首页 >> 环境 >> 文章

Olive Heffernan 文 Shea 译

新一代的精密地球模型正在为其第一次“大考”紧锣密鼓地进行准备。但是,增加的复杂性可能会给对未来的气候带来更大的不确定性。

  在英格兰南部有一幢三层高的玻璃幕墙政府大楼,看上去既开放又漂亮。但是,门前的警卫以及其他安全措施却时刻提醒着路人,这里是英国国防部正在开展敏感且对国家未来极为重要的研究工作的地方。在这栋大楼的地下室里,两个相连的房间里放置了27个大黑盒子,它们每小时会处理一百万行计算机代码,以此来一窥地球以及它的70亿居民的未来。


[图片说明]:英国气象局办公楼。版权:The UK Met Office。

  这台英国气象局的超级计算机正是世界上可能是最复杂的气候模型的“家”。这一新近完成的模型由英国气象局研究气候变化的哈德利中心的科学家开发,将在未来几个月内迎来它的第一次“大考”。它将为政府间气候变化专门委员会(IPCC)将于2013年公布的下一份有关气候变化物理基础的报告运行一系列到2100年的数值模拟。

  这一被称为“HadGEM2-ES”的模型研发耗时四年,“HadGEM2-ES”意为“添加了地球系统的哈德利中心全球环境模型第二版”。它是全世界正在研发的十几个地球系统模型之一,但它已经远远超出了那些仅仅考虑了空气、阳光和水等气候物理要素的早期模型。这一新一代的模型不单包含了这些,还囊括了更多:可以做为条件缩放的森林;能随着海洋酸性增加而变化的海洋食物链;在大气中通过与温室气体相互作用能加强或影响其变暖效力的气溶胶粒子。

  哈德利中心在研发复杂气候模型上走在了世界的前列。加拿大维多利亚大学进行气候建模研究的安德鲁·韦弗(Andrew Weaver)说:“这真的是在挑战已有的极限。”

  研究人员希望增加的复杂性能给他们带来更切合实际的预报,并帮助他们获得有关气候要素之间是如何互相作用的新认识。但是,不管这一惊人的尝试是否真的能帮助政治领导人和科学家来筹划地球的未来,它多少有一点赌博的味道。由于模型中模拟了更多的元素而这些元素中的每一个又会发生变化,因此额外的复杂性会加大对温度或降水随时间变化预报的误差。“这一代用于下一份IPCC报告的模型很可能会给出未来气候的多种结果,”正在美国国家大气研究中心(NCAR)领导地球系统模型开发的吉姆·赫里尔(Jim Hurrell)说。

  HadGEM2-ES的核心和其他所有的气候模型类似,都是描述大气环流和热力学的一系列方程组。通过求解其中许多点的值就组成了一个覆盖地球表面的三维网格。

  HadGEM2-ES的网格具有192个和144个分别在东西和南北方向上均匀分布的格点。每个三维网格单元所覆盖的表面差不多就是经度为2°×宽纬度为1°的区域,在赤道上它对应的大约是100千米×200千米的区域。HadGEM2-ES中的大气被划分成了彼此不相等的38层,在靠近地面和海面的地方每一层的厚度大约为20米,但随着高度增加厚度会逐渐增大。

从黏土到树叶

  如同所有的现代全球气候模型,HadGEM2-ES也包含了大气模型和海洋模型的相互作用(耦合)。20世纪80年代和90年代初,在最早的哈德利耦合模型中的海洋被称为“沼泽”,只不过是连接大陆的大型浅水塘而已。随后它们逐渐演变成了“板块海洋”——虽然呈刚性,但可以吸收和释放热量。与之形成鲜明对比的是HadGEM2-ES中的全球海洋,它具有洋流和涡流。这一海洋被划分成了40层,深度到5,000米。最顶层的厚度只有10米。这一重要的突破使得模型可以更真实地模拟海洋是如何在不同深度吸收并储存二氧化碳的。

  在整齐的白色墙壁和办公桌之间,哈德利中心的科学家正在冥思苦想如何模仿云、水流、树木和冻原以及地球上其他无数可以放大或减小全球气候变暖的东西。然而在这里,这些复杂的工作被完成的唯一标志只不过是计算机电脑屏幕上滚动的一行行代码。


[图片说明]:英国气象局的超级计算机。版权:The UK Met Office。

  构成HadGEM2-ES的代码还包括地球系统的其他几个部分,例如一个封闭的碳循环,它在理论上可以解释地球上可能会对未来几个世纪气候造成影响的所有碳。这一模型囊括了详尽的大气化学、可随着气候生长和死亡的植被以及可独立响应不断变化的温室气体水平的海洋生物和地球化学系统。

  在陆地上,植被从灌木到针叶树被划分为9类的——这是如何在模型中体现生物圈的一大进步。在气候模型中加入生物学的首次尝试把所有的生命处理成了一个从两极到赤道、均匀覆盖的“绿层”。做为HadGEM2-ES的前身,HadGEM1也包括了和HadGEM2-ES相同的植被,但它是静态的。现在,模型中的植被类型可以变化,树叶会随着季节性周期而改变。

  把这么多元素同时融入一个模型会大大地减缓它的运行速度。模拟一个月的气候需要一个小时的计算时间。“这就是为此付出的代价,”碳循环专家、一直致力于研发HadGEM2-ES的克里斯·琼斯(Chris Jones)说。HadGEM1的运行速度是新模型的3倍。

  即便有着精细的分辨率,一些在气候上重要的过程,例如云,对于HadGEM2-ES而言还是太小无法直接模拟。为了解决这个问题,气候模拟采用了一种被称为“参数化”的技术。例如,与试图在某个网格内模拟云不同,一系列描述云的形成和消散以及它们对辐射的吸收和反射的方程被用来描述它们对气候的影响。然后再对每个网格进行平均。

  参数化是一种“必要的恶”,因为它会引入误差。不过,更麻烦的也许是随机误差。只要输入一小点错误的数据就可以使得整个系统失控。因此,哈德利中心的科学家发现,如果他们为世界上的干旱地区所设置的植物太少的话,结果就会造成没有充足的植被来固定土壤。不久,模型大气中的尘埃水平就会上涨并失去控制,达到3倍于平均值,这反过来又会影响海洋,导致浮游植物疯长。不过换个角度看,这其实多少也说明了点问题。

识别误差

  模型的研发人员对误差的影响再熟悉不过了。“它们不仅常见,也是我们大家必须要经历的,”赫里尔说。为了确定这些误差,每个模型都要经受严格的测试。在这个过程中会对模型进行一系列的“控制运行”,通过模拟一个稳定气候来对其进行测试。此外还会对过去的气候进行模拟,以此来判定它再现历史上气候变化的能力。目前HadGEM2-ES正处在这一阶段,这一测试到2010年3月份结束。

  “有时候,你得到结果完全不切实际,”琼斯说。当结果与现实对不上的时候,模型的研发人员会利用他们对气候系统的认识来识别出模型中可能的误差并对它们进行修正。但偶尔这也会导致对问题的新的认识。例如,在HadGEM2-ES中与现实不符的沙尘暴却揭示了,即使是沙漠中的少量植物也会影响全球的气候。

  测试阶段通常会把模型调教得能很好地模拟过去和现在的气候,但是往往某些方面仍然会造成很多问题。事实上,每一个模型都有弱点。当哈德利中心的科学家研发HadGEM1的时候,这个模型就很难模拟厄尔尼诺南方涛动现象——它会驱动许多横跨太平洋的气候变化。“这使许多人不停地唠叨,哈德利中心失去了其在这个领域的领导地位,”负责HadGEM2-ES模型研发的科学家比尔·柯林斯(Bill Collins)说。但是,美国国家大气研究中心的科学家所使用的模型在厄尔尼诺身上也遇到了同样严重的问题。而美国地球物理流体动力学实验室(GDFL)的气候学家罗纳德·斯托弗(Ronald Stouffer)则说,在上一份IPCC的评估报告中他们的模型在模拟北太平洋海冰上是“世界上最差的”。

[图片说明]:气候模型随时间的变迁。版权:The UK Met Office/IPCC。

  不过,当这些模型被用于再现全球范围内过去和现在的气候时,它们却是最好的。“这正是我们这一行的乐趣所在,”斯托弗大笑着说。“你可以让你的模型整体上表现出色,但在某一点上却可能会极为糟糕。”在接下去的几个月中为IPCC进行模拟之后,HadGEM2-ES的盲点应该也会显现出来。

  不管HadGEM2-ES可能会存在什么样的漏洞都有可能会被它的战友来弥补——其他的地球系统模型也会为IPCC的预报进行数值模拟。这些模型来自美国地球物理流体动力学实验室、美国国家大气研究中心,以及还有来自澳大利亚、加拿大、中国、法国、德国、日本和挪威研究小组的模型。“模型的多样性是非常重要的,”韦弗说,因为当涉及到建模的时候