您对气候模型有疑问但不敢问的问题

气候学家告诉我们，天气会越来越热。降雨量和降雨地点可能会发生变化。海平面上升速度可能会加快。海洋正在变得更加酸化，含氧量也越来越低。洪水、干旱、风暴和其他极端天气事件的频率和强度预计将发生变化。

但他们如何知道这些呢？

对于气候科学家来说，数值模型是他们工作的工具。但对于外行人——甚至是其他领域的科学家——气候模型似乎很神秘。“数值”到底是什么意思？气候模型除了考虑大气之外还考虑其他因素吗？科学家如何知道一个模型是否有效？

两位气候建模专家——美国国家大气研究中心的 Andrew Gettelman 和密歇根大学的 Richard Rood——将免费为您提供答案和更多信息。在一本新的开放获取书籍《揭开气候模型的神秘面纱》中，两位专家阐述了基本原理。在 282 页的篇幅中，科学家解释了气候科学的基础知识、如何将科学转化为气候模型，以及这些模型可以告诉我们什么（以及它们不能告诉我们什么）——所有这些都没有使用任何方程式。

AtmosNews 采访了 Gettelman 以了解有关这本书的更多信息，任何人都可以在此处下载。

写这本书的动机是什么？

实际上，没有其他书能够阐述模型的哲学和结构。虽然有教科书，但你会发现里面有很多物理和化学知识：关于动量方程、湍流通量的信息——如果你想建立自己的模型，这些信息很有用。

还有一些针对外行人的关于气候变化的书籍，它们可能只用一段话来描述气候建模。中间部分则没有太多内容。

本书为刚入学的研究生或其他领域中对使用模型输出感兴趣的人，或者任何好奇气候如何运作以及我们如何模拟气候的人提供了介绍。

您听说过的关于气候模型的最大误解是什么？

一是人们说气候模型是建立在不确定的科学基础上的。但这根本不是事实。如果我们不了解科学，我的手机就无法使用。收音机无法使用。GPS 也无法使用。

这是因为，使地球变暖的能量来自太阳，被地球表面吸收并重新发射，大气中的温室气体也是如此，它们属于构成无线电波的同一辐射光谱的一部分。如果我们不了解电磁波，我们就不可能创造出我们今天所依赖的技术。气候模型其他方面的基础科学也是如此。

但我们并不了解一切，对吗？

几百年来，我们一直在理解基础物理学。其中最后一部分，即二氧化碳使大气变暖的发现，是在 19 世纪末 20 世纪初发现的。其他一切——运动定律、热力学定律——都是在 17 世纪到 19 世纪之间制定出来的。

我们的建模系统确实仍然存在不确定性。本书的很大一部分内容是关于科学家如何理解这种不确定性并将其作为工作的一部分。如果你知道自己不知道什么以及为什么不知道，你就可以用它来更好地理解整个气候系统。

我们能够消除不确定性吗？

不完全是。在我们的书中，我们将不确定性分为三类：模型不确定性（模型在多大程度上反映了地球的实际运作方式？）、初始条件不确定性（我们对地球系统目前的状况了解多少？）和情景不确定性（未来的排放量会是什么样的？）

为了更好地理解，如果你有一个可以模拟制作披萨的计算机模型，那么想象一下其中的不确定性可能会有所帮助。这个模型不是试图弄清楚 50 年或 100 年后地球的气候会是什么样子，而是预测你的披萨做好后会是什么样子。

你首先要知道的是，这个模型能多好地反映披萨制作的实际情况。例如，这个模型是否考虑了制作披萨所需的所有原料，以及它们各自的演变过程？奶酪融化，面团膨胀，意大利辣香肠收缩。这个模型能多好地模拟这些过程？这就是模型的不确定性。

你想知道的第二件事是，你是否可以将披萨的所有“初始条件”输入到模型中。有些初始条件（例如披萨上有多少意大利辣香肠片以及在哪里）很容易观察到，但其他则不然。

例如，揉捏披萨面团会产生小气泡，但你不知道它们的具体位置。当面团受热时，空气会膨胀并在饼皮中形成大气泡。如果你不能告诉模型气泡的位置，它就无法准确预测披萨烘烤时饼皮气泡会在哪里形成。

气候模型也是如此。地球的某些部分，如深海和极地地区，不容易进行足够详细的观察，科学家只能估算那里的情况，这导致了模型结果中的第二种不确定性。

最后，披萨烘焙模型还必须处理“情景不确定性”，因为它不知道烘焙者会将披萨放在烤箱中多长时间，也不知道烤箱温度是多少。如果不了解人类会做出的选择，模型就无法确定面团是软的、脆的还是焦的。

我们发现，在长期（比如一个世纪）的气候模型中，这种情景的不确定性实际上是主导因素。换句话说，我们不知道未来几年和几十年内，全世界的人类将排放多少二氧化碳，而事实证明，这才是最重要的。

您经常听到的其他误解有哪些？

人们总是说：“如果我们无法预测下周的天气，我们怎么能知道50年后的气候会是什么样子呢？”

一般来说，我们无法完美预测天气，因为我们并不完全了解当前的所有情况。例如，我们无法对天气模型上的每个网格点或大部分海洋进行观测。

但气候并不关心 50 年或 100 年后某一天的具体天气情况。气候是天气的统计分布，而不是该分布上的某个特定点。气候预测关注的是该分布的统计数据，它受长期能量和质量守恒定律的支配，这是我们所了解的。

在写这本书的过程中，您是否学到了有关气候模型的知识？

我的背景是大气。我坐下来几乎一口气写完了关于大气的整个部分。但我必须了解模型的其他方面，海洋和陆地，它们的工作原理完全不同。大气只有一个边界，即底部边界。我们只需要担心它如何与山脉和地表上的其他隆起物相互作用。

但海洋有三个硬边界：底部和侧面，就像一个巨大的粗糙浴缸。它顶部还有一个与大气的边界。这些边界确实改变了海洋的运动方式。而陆地则完全不同，因为它根本不移动。写这本书确实让我对地球系统其他部分的一些微妙之处以及我的同事们模拟它们的方式有了新的认识。

对您来说，写这本书最有趣的部分是什么？

我认为必须强迫自己用各种人都能理解的类比来思考。我可以用一大堆大多数人不常用的词来描述一个模型，比如“通量”。想出一些既能准确描述模型和科学又能让每个人都理解的词是一个有趣的挑战。

AtmosNews 报道美国国家大气研究中心的工作。