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常问的问题8.1 : 用来预估未来气候变化的
常问的问题8.1
用来预估未来气候变化的模式可靠性如何？
气候模式提供有关未来气候变化，特别是大陆及其以上尺度的气候变化的可靠量化估算具有相当高的可信度。这种可信度源于模式是建立在获得公认的物理原理基础之上的，以及它们再现观测到的当前气候和过去气候变化的特征的能力。某些气候变量(如温度)的模式估算可信度高于其它变量(如降水)。在几十年的发展中，模式始终提供一幅因温室气体增加而引起气候显著变暖的稳固而明确的图像。
气候模式是气候系统的数学表达式，用计算机代码表示，并在功能强大的计算机上运行。模式可信度的一个来源在于以下事实：模式的基本原理是建立在物理定律基础之上的，如质量守恒定律、能量和动力定律，同时还有大量的观测资料。
模式可信度的第二个来源是模式模拟当前气候重要方面的能力。通过把模式的模拟结果与大气、海洋、冰雪圈和地表的观测结果比对，可以对模式进行定期和广泛的评估。在过去十年里，通过组织过多模式的“相互比对”，对模式的评估达到空前的水平。在表示许多重要的平均气候特征方面，如大气温度、降水、辐射和风的大尺度分布，以及海洋温度、海流和海冰覆盖的大尺度分布，模式表现出重要的和不断提高的技巧。模式还能对许多跨越不同时间尺度观测到的气候变异分布型态的重要方面进行模拟。实例包括重要季风系统的前进与后退、温度的季节性偏移、风暴路径和雨带，以及温带地面气压的半球尺度起伏变化(北半球和南半球的“环状模”)。对一些气候模式，或与之有密切关系的变形，还可以通过用它们预测天气和制作季节预报来对其进行测试。这些模式在此类预报中证明它们的技巧，表明能够在较短的时间尺度上表述大气环流的重要特征，以及季节和年际变异的各个方面。模式表述这些特征和其它重要气候特征的能力增强了我们的信心，即它们能够表述对于模拟未来气候变化十分重要的基本物理过程。(注意，气候模式在预报几天以上天气的能力方面存在的局限性并不能限制它们预测长期气候变化的能力，因为这是完全不同类型的预测-参见FAQ 1.2)
FAQ8.1,图1.20世纪全球平均近地表温度，它们是根据观测值得出(黑色)的，以及根据由影响气候的自然和人为因子驱动的14个不同气候模式产生的58个模拟结果得出(黄色)的。同时给出这些运行结果的平均值(粗红线)。温度距平是相对于1901—1950年平均值的。竖直灰线表示较大火山喷发的时间(本图改编自第9章的图9.5。更多细节可参阅相应的插图说明)。
模式可信度的第三个来源是模式再现过去气候和气候变化特征的能力。模式已用于模拟古气候，如6,000年前温暖的中全新世，或21,000年前的末次冰盛期(参见第6章)。它们可以再现许多特征(在重建过去气候时允许有不确定性)，如上一个冰期中海洋变冷的大小和主要尺度分布型态。模式还能够对遍及仪器记录中的气候变化的诸多观测方面进行模拟。一个实例是能够以很高的技巧模拟过去一个世纪的全球温度趋势(如图1所示)，其中即包括人为因子，也包括自然因子对气候的影响。模式还可以再现其它观测到的变化，例如温度在夜间比白天增加得更快、北极的变暖程度较大，以及在重要火山喷发后出现的小规模、短时期的全球变冷(和随后的恢复)，如1991年皮纳图博火山的喷发(参见FAQ8.1，图1)。模式做出的对过去二十年全球温度的预估也在总体上与其后对该时期进行的观测相一致(第1章)。
不过，模式仍然表明存在重要的误差。尽管这些误差通常在较小尺度上会更大一些，但仍然存在重要的大尺度问题。例如，在模拟热带降水、厄尔尼诺-南方涛动，以及Madden-Julian振荡(在30-90天时间尺度上观测到的热带风和降雨的变化)时存在不足。大部分这类误差的最终原因是许多重要的小尺度过程不能够在模式中显式地表达，因此，当它们与大尺度特征相互作用时，就必须纳入到一种近似的表达形式中。其部分原因是受到计算能力的限制，但它也是由于在科学认知方面、或者在对某些物理过程进行详细观测的有效性方面存在局限性所造成的。尤其是，重要的不确定性与云的表述，以及最终得出的云对气候变化的响应有关。因此，在对特定温室气体强迫做出响应时，模式继续显示出大范围的全球温度变化(参见第10章)。不过，尽管存在这些不确定性，对温室气体增加过程中会出现气候明显变暖的预测仍在增加，且这种变暖在数量上与受其它来源(如观测到的气候变化和过去气候重建的结果)驱动的独立估算是一致的
由于全球模式预估的气候变化的可信度减少，为了研究区域和局地尺度的气候变化，专门开发了其它技术，如利用区域气候模式，或顺尺度方法(参见FAQ 11.1)。然而，由于全球模式仍在发展，其分辨率继续得到改进，它们对于研究重要的较小尺度特征(如极端天气事件中的变化)正变得越来越有益处，预计随着计算能力的提高，在区域尺度的表述方面会有进一步的改进。模式在处理气候系统时正变得更具有综合性，从而可以显式地表示更多的被视为对气候变化有潜在重要性的物理和生物物理过程及其相互作用，尤其是在较长的时间尺度上。一些实例包括：在最近的一些全球气候模式中纳入了植物响应、海洋生物与化学的相互作用，以及冰盖动力学。
总之，模式的可信度来自它们的物理基础，以及它们表现观测到的气候和过去气候变化的技巧。模式已经证明是模拟和了解气候的极为重要的工具，它们有相当高的可信度，能够提供可靠和量化的对未来气候变化的估算，尤其是在较大尺度上。模式仍然存在重要的局限性，例如对云的表述，这种局限性导致预测的气候变化在大小、时间，以及区域细节上存在不确定性。然而，在几十年的模式发展中，它们始终提供一幅因温室气体增加而引起气候显著变暖的确凿而清晰的图像。