主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？23 气候模型 -- 橡树村

橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？24 归因方法

前面介绍过，在气候确切没有受到人类活动干扰的时候，地球也经历了大幅度的气候变化。这些变化很显然只能归因为自然原因，这就提供了人们了解自然因素对气候影响的机会。了解这些时期的自然因素的变化情况以及相应的气候变化，对于人们理解气候本身的行为有很大帮助。与人们对当前气候的了解相比，这些古气候信息一般覆盖的时间比较长，有充分的时间展示各种气候反馈机制。当然，了解这些古气候的特征和变化原因、程度都有困难，大多数时候只能使用各种代用资料来确认各种变化特征，这些在前面已经有了描述。

有三个时期的古气候变化资料相对充分，各有特点，引起了研究者的兴趣。最遥远的是距今2.1万年的最后一次冰盛期，这个时期是最后一次冰川期里面冰川覆盖最广的时候，气温要明显低于现在，也更加干旱，一些代用资料显示最后一次冰期的时候热带海洋温度要比目前低2摄氏度，南北半球的冻土覆盖范围与现在相比也更加接近赤道。已经有人使用用来分析20世纪，21世纪气候变化的模型对这两个时期的气候进行分析。使用AOGCM气候模型对这个时期的模拟，发现当时全球平均温度比当代要低3.5到5.2摄氏度，只有一个模型模拟到了10摄氏度的温度差别，与之前使用PIMM模型的结果有一致性。所有的模型都表现出了比目前要弱的大气水循环，包括海洋蒸发量降低，大陆尺度的干旱。模拟到了这个时期热带地区的低温，也模拟了南大洋盐度更高温度更低的海水。与现代的气候比较，大气中温室气体浓度的差异贡献了这些气候差异的一半。不过模型在模拟北大西洋环流方面还有很大不确定性。不过基本上可以说，虽然仍然存在很大的不确定性，对于最后冰盛期的模拟基本上可以抓住当时的主要气候特点，同时模型自身的演变也展示使用根据最新的研究结果建立模型可以更好地模拟当时的气候状况。

研究的第二个时期是全新世中期，距今6000年。全新世中期的气候特点是北半球夏季的气温比当代明显要高，具体表现在温带森林的分布更加靠北，目前干旱的非洲萨赫勒地区在当时也非常潮湿，降雨充沛，热带地区的植被覆盖也更加茂盛。使用AOGCM模型对这个时期气候进行模拟，同时考虑大气模式以及海洋的反馈，显示了热带地区具有一个季节性的0.5-0.7摄氏度幅度的震荡，以及相对应的海水浅层温度1-2的季节震荡，这些震荡对印度和非洲的季风都带来很大影响。考虑了海洋的反馈之后，对于西非地区降雨的模拟与重建的数据吻合，不过对印度和西南亚的模拟仍有问题。对全新世中期的气候模拟显示植被变化很可能触发了大气水循环的变化，萨赫勒地区的潮湿环境增强了海洋的反馈。在中高纬度，植被和海洋的反馈导致春秋两季增高0.8摄氏度，不过模型很可能过渡估计了欧亚大陆的干旱，影响植被反馈的可靠程度。对于全新世中期的ENSO的重建和模拟显示当时的ENSO要弱于现代。模拟到全新世中期北半球夏季阳光辐射比现代要强，导致太平洋西部增温高于东部，增强了信风的强度，对ENSO有一定的抑制作用。使用不同的技术、原理构建的模型得到的模拟结果与代用数据之间都可以实现定性吻合。模拟全新世中期萨哈拉的降雨情况几乎成了检验模型模拟大气海洋耦合能力的一个指标。

前面讲到的两个时期，自然辐射，实际上主要就是太阳的辐射情况，与现代都有较大差别。模型对其模拟较好，可以说明模型对于太阳辐射变化导致的气候变化的模拟能力。在研究者关注的第三个时期，也就是最近千年的气候变化，自然因素的变化就不这么明显的。前面介绍过对这段时期气温情况的重建，相关研究已经很丰富，也导致了很大的不确定性，不过基本上勾勒出了两个重要的气候变化，一个是可能的中世纪时期的相对温暖，一个是17世纪较寒冷的气候。不过在年代甚至世纪的尺度范围上，不确定性仍然足够掩盖具体的气候变化。这些不确定性来源于各个研究者使用的不同的代用资料以及重建方法。尽管如此，基本上可以认定在50年平均的尺度上，20世纪后半叶非常可能是1300年以来最温暖的时期，也非常可能是最近500年以来最温暖的时期。对于最近千年的模拟也已经有了很多工作，利用现代资料建立的模型，使用对太阳辐射、火山爆发、温室气体，地表变化等外部辐射强迫的不同重建，对古代气候进行模拟。虽然使用方法的不同导致了重建的辐射强迫有所区别，各个模型自身也有差异，导致各个模型结果之间存在差异，不过在描述北半球平均温度的时候，不同的模拟还是表现出了一致性。比如模拟结果一般都显示出了1675年到1715年之间的变冷，并认定其是对自然辐射强迫变化的响应，与观测结果吻合。由于对外部强迫因素都是相对独立的，这些模拟结果表现出的广泛的一致性可以增加对重建可靠程度的信心，也增加了对于外部因素的作用的理解方面的信心。

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最近千年的主要火山喷发大都有记载，所以研究最近千年的古气候状况，对了解火山对气候的影响有重要作用。火山喷发后，会带来半球尺度甚至全球尺度的降温，然后是数年时间的逐渐恢复。在模拟火山喷发后的气候的时候，这些现象都可以观察到，模拟的结果也与代用资料相符合。上图显示的是对最近700年的北半球平均气温的重建，以及辐射强迫的重建。上图是北半球几组重建的平均气温，蓝灰色的Esper数据是北纬30到90度陆地平均气温，黄色的CH-blend与红色的CH-long数据是北纬30到90度的平均气温，紫色的Moberg数据是北纬0-90度的平均气温，数据仅到1925年。绿色的是仪器测量的数据，灰色的EMB是一个模型的模拟结果。下图是重建的辐射强迫，带有浅蓝色带的蓝色线显示的是火山的辐射强迫，绿色显示的是太阳辐射的辐射强迫，实线和虚线表示不同的研究者的重建结果，红色实线与黄色带表示人类活动带来的温室气体和气溶胶的影响，实线、虚线、点线表示不同的数据来源。这里面，可以找到一个很强烈的火山影响的信号，在20世纪末期，温室气体的信号也非常强烈。太阳辐射的影响的不确定性仍然很高，由于太阳本身存在年代际周期，同时还存在时间更长的周期，分析太阳辐射的变化就非常困难，同时温室气体还会对太阳辐射的空间分布产生影响，增加问题的复杂性。在全球范围内，在最近千年的时间范围，太阳辐射变化的影响仍然比较难被分辨出来。太阳辐射的变化有可能导致了1675到1715年的冷期，有模型能够显示这样的结果。但是，也有一些模型认为火山喷发很可能是造成这一时期气候变冷的主要原因。这方面，模型之间还缺乏一致性。模型还可以模拟ENSO。对于ENSO的模拟表示在1675年到1715年见，ENSO的频率和强度与仪器测量时代相当，甚至还有可以与1997-1998年度强烈的ENSO强度相当的事件。不过在12到14世纪，ENSO的活动就很少，相对应的是这一段时期北太平洋较冷，中北美洲干旱。模型研究发现ENSO的频率不必然与全球平均温度或者热带太平洋温度有联系，另有模型显示在热带火山喷发后的数年，会出现ENSO的异常。这样，当把太阳与火山因素共同考虑后，模拟的结果就会有所改善。不过这些关系在AR4的时候仍然是很早期的工作，还很难得出确切的结论。

其他可以影响气候的因素还有地表植被覆盖变化。人类的农业活动、对森林的砍伐都大面积的改变了地表的植被分布，影响了陆地上的碳储存，并影响地表的反照。模拟到当使用农业化之前的植被替代现代的植被以后，北美和欧亚大陆的主要农业区有可能在冬春两季要比现在冷1-2摄氏度。不过模型显示植被变化本身在半球和全球尺度带来的直接影响较小。有模型显示1860年以来的植被变化在全球范围仅带来-0.02摄氏度的变化，与1700年比较，变化也不超过-0.1摄氏度，在20世纪，变化不超过-0.05摄氏度。这么小的影响是很难检测的。另外一个重要的因素就是海洋。深海具有庞大的热容，使得海洋对外部因素变化的影响很慢，并带有可以分辨得出的因素。AR4时模型已经可以解释14到15世纪南大洋的变暖。

总的来说，使用模拟现代气候现象的模型在大尺度上可以比较好地模拟古代气候变化，与重建资料吻合。由于使用了不同来源的资料，不确定性不大可能导致温度重建与强迫重建之间导致虚假的一致性。可以说，利用根据现在资料建造的模型对于古代气候模拟的结果，增强了人们对模型的信心。

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