《科学新闻》：气候模型，水晶球还是无底洞
“政府间气候变化专门委员会，也就是IPCC的第四次评估报告称，到21世纪末全球平均温度将比现在升高2.5至3.8℃，这将导致一些地区持续产生干旱、热带风暴等气象灾害……”
科普日的活动中，工作人员正在给大家演示着未来的气候变化趋势，触目惊心的图片和生动的讲解让观众们惊叹不已。这些让他们惊叹的图片并不是出自摄影师之手，而是通过气候模型模拟得到的。
神秘的气候模型
气候模型，对于大多数普通人来说也许是个稍显陌生的词汇。那么，到底什么是气候模型呢？也许我们可以从一篇描述它的文章里看出一些端倪。
“英国南部城市埃克赛特的办公大楼在三层玻璃窗户的装饰下，显得富丽堂皇……这座大楼的地下室里，两座毗邻的房间内安放着27个巨大的黑色箱子，它们连接着数百万条线路，有关地球和60多亿人的下一刻动向通过电脑编码的形式，传输到这些黑色箱子里进行处理……”
这段描述出自一篇2010年发表于《世界博览》杂志的文章中，文中的大楼正是英国国家气象局办公楼，而那些黑色箱子就是超级计算机。当时，即将在这些计算机中运行的就是气象局下属的哈德里气候变化研究中心研制而成的最新气候模型——“哈德里2号气候模型”。
气候模型不是一台仪器，而是一个数学模型，换句话说就是计算机程序代码。它利用物理、化学、流体力学等方程式，外加由实际观测得到的气候场资料作为起始状态，最终在计算机上再现气候变化的过程。
这种由成千上万行计算机代码建立起来的地球模拟系统，正在成为气候科学的核心工具。
当前，世界上很多工业化国家都在投资研发气候模型，以期用来预测二氧化碳含量在大气中的不断升高，为全球空气和海洋温度、洋流以及极地冰等带来的影响。
与我们更为熟悉的气象预测不同的是，气候预测主要针对区域尺度和全球尺度，而不是局地尺度。研究人员运用气候模型能够模拟全球几年、几十年甚至数千年的气候变化。
为了验证模型的准确性，科学家通常模拟过去的气候状况，然后将实际观测到的信息与模型计算结果进行比较。
“更好地描述世界”
气候模型的发展经历了一个从简单到复杂的过程：从低精度到高精度；从只有少数动力和热力过程到包含更多物理化学过程（如云、气溶胶等）；从只有大气部分到包含大气、陆地、海洋甚至生物圈等多个圈层。
当今国际上研制气候模型较为先进的主要有美国、英国、德国和日本等。其中，应用最为广泛的气候模型以美国第5代气候模型——通用地球系统模型（CESM）为代表。
CESM诞生于2010年7月，是由美国国家大气研究中心（NCAR）推出的新一代地球系统模型。虽然CESM是由美国国家科学基金会、美国能源部（DOE）和几百位科学家共同研制的成果，但全球的科研人员都可以免费获取。
作为一个完全耦合的气候模型，CESM包括了大气、陆地、海洋、海冰、陆冰等几大模块，可以用于研究地球的过去、现在和未来的气候状况。
目前，CESM已经成为了IPCC撰写评估报告所使用的主要气候模型之一。科研人员运用CESM来模拟海洋生态系统与温室气体的相互作用，臭氧、粉尘和其他大气化学物质对气候的影响，大气、海洋和地表的碳循环，以及温室气体对高层大气的影响等。
借助CESM，研究人员还可以探索更广阔的应用空间，如对空气质量和生物地球化学反馈机制的研究。
“CESM有助于人们探究前人无法解决的科学问题。”NCAR的模型建造者James Hurrell称，“模型通过改进的物理过程与扩展的生物地球化学过程和方法，帮助人们更好地描述世界。”
最新升级计划
虽然，在构建气候变化的全球图景时，现有的气候模型所做到的已经能够接近最好水平。但是，越来越多的科学家和政策制定者希望获得拥有更高分辨率的气候模型，可以将镜头聚焦到小于100平方公里范围内的气候现象，例如海洋漩涡、暴风雨和山脉等。
相关研究显示，这些元素的增加，再加之超级计算机的强大“火力”，气候模型的预测能力有望大大提高。
科学家们的愿望也许就要实现了。根据美国《科学》杂志的报道，DOE正在拟建美国第6代气候模型，这个还没有命名的、计划中的模型将是CESM的最新版本，拥有更高的分辨率。这个CESM的升级版将致力于回答全球变暖会对生物燃料作物或发电厂的水供应造成怎样影响的问题。
“我们能将广泛的建模技术与世界上速度最快的计算机相结合，在气候模型研制领域，DOE的国家实验室绝对是‘先头部队’。”DOE的工作人员表示。
根据相关部门官员透露的信息，新模型的建造将会涉及DOE的7个实验室，但不需要新的资金投入。他们希望建模计划能在4个月内启动，但实际上该计划“只有在同行评议中得到积极结论，并且通过DOE批准后”才能开始实施。届时，DOE将与运行CESM和其他气候模型的科学家共同分享计算机代码，这将有助于他们获得更高分辨率的模型。
新一代气候模型的研制计划听起来似乎相当不错，但这个美好的愿景同时也伴随着质疑的声音。
一些人对相关机构合作中的官僚主义倾向表示担忧。按照规定，该模型建造过程中的所有更改都必须经过一个非常严苛的审批程序。这样就可能会造成一些新想法不能被及时采纳的情况。
尽管DOE的工作人员表示新的建模计划不会导致CESM经费的削减，包括今年投入到NCAR的620万美元，但还是有人担心新模型会将DOE的专家从现有的研究中转移出去。
“新计划是很好的，但是建模研究的人手不足。”DOE的Lawrence Berkeley国家实验室、加州大学伯克利分校的模型专家Inez Fung说，“与把研究人员分散开来相比，将更多的智力投入到一组编码中，成果可能会更好。”
另外一个令人担忧的问题是，美国真的需要6个气候模型吗？
去年，白宫管理和预算办公室已经就模型过剩的问题考察过相关机构。同时，众议院科学委员会中的共和党成员表示，过多的钱被浪费在了气候科学领域。
争议还将持续
新模型的建造遭到质疑，现有的气候模型也未能幸免。长期以来，对现有模型的批评主要集中在其对气候变化预测的准确度上。
最近，有一项研究对20世纪90年代进行过的117次气候预测与实际的气候变暖情况进行了比较。
令研究者惊讶的是，在这117次预测中，只有3次是基本符合实际情况的，另外114次则高估了气候变暖的程度。研究结果显示，气候变暖被预测的程度平均是实际情况的两倍。
这项研究引起了人们的关注和讨论。有些科学家认为，这说明了气候模型的准确性需要被再次评估，但也有些科学家表示这是正常现象。
因为，从长期来看，气候模型对气候变化发展趋势的预测是正确的，但气候的演化存在很多变数，不能期望其绝对准确。
虽然，全球气候变暖的程度有可能被气候模型夸大了，但不可否认的是，人们确实应当开始关注全球变暖的问题。只不过，也许人为造成的温室气体对气候变化的影响并不像很多人想象的那么大而已。
气候模型的预测为什么会不准确？相关学者列举的可能的原因包括太阳辐射、对火山喷发次数预测的不准确，以及对二氧化碳对气候影响的估计不足等。还有专家认为，气候模型之所以高估了气候变暖的程度，是因为它们处理云的方式有问题。
一位不愿透露姓名的研究气候型的专家对《科学新闻》记者表示，现有的气候模型的水平肯定是不够的，于是有人将此归因于模型的精度不够高，认为需要发展更高精度的模型，这也是美国发展新一代气候模型的初衷。但是，模型的模拟准确度是否会随着模型精度的提高而提高，研制新一代模型是否在浪费资源，目前还没有明确的答案。
有专家认为，当前现有模型对气候变化预测的不准确，是由于其没有抓住自然变率中的某些因素，如深层海温对气候的影响等，而这些问题并不是提高精度所能解决的。
精度提高肯定可以提升模型对更小尺度的自然过程的模拟，这对模型发展是有利的，但不能指望提高精度来解决一切问题。提高模型准确度还需从物理上揭示更深层次的影响气候变化的机制，并改善机制。■
（本文部分内容编译自《科学》）
