什么是气候模式 “过热”，衡量 “过热” 与否的标准是什么？| 图源：istockphoto,coffeekai

编者按

2022年5月，在科学界具有重要影响力的两大综合类期刊《自然》和《科学》分别发表评论文章，指出最新一代参加 “第六次国际耦合模式比较计划”（Coupled Model Intercomparison Project-Phase 6，以下简称CMIP6）的气候模式中，许多存在 “过热” 的问题。

气候模式是理解气候变化原因、评估其影响和预测预估其未来变化不可或缺的工具。正是依托气候模式的不断发展和完善，人类对气候变化的认知才达到今天的水平，全球应对气候变化的行动才有其坚实的科学基础。评论文章认为，利用新的 “过热” 模式资料开展的许多气候影响评价工作可能夸大了未来全球增暖的影响 [1,2]。两篇评论迅速引发关注，甚至触发了人们关于气候科学界主流评估结果是否准确的担忧。那么，究竟什么是气候模式 “过热”，衡量 “过热” 与否的标准是什么？“过热” 对气候预估有什么影响，如何克服这种影响？

《知识分子》邀请世界气候研究计划耦合模拟工作组委员、CMIP6“全球季风模拟比较计划”共同主席、中科院大气物理研究所研究员周天军和中科院大气物理研究所副研究员陈晓龙从气候物理学的角度对上述问题进行讨论。

撰文 | 周天军   陈晓龙

责编 | 冯灏

1、从1.5-4.5℃收窄至2.5-4.0℃

工业化以来的全球变暖问题，从物理学的角度，实质是地球气候系统能量收支的失衡。如图1所示，地球气候系统的能量平衡由进入的太阳短波辐射和射出的长波辐射决定。工业化以来的百余年间，尽管进入地球的太阳能量变化不大，但由于化石燃料的使用，大气中的温室气体含量急剧增长。温室气体吸收了大量长波辐射，使得大气顶散发出去的热量减少，多余的热量留在地球，在大气、海洋、陆面和冰冻圈不断累积，最终令地球表面温度升高。

为了定量描述温室气体对气候的影响，气候科学界定义了一个指标 “气候敏感度”，其表达方式有许多种，其中，使用最为广泛的是 “平衡态气候敏感度”（ECS），特指若大气中二氧化碳浓度当量变为工业化前的2倍并保持不变，直到地球气候系统完全达到新的平衡态时，年均全球平均地表气温的变化。值得注意的是，这个再平衡过程需要千年以上。那么，“平衡态气候敏感度” 的一般参考数值是多少？

1990、1995和2001年发布的第一、第二和第三次联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告中，平衡态气候敏感度的估算范围都是1.5-4.5℃。2007年第四次评估报告中，估算的可能范围（概率超过66%，下同）是2.0-4.5℃；2005年，第五次报告又把这一可能范围调整回1.5-4.5℃。

2021年，最新的第六次评估报告综合古气候数据、现代观测、物理过程分析等方法，给出了新的估计：可能范围是2.5-4.0℃，很可能范围（概率超过90%）是2.0-5.0℃，最佳估计值取中位数3℃ [3]。
图1 根据能量平衡，工业化后由于大气温室气体增加，虽然进入地球的太阳能变化不大，但散发出去的热量变少，于是多余的热量留在地球上并不断累积在大气、海洋、海冰、陆地中，升高了地球的温度。但气候敏感度的大小（即二氧化碳浓度达到工业化前2倍后，最终引起地表升温的幅度）仍然存在很大的不确定性 | 图改编自[4]

可以明显看出，相较八年前，科学界对于平衡态气候敏感度估算的不确定范围已大幅缩小，但即使2.5-4.0℃这一结果，其上下限范围依然很大。

2、气候模式已经非常逼近真实世界

怎么又 “过热” 了呢？

图2 为CMIP做出贡献的模式研发中心的全球分布，分别给出了所在城市、研发单位以及各模式参与情况，不同的颜色表示参加不同阶段的CMIP，颜色越多表示该模式参与CMIP国际计划的历史越长、资格越老 | 图源 [5]

《推动气候模拟的美国国家战略》报告指出，“气候模式是人类发展的最为复杂的模拟工具之一，是理解和预测气候及其变化的基础，是支撑气候相关决策的重要工具” [6]。所谓气候模式，是基于数学、物理、化学等自然定律编写的计算机程序，用来模拟大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈表层五大圈层的运动、变化以及圈层间物质和能量的交换过程 [7]。

1975年，以真锅淑郎和韦瑟尔德的文章发表为标志，用于气候变化模拟的三维大气环流气候模式从此诞生 [8]。此后近50年来，依托高性能计算机，气候模式取得了革命性的发展。如图3所示，当前的气候模式所涵盖的物理、生态、化学等过程越来越复杂，分辨率越来越高，气候模拟已经和理论研究、观测研究一道共同成为支撑现代气候学研究的三大手段。

在研发气候模式时，不同研究机构的科研人员，会采用不同方案来求解地球流体力学和热力学等各种方程组、对各种物理过程（比如云和辐射、对流和水汽等）进行数学描述，在此过程中对真实的气候系统难免有简化处理，因此，没有哪个气候模式是 “十全十美” 的。
为了促进气候模式发展、提高模拟结果的准确性，世界气候研究计划 “耦合模拟工作组” 组织了多次 “耦合模式比较计划”（CMIP）。如图2所示，第一次和第二次“国际耦合模式比较计划”（即CMIP1和CMIP2）分别于1995年和1997年开始实施，参加的研究机构有11家；参加CMIP3的模式数量增加到23个；CMIP5时期，参与机构达到19家，模式也有35个；最新的CMIP6有28家研究机构的50多个模式参加，是历次模式比较计划最多的一次 [9]。

在气候模式的支撑下，自1990年以来，由IPCC组织的六次气候变化科学评估报告和若干次特别报告，围绕着历史气候变化的检测归因和未来变化预估得出了许多重要科学结论。正是依托气候模式的不断发展完善和气候物理学的进步，我们对气候变化的认知水平才取得了长足的进步。
图3 地球气候系统模式的过去和未来，圆柱体高度表示模式的完善和复杂程度 | 图源[10]

从20世纪70年代至今，经过近半个世纪的发展，应该说，今天的气候模式已经非常逼近真实的世界，那么，CMIP6模式怎么又 “过热” 了呢？

所谓 “过热” 的参照标准是气候敏感度。据统计，参加CMIP6的气候模式有1/5的平衡态气候敏感度达到5℃以上，超过了IPCC第六次评估报告认为很可能（超过90%概率）的2-5℃范围 [4]。如果以第六次评估报告认为可能（超过66%概率）的2.5-4.0℃范围作为标准，CMIP6敏感度偏高的模式达60%。

预估的未来全球升温幅度与气候敏感度密切相关。在未来一定时期内，人类活动还将继续排放温室气体，气候敏感度高的模式预估的未来升温也越高，其结果与平衡态气候敏感度位于2.5-4.0℃范围的这些 “正常” 模式的结果相比就表现得 “过热” 了。例如到本世纪末，在一些高碳排放情景下，这些 “过热” 模式预估的全球平均温度变化比IPCC第六次评估报告给出的最优估计要高2-3℃ [4]。

有 “过热” 必有 “过冷”，实际上，CMIP6模式中还有平衡态气候敏感度低于2.5℃的，也就是 “过冷”，它们很容易被大家忽视。另外值得一提的是，参与CMIP6的中国研究机构贡献的模式没有 “过热” 或 “过冷” 现象，它们平衡态气候敏感度平均值为（3.16±0.89）°C，处于居中水平 [11]。

3、气候模式为什么会 “过热”？

从1995年开始的CMIP1到最新的CMIP6，参与的气候模式越来越多，模式考虑的物理过程越来越复杂，因为对一些物理过程的数学描述方案不同，不同模式的气候敏感度有高有低是一种正常现象。这次之所以引起格外关注，是因为CMIP6模式给出的平衡态气候敏感度的范围是历次CMIP中最大的（1.8-5.6℃），多模式平均为3.7℃，而CMIP5中没有平衡态气候敏感度高于4.7℃的模式，多模式平均为3.2℃ [12]。

气候模式难以准确描述气候敏感度的一个重要原因，是气候系统中存在很多复杂的反馈过程，能够放大或缩小由温室气体直接产生的增暖，气候敏感度是这些过程综合作用的结果。

其中云的生成和演变非常复杂，目前的气候模式对云的数学描述还不完善，因此云的反馈作用不确定性最大（图4）。图4 几种主要的云反馈过程示意图。气候变暖下，云顶高度升高，低云云量减少，会让更多能量留在地球表面，放大增暖；但云中冰晶和水滴的组成也会改变，增多的水滴反射太阳光的能力更强，会减小增暖 | 图源[3,4]

云反馈问题是国际气候变化研究领域的前沿问题。这次出现 “过热” 现象的CMIP6模式，多来自在模式物理过程方案研制方面居国际领先地位的、传统上的优势研发中心，如美国国家大气研究中心、加拿大环境与气候变化部、英国哈德莱气候中心等。

这些机构在参加CMIP6的模式版本中，对其旧的CMIP5版本的重要物理过程方案进行了更新，例如采用了新的包含气溶胶-云相互作用的更为复杂的物理方案，结果产生了过强的冷却效应。由于气候模式有关参数的校准以能够合理再现历史气候变化为标准，这使得模式为了能够合理模拟历史温度变化，需要对温室气体响应更强（也就是有更高的气候敏感度）以抵消上述冷却效应 [12]。

在这些模式中，热带外低云云量及其反照率随升温而减小，更多的太阳短波辐射能够到达地面，进一步加剧了升温，这便是云辐射的正反馈过程，最终造成较高的气候敏感度 [13]。

如果把 “过热” 结果视为这些国际前沿模式研发中心在创新进程中付出的代价，那么这种代价不是永远的，科学探索不会因为某个环节不完善抑或暂时退步就止步不前，对导致 “过热” 现象反馈机制的理解正在推动新一代气候模式的进步。

4、处理模式 “过热” 有办法

“来者有份、一人一票 ”有瑕疵

由于模式“过热”问题仅在CMIP6模式中表现突出，因此，基于以前CMIP模式的预估结果并不受该问题影响。但如果不加甄别地使用CMIP6模式数据，就可能会高估未来升温幅度及其气候影响 [1,2]。

针对部分CMIP6模式的气候敏感度偏高，IPCC第六次评估报告做了系统评估，结论是，IPCC评估的全球平均温度变化要明显弱于CMIP6模式的直接输出结果（图5）。
图5 与IPCC第六次评估报告的最优值（粗实线）相比，包含“过热”CMIP6的模式在不同的碳排放情景下均显著高估了未来增暖（细虚线），排除“过热”模式后与IPCC的评估结果近似（细实线）| 图源[1]

气候物理学界发展了不少约束方法，来订正模式敏感度造成的区域气候预估偏差。其中一种重要方法被称为“涌现约束”，常被用来约束气候敏感度 [14]。它是在模式模拟的未来气候与当前气候之间建立某种可信的物理联系，利用当前丰富的观测数据来提高未来气候预估的信度。

“涌现约束” 实质上是对模式原始预估结果的统计订正，不过这种统计订正需要有坚实的物理基础。例如，我国学者发现太平洋东岸层云模拟的偏差，能够通过云反馈过程影响气候敏感度，最终影响控制东亚夏季风活动的西北太平洋副热带高压（简称 “副高”）的未来变化，采用 “涌现约束” 技术来订正副高预估偏差，就能够显著提高我国夏季降水变化的可信度 [15]。这种方法也显著减少了 “过热” 的CMIP6模式对亚洲、非洲季风区降水的高估问题 [16]。

在CMIP国际合作框架下，传统的气候预估强调 “模式民主”，也就是参与CMIP的模式 “来者有份、一人一票” 地参与求多模式集合平均。这其中存在两个瑕疵：一是 “差生拖累优等生”；二是同一 “模式家族” 的投票权过大。

“差生拖累优等生” 容易理解。所谓 “模式家族”，是指参与CMIP计划的许多耦合模式，彼此可能共享了大气、海洋或其他圈层的分量模式代码，也可能在同一个分量模式里共享了同样的关键物理过程的数学描述方案代码，这使得这些模式的计算机模拟结果在许多方面 “长相相似”，若它们 “一人一票”，实际上破坏了 “模式民主” 的初衷。

为克服上述两方面的瑕疵，气候学界开始采用基于模式性能和模式独立性的加权方法来求多模式平均，“涌现约束” 技术实际上也隐含了这一最新思想。

5、“过热” 并非一定错：警惕气候变化的 “黑天鹅”

如前所述，IPCC第六次评估报告给出的气候敏感度的很可能（超过90%的概率）范围，被作为评价气候模式 “冷”  “热” 的标准。但限于当前的科学认知水平，目前依然有5%的概率使实际的气候敏感度高于5℃。这一概率尽管很低，但综合当前所有的科学证据，我们并不能排除其存在的可能性。

从应对气候变化的决策角度，科学界应该告诉决策者这种风险存在的可能性。因此，IPCC第六次评估报告给出了 “小概率高增暖情节”（Low-Likelihood High-Warming Storylines）的预估，即 “全球平均增温幅度超过估计值的很可能范围的上限” 这一高增温的极端情况，并强调，这种情节在发生概率上尽管被定义为 “极不可能”，但并不能排除其出现的可能性，因此，决策者的预案里面也应该对这类 “黑天鹅” 事件有所防范。

例如，当升温幅度很高时，类似南极冰盖的崩溃和热带雨林消亡这种 “小概率高影响” 事件发生的可能性会大大增加。这些事件一旦发生便无法逆转，会产生深远的气候环境和社会影响。因此，对于 “过热” 模式的结果不能简单地 “一扔了之”。

6、展望未来：架起气候模拟研究与气候影响评估有效合作的桥梁

首先，气候敏感度问题是气候物理学领域在气候变化研究上面临的核心问题，也是国际气候变化研究领域的热点和难点，它涉及气候系统复杂的反馈过程研究、各种古今气候记录和数据的对比等，不单纯是气候模式的研发问题。准确估算气候敏感度是气候物理学研究的重要目标。

事实上早在120多年前，瑞典科学家斯凡特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）就根据大气和地表的辐射能量平衡，估算出了第一个气候敏感度的数值（5-6℃），这项研究因为第一次强调要从能量平衡的角度讨论气候变化，被视为 “现代气候学的开端”。

随着科学技术的进步，人们开始利用计算机程序模拟气候变化，其中的先驱之一便是气候学家真锅淑郎，他在2021年与其他两位科学家分享了诺贝尔物理学奖。真锅淑郎获得诺贝尔物理学奖的重要贡献之一，就是和同事一起，首次可靠预测二氧化碳浓度加倍后所引起的变暖幅度。

100多年来，从观测数据和气候代用记录的积累，到气候模式的发展，再到气候物理学上的进步，我们关于气候敏感度的估算水平逐步提高、不确定性范围逐渐缩小。IPCC第六次评估报告给出的2.5-4.0℃范围，代表着我们当前的最佳认知水平，但上下限区间差异之大，意味着气候系统作为一个复杂系统的研究难度是非常高的。准确估算气候敏感度不会是一项一蹴而就的工作。

其次，CMIP6部分模式的高气候敏感度来自其物理过程的处理方案偏差。物理方案的偏差还会造成气候模式模拟的气候平均状态偏离实际。物理方案的合理设计需要依托观测数据，这包括场地观测资料和卫星遥感等观测资料的支撑。因此，气候模式的研发工作需要有与之相匹配的综合观测网系统。

用于支撑气候模式研发的观测系统建设不足，是我们当前的薄弱环节。世界气候研究计划2017年在英国召开的全球数值模拟大会，围绕提高包括气候模式在内的数值模式的性能，提出了六个需要加强的研究领域，其中之一就是关于支持模式研发的观测系统的设计和发展。因此，气候模式综合性能的提高，绝不单独是计算机代码的优化改进问题，需要加强与气候综合观测的结合。

第三，要加强气候模拟预估研究领域与气候影响评估领域的密切合作。部分CMIP6模式的气候敏感度偏高的问题，在气候模式研发领域并不是一个新话题；CMIP6于2013年开始酝酿，2014年正式被世界气候研究计划 “耦合模拟工作组” 批准实施，2015-2019年间陆续有模式数据发表 [17]，期间关于气溶胶强迫场问题、模式敏感度问题在多次世界气候研究计划耦合模拟工作组年会和国际会议进行了讨论，气候模拟研究领域也提出了诸多行之有效的订正方法。

但是目前看来，这方面的信息并没有及时全面地传达到气候影响评估领域，造成部分评估工作因为选择的模式不合理而高估全球增暖的影响（注意也有低估）。气候模拟研究领域实际上完全有能力为气候影响评估领域提供合理的、高质量气候模拟和预估数据，架起两个领域有效合作的桥梁是当务之急。

图6《巴黎协定》1.5℃和2℃温控目标下，2020年后的全球碳排放空间估算：分别给出IPCC AR5、1.5C特别报告和IPCC AR6的换算结果，每种温升阈值下的三段色阶分别表示以33%、50%和67%的概率实现温控目标所允许的排放空间。

其中，AR5对应的1.5℃温控目标下，未来排放空间是60-140Gt二氧化碳，2℃温控目标下为620-870Gt二氧化碳；AR6给出的1.5℃温控目标下的排放空间为400-500Gt二氧化碳，2℃温控目标下的排放空间为1150-1350Gt二氧化碳。（单位：1GtCO2=10亿吨O2）| 图源[18]

最后，算准气候敏感度的意义不单纯是给出准确的未来气候变化预估结果，而是对于推动和引导建立公平合理、合作共赢的全球气候治理体系至关重要。

随着《巴黎协定》的签订，在 “碳达峰、碳中和” 势在必行的形势下，未来碳排放额度 “有多少” 是目前急需解决的问题。图6给出了基于几份IPCC评估报告折算的温控目标下的剩余碳排放空间，可以看出，不同评估报告之间、以及同一报告给出的估算结果上下限范围，都存在较大的不确定性空间，造成这种差异的重要原因之一就是气候敏感度的不确定性  [18]。
因此，要适应国家应对气候变化的需求、保持国际竞争力，就必须统筹协调、多措并举，从系统工程的组织角度，加强气候模式研发的组织协调工作。 

参考文献：

1.Hausfather Zeke, Kate Marvel, Gavin A. Schmidt, John W. Nielsen-Gammon & Mark Zelinka, 2022. Climate simulations: recognize the ‘hot model’ problem. Nature,605, 26-29.

2.Voosen Paul, 2022: “Hot” climate models exaggerate Earth impacts. Science, 376 (6594), DOI: 10.1126/science.adc9453

3.IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 3−32, doi:10.1017/9781009157896.001.

4.Forster, P., T. Storelvmo, K. Armour, W. Collins, J.-L. Dufresne, D. Frame, D.J. Lunt, T. Mauritsen, M.D. Palmer, M. Watanabe, M. Wild, and H. Zhang: 2021, The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press.

5.原图见IPCC AR6，修订版见：周天军, 张文霞, 陈德亮, 张学斌, 李超, 左萌, 陈晓龙, 2022: 2021年诺贝尔物理学奖解读: 从温室效应到地球系统科学. 中国科学: 地球科学, 52(4): 579–594.

6.美国推动气候模拟国家战略委员会，2014.推动气候模拟的美国国家战略，气象出版社,1-307（周天军，邹立维等译）

7.王斌，周天军，俞永强，2008：地球系统模式发展展望. 气象学报，66（6）：857-869

8.周天军, 张文霞, 陈德亮, 张学斌, 李超, 左萌, 陈晓龙, 2022: 2021年诺贝尔物理学奖解读: 从温室效应到地球系统科学. 中国科学: 地球科学, 52(4): 579–594.

9.周天军, 陈梓明, 陈晓龙, 左萌, 江洁, 胡帅，2021: IPCC AR6报告解读：未来的全球气候--基于情景的预估和近期信息. 气候变化研究进展, 2021, 17(6): 652-663.

10.原图见IPCC AR5，修订版见：周天军, 张文霞, 陈德亮, 张学斌, 李超, 左萌, 陈晓龙, 2022: 2021年诺贝尔物理学奖解读: 从温室效应到地球系统科学. 中国科学: 地球科学, 52(4): 579–594.

11.Zhou, T. J., Z. M. Chen, L. W. Zou, et al., 2020: Development of Climate and Earth System Models in China: Past achievements and new CMIP6 results. J. Meteor. Res., 34(1), 1–19.

12.Meehl, G. A., C. A. Senior, V. Eyring, G. Flato, J.-F. Lamarque, R. J. Stouffer, K. E. Taylor, M. Schlund, 2020: Context for interpreting equilibrium climate sensitivity and transient climate response from the CMIP6 Earth system models. Sci. Adv., 6, eaba1981.

13.Zelinka, M. D., Myers, T. A., McCoy, D. T., Po-Chedley, S., Caldwell, P. M., Ceppi, P., et al., 2020: Causes of higher climate sensitivity in CMIP6 models. Geophys. Res. Lett., 47, e2019GL085782.

14.Cox, P., Huntingford, C. & Williamson, M. 2018: Emergent constraint on equilibrium climate sensitivity from global temperature variability. Nature 553, 319–322.

15.Chen, X., Zhou, T., Wu, P. et al., 2020: Emergent constraints on future projections of the western North Pacific Subtropical High. Nature Communications，11, 2802.

16.Chen, Ziming, Tianjun Zhou., Xiaolong Chen, Wenxia Zhang, Lixia Zhang, Mingna Wu, Liwei Zou. 2022. Observationally constrained projection of Afro-Asian monsoon precipitation. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-022-30106-z

17.周天军,邹立维,陈晓龙. 2019. 第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）评述[J]. 气候变化研究进展, 2019, 15(5): 445-456.  

18.周天军, 陈晓龙, 2022: 《巴黎协定》温控目标下未来碳排放空间的准确估算问题辨析. 中国科学院院刊, 37(2): 216-229.