有一系列困擾的不確定因素。排放的不確定性對未來預測仍然很重要。此外，最重要的不確定因素是氣候敏感度。在過去幾十年裡，這些不確定性並沒有顯著減少。

這些30年前的結果，從當時模型的視角觀察今天的世界，表明在那時我們對氣候變化的理解已經足夠強大，可以做出非常準確的預測。雖然UD EBMs仍然可以發揮作用，但是20世紀80年代的三維大氣全球循環模型已經被包括海洋動力學和熱力學全部特性的模型所取代，新模型與大氣、冰凍圈和生物圈相互作用，現在被稱為「地球系統模型」。

觀測數據集已經擴展到包含許多不同的變量，並且在空間覆蓋和準確性方面得到改善。為了證實這些模型的可靠性，人們已經進行了數十次，或許是數百次的新測試。

好消息是，30多年前的預測經受住了時間的考驗；壞消息是，在行動方面，我們仍然只是不痛不癢地在表面上應對全球變暖。真正的挑戰還在前面。

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