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位于德国气候计算中心的计算机柜构成了超级计算机“Mistral”。图片来源:Felix König/dpa/Alamy Live News
位于德国气候计算中心的计算机柜构成了超级计算机“Mistral”。 信用:FelixKönig/ DPA / Alamy Live News
气候模拟
2019年12月2日8:00

CMIP6:解释下一代气候模型

泽克·豪斯的父亲

泽克·豪斯的父亲

2019年12月2日上午8:00
气候模拟 CMIP6:解释下一代气候模型

气候模型是科学家了解过去气候变化和未来气候变化的主要手段之一。这些模型非常详细地模拟了大气、陆地和海洋的物理、化学和生物学,需要世界上一些最大的超级计算机来生成它们的气候预测。

随着世界各地的不同型号群体纳入了更高版本,气候模型不断更新空间分辨率新的物理过程和生物地球化学循环。这些建模组协调其更新周围的更新政府间气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告,发布了一组模型结果,称为“运行”,为每一次运行做准备。

这些协调一致的努力是该计划的一部分耦合模型比对项目(CMIP)。2013年IPCC第五次评估报告(AR5)采用了CMIP5的气候模型,而即将发布的2021年IPCC第六次评估报告(AR6)将采用最新的CMIP6模型。

CMIP6将由全球大约100个不同气候模型的“运行”组成49个不同的模特组. 努力已经开始了落后时间表,而且似乎越来越不可能所有的CMIP6型号都能及时被纳入AR6。

现在可以获得足够的数据以产生对自CMIP5以来的事情发生变化的评估乐动体育下载app。这些模型正在运行许多新的和更新的排放路径,这些排放路径探讨了比CMIP5中包含的更广泛的未来结果。

虽然到目前为止只公布了大约40个CMIP6模型的结果,但已经很明显的是,其中一些模型的预测值明显更高气候敏感性比CMIP5中的模型更重要。这种更高的灵敏度有助于预测本世纪将出现更大的变暖——比CMIP5中运行的类似情景高出约0.4摄氏度——尽管随着越来越多的模型可用,这些变暖预测可能会发生变化。研究人员仍在努力评估为什么最新一代模型的敏感度值更高。

在此解释者中,Carbon简介概述了在乐动体育下载appCMIP6中使用的未来排放场景。这包括在迄今为止发布的CMIP6型号中的气候敏感度,过去和未来变暖的检查,看看如何与CMIP5中的先前一代模型进行比较。最后,本文将总结气候模型在CMIP6中进行的不同实验。

更新日期:2020年11月3日:由于ScenarioMIP项目现在提供了许多额外的CMIP6运行,本文已经更新以反映结果。本文的原始版本仅包括14个CMIP6模型运行;此更新现在包括42个历史运行,在某些未来排放场景中最多包括35个运行。“CMIP6历史模拟”和“CMIP6未来变暖”部分的所有数据都已更新,以反映最新结果。可以在此处查看原始图表归档版本这篇文章的作者。

更新日期:2020年6月17日:这篇文章已经更新,以包括更多的模型敏感性估计,以及一个新的部分,最新的研究在更高的灵敏度模型的可靠性看。

未来的发射情景

CMIP6代表了CMIP5的实质性扩展,包括参与建模组的数量、检查的未来场景的数量和进行的不同实验的数量。

目标CMIP公司是生成一组每个模型将运行的标准模拟。这使得结果可以直接在不同的模型之间进行比较,以了解模型在未来变化上的一致性和不一致性。模型运行的主要模拟集之一是未来气候情景,模型中给出了一组共同的温室气体、气溶胶和其他污染物的未来浓度气候强迫预测未来可能发生的事情。

在IPCC第六次评估报告的筹备阶段,能源建模界开发了一套由不同社会经济假设驱动的新的排放情景,这些情景是共享的社会经济路径“(SSPs)。这些SSP场景有很多已选定为CMIP6驱动气候模型。

具体而言,选择了一系列情景,以提供一系列不同的世纪末气候变化结果。IPCC第五次评估报告有四个特点典型浓度途径(RCP)研究了未来可能的不同温室气体排放。这些场景-第2.6款,循环周期4.5,RCP6.0型,和第8.5款- CMIP6中有新版本。这些更新的方案称为ssp1-2.6,ssp2-4.5,ssp4-6.0和ssp5-8.5,每个都会导致类似的2100辐射强迫在AR5中作为它们的前身。

许多新的场景也被用于CMIP6,以便为科学家提供更广泛的未来选择来模拟。这些情景包括在下表中,该表显示了截至2100年每个情景下假设的年二氧化碳排放量。新的场景包括SSP1-1.9(紫色线)、SSP4-3.4(蓝色实线)、SSP5-3.4OS(蓝色虚线)和SSP3-7.0(橙色)。

CMIP6中的未来二氧化碳排放方案
CMIP6中的未来CO2排放情景以及历史CO2排放量(黑色)。阴影区域表示无策略基线方案. 数据来自SSP数据库;通过碳简短使用图表乐动体育下载app海图.

CMIP6方案的一个主要改进是更好地探索可能的基准“无气候政策”结果。CMIP5中的上一代气候模型只包括一个非常高的基准情景(RCP8.5)和一个与基线结果一致的相对较小的缓解情景(RCP6.0)。随后的许多文献都将RCP8.5作为唯一的无政策基准,通常将其称为“一切照旧”,尽管它有一定的局限性最坏的情况可能没有政策结果。

CMIP6增加了一个新的场景SSP3-7.0,它正好位于能源系统模型产生的基线结果范围的中间。现在,建模者在模拟世界如何在一个没有制定任何气候政策的世界变暖时,可以研究最坏情况(SSP5-8.5)、中间路线(SSP3-7.0)和更乐观的结果(SSP4-6.0)。

SSP4-3.4是另一个新的情景,它试图探索到2100年将变暖一般限制在2摄氏度以下(RCP2.6/SSP1-2.6)和3摄氏度左右(RCP4.5/SSP2-4.5)的情景之间的空间。如果社会迅速减少排放量,但不能迅速缓解,将变暖限制在2摄氏度以下,这将有助于科学家更好地评估变暖的影响。

SSP5-3.4OS是一个超调情景(OS)在2040年之前,排放遵循最坏的SSP5-8.5路径,之后随着20世纪后期大量使用太阳能,排放量急剧下降负排放.

最后,SSP1-1.9是一个旨在到2100年将全球变暖限制在1.5摄氏度以下的情景预工业水平. 这是在战争结束后加上的巴黎协定当各国同意努力将温度增加到1.5℃时。该能源模型和简单气候模型发展到将变暖限制在1.5摄氏度,在全球变暖中起了很大的作用关于1.5C的特别报告IPCC在2018年发表的报告。这些新的CMIP6情景现在将允许完整的气候模型来探索大约1.5摄氏度变暖时的气候变化和影响。

CMIP6采用了新的方案,导致2100次强制,类似于CMIP5 RCP方案。然而,即使它们的世纪末强迫是相同的,二氧化碳和非二氧化碳的排放途径和组合是不同的。下图比较了旧RCP情景(虚线)和新SSP情景(实线)中的CO2排放量。

标题
CMIP5及其CMIP6对应物中的未来RCP二氧化碳排放方案以及历史二氧化碳排放量(黑色)。数据来自SSP数据库;通过碳简短使用图表乐动体育下载app海图.

造成这些差异的原因有几个。新的单一共享平台方案始于2014年,而旧的RCP方案始于2007年。低端SSP1-2.6情景比RCP2.6的排放量下降更为缓慢,起点更高,部分反映出2007-2014年的排放量明显高于原始RCP2.6情景的预期。为了弥补更高的起点和更慢的下降速度,它采用了更多的后世纪负排放量。

SSP2-4.5的起点较高,下降速度略慢于RCP4.5,但SSP2-4.5中较大的非二氧化碳排放下降也起到了一定作用。SSP4-6.0与RCP6.0有很大不同,与2080相比,2050年后二氧化碳排放量达到峰值并有所下降。虽然二氧化碳以外的温室气体的排放也起到了一定的作用,但这种更快的减排抵消了更高的近期排放量。最后,SSP5-8.5的二氧化碳排放量大大高于RCP8.5,相应地非二氧化碳排放量也有较大的削减。

许多高灵敏度模型

平衡气候敏感性(ECS)是大气CO2浓度加倍后的预期长期变暖。它是未来气候变暖影响将有多严重的最重要指标之一。“敏感性”是从气候模型中的物理和生物地球化学模拟中产生的东西;它不是建模者明确设定的东西。

迄今为止提供的CMIP6型号倾向于表现出明显高于CMIP5模式的气候敏感性。虽然目前只有40个CMIP6模型具备计算ECS所需的运行时间,但其中约有三分之一的模型的ECS高于IPCC AR5规定的可能范围上限1.5C至4.5C。四分之一的手机比CMIP5中的任何一款手机都具有更高的灵敏度。这些模型包括许多非常著名的建模小组的模型,比如社区地球系统模型2(塞斯曼)和梅特办公室阴影3模型。该瞬态气候响应在许多CMIP6模型中,与二氧化碳增加相关的短期变暖指标也明显更高。

下图显示了IPCC AR5可能的ECS范围(黑条),CMIP5型号(灰栏;黑点)的范围和单独值,以及可提供的CMIP6型号的范围和值(蓝栏;黑色点)。

可能的ECS范围
可能的ECS范围(例如估计有66%的可能性发生)IPCC第5次评估报告(黑条)、CMIP5型号ECS值(灰色)和CMIP6型号ECS值(蓝色)。碳纤维简图乐动体育下载app海图.

研究人员目前正在研究驱动这些高ECS值的原因。在许多模型中,EC的增加似乎到期他们改善了代表云和气溶胶;例如,模型如何处理过冷(低于冰点,但仍为液态)在南大洋的温度会对产生的敏感度产生很大的影响。

然而,尽管使模型更加现实,但这些改进是否转化为对ECS的更准确估计尚不清楚。例如,一些气候科学家表达怀疑论认为它们与来自古气候记录和其他证据的证据不一致。

IPCC AR6将如何将某些模型的高ECS与其他证据来源相协调,以及它们是否会更新“可能”的敏感度范围,还有待观察。

目前可用的40个CMIP6型号的ECS值如下图所示。其中14个以黄色突出显示,ECS高于4.5C,其中11个的灵敏度高于CMIP5中最高模型的灵敏度(例如4.7C)。26个型号的ECS值与AR5范围一致,CMIP6(1.8C)中的最低ECS型号与CMIP5(2.1C)中的最低ECS型号相似。

截至5月2020年5月可用的40个CMIP6型号的ECS值
40 CMIP6型号的ECS值,如5月2020年5月,必要的实验计算ECS(使用格雷戈里法)当前可用。ECS高于IPCC AR5可能范围的模型以黄色显示。请注意,并非所有显示的模型都是独立的,因为某些建模组(如CESM2)有多个版本。碳纤维简图乐动体育下载app海图.

AR5的“可能”ECS范围为1.5C-4.5C意味着真正的价值落在该范围内有66%的几率。因此,可以预期大约33%的值落在这个范围之外 - 并且有有充分的理由期待高于4.5c的值比1.5℃低的值更可能。例如,来自古怪数据,模型和观察的证据都表明了1.5C下方的EC不太可能,而它们并不容易排除4.5℃以上的EC。

在CMIP6中具有各种ECS值并不一定是坏事,因为它表明莫德勒不能选择与其他建模组的结果类似(例如适应人群)。然而,到目前为止可获得的多种型号具有非常高的ECS意味着未来的变暖可能比我们想象的或许多突出的气候模型可能会使气候敏感性错误,这是许多气候科学家专注的问题解决。

由美国宇航局的模型和超级计算机创建的气溶胶运动视图。图片来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心。

最新研究

最近,许多研究试图解决高灵敏度模型的可靠性问题。两项研究-通过菲姆克·尼耶塞和同事埃克塞特大学另一个通过Katarzyna Tokarska博士和同事们苏黎世ETH–指出灵敏度最高的模型在再现历史温度方面做得很差,要么没有显示20世纪的变暖和最近的变暖过快,要么整体变暖过多。他们认为,历史温度可以作为一个紧急约束,以帮助排除新的非常高的敏感性估计。

另一方面,一些研究人员争论近年来,这种自然变化帮助形成了一种气候变暖的模式,导致全球气温比其他情况下要低,这使得利用观测到的气候变暖来限制未来的预测具有挑战性。

A最近的研究通过威廉姆斯博士和同事英国遇见了办公室研究表明,最新的气象局模式(每增加一倍二氧化碳的敏感度为5.5摄氏度)比气候敏感度较低的模式变体在产生短期预测方面表现得更好,因为它在低温下有更多的云液态水。

然而,作为美国宇航局的加文·施密特博士指出RealClimate博客文章但仍不清楚为何短期预测必然与敏感性挂钩。施密特表明“可能所有在这项任务(短期预测)上做得好的模型都有一系列ECS值,而这一个模型做得好,ECS值高的巧合,只是巧合。”。

这些新的高灵敏度模型提醒我们,大的不确定性(以及风险的长尾巴)仍然存在,但气候模型只是一个例子许多人中的一个科学家用来确定气候敏感性的证据线。考虑到新模型敏感性估计的范围,科学家们建议现在说气候敏感性可能比以前认为的要高还为时过早。

CMIP6历史模拟

在CMIP6仍在运行的情况下落后于计划到目前为止,在最终的100种左右的车型中,只有35种不同的车型提交了未来排放情景运行。虽然结果可能会随着其他建模组的完成而改变,但有足够的模型可用于评估CMIP6与CMIP5相比的结果。

似乎越来越有可能的是,并非所有的CMIP6运行都将在截止日期要包含在最终IPCC报告中,由于2021年4月出版。但是,CMIP6在未来的研究人员仍然可以使用CMIP6运行。

虽然气候模型产出包括数千个不同的气候变量,但很多关注都集中在全球表面温度上。检查表面温度的两个不同实验特别感兴趣:模型表面温度“后报“——建模者模拟了从1850年到今天的时间段——以及不同排放情景下对未来变暖的预测。

事后预测是建模者评估气候模型性能的有用工具。当模型能够很好地表示过去的变化时,它可以灌输信心,让人们相信他们也能正确地处理未来的变化。

由于目前可用的计算能力有限,气候模型无法解决地球气候的所有小尺度物理问题。在某些情况下,它们必须为规模太小而无法有效模拟的过程(如云的形成)提供值。这些价值观的选择——这些价值观本身往往是高度不确定的——被称为模型调整. 虽然大多数建模者避免显式地调整他们的模型以匹配过去的温度变化,但当发现较大的不匹配时,可能会发生把他们弄得乱七八糟找到解决办法。在CMIP6中,一些建模组显式调谐一些参数更好地匹配历史温度 - 但是大多数人仍然没有.

下图,与来自的观察结果相比,下图显示了来自CMIP6(蓝色)和CMIP5(灰色)中的气候模型的全局表面温度“HindCast”美国宇航局GISTEP数据集。线条显示了当前提供后向预测的42个CMIP6模型的平均值,而阴影区域显示了模型运行的95%置信区间。

与CMIP5和CMIP5后测相比的观测温度。
与CMIP5和CMIP5后测相比的观测温度。CMIP6模型1850-2014年的历史运行与2019年所有可用情景的平均预测相结合。每个模型使用一次运行。实线表示多模型平均值,而阴影区域表示二西格玛射程。括号中的值反映了分析中使用的模型数。碳纤维简图乐动体育下载app乐动体育app苹果j海图.

尽管CMIP6中的ECS值发生了变化,但后测结果与CMIP5非常相似;观测值几乎总是在模型运行的范围内,模型很好地捕捉到了现代变暖。CMIP6模型在模拟1900-1940年观察到的20世纪早期温和变暖方面做得并不特别好,尽管在这方面它们与CMIP5相似。

评估后发绩效的一种方法是比较一段时间内模型和观测中的变暖率。下图显示了1880-2019年期间(左)和更现代的1970-2019年期间(右)的观测(来自NASA)、CMIP5模型和CMIP6模型的变暖率。这种分析始于1880年,因为使用的观测记录并没有一直延续到1850年。带标签的点代表所有模型的平均值(“多模型平均值”),而不确定性(蓝线)反映了所有模型的升温范围(或观测值升温速率的不确定性)。乐动体育app苹果j

观察到,CMIP5和CMIP6为1880-2019和1970-2019期的变暖率。
观察到,CMIP5和CMIP6为1880-2019和1970-2019期的变暖率。该点表示观察结果的中心趋势估计,并且CMIP5和CMIP6的多模型意味着。不确定性范围反映了观察结果的统计不确定性和所有模型的95%趋势。请注意,型号显示全球平均表面空气温度,而观察是一个混合陆地表面空气温度和海洋表面温度。碳纤维简图乐动体育下载app海图.

在完整的1880 - 2019年期间,CMIP5和CMIP6都匹配了观察到的变暖速率。在最近的1970 - 2019年期间,CMIP5中的多模型平均值比观察结果快10%,而到目前为止可获得的CMIP6型号子集的多模型平均值速度比观察速度快16%左右。CMIP6中的更高的加热速率可以由更高的模型灵敏度值驱动。

CMIP6未来变暖

CMIP6中可用的有限数量的未来预测意味着随着更多型号的运行进来,集体结果可能会发生变化。尽管如此,仍然可以初步评估今日可用的模型的未来变暖水平。虽然所有模型的平均值随着更多结果可以改变,但很明显,在CMIP6中升温的值范围将比CMIP5宽。

下图显示了全球变暖的范围和多模式平均变暖——从工业化前的水平到2090-2100年——这四个地区第1层“CMIP6场景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5)以及SSP1-1.9场景,其中有相对大量的运行可用。此图中未显示其他场景,因为发布的运行次数仍然太少,无法提供可比较的分析。括号中的数字显示了当前有多少建模组为每个场景提交了模型运行。乐动体育app苹果j

1880-1900年和2090-2100年间的CMIP6变暖
CMIP6在1880-1900和2090-2100之间升温,用于新的发射方案的子集,具有大量型号运行。该范围反映了每个场景的模型之间的最低和最高的变暖,而标记的点表示多模型均值。X轴上的括号中的数字表示当前可用的唯一模型运行数。通过碳简短使用图表乐动体育下载app海图.

到目前为止的结果表明了大量的未来变暖;新的SSP1-1.9场景 - 旨在限制变暖到1.5C - 具有1.4℃的多模型平均变暖。同样,SSP1-2.6场景 - 类似于AR5的“低于2C”RCP2.6 - 显示平均变暖2.0℃。在高端,SSP5-8.5场景显示了5.0℃的平均变暖,而新的SSP3-7.0场景显示4.1C的变暖。这些价值观略低于2020年初发布的本文初始版本中所示的值,因为最近报告模型的许多气候敏感性略低于略低 - 在CMIP5中发现的价值观(比早期报告模型)更多.

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到目前为止,一些未来的情景有相对较少的运行,因此应小心(特别是对于多模型均值)进行初始值,直到更多型号完成运行。即使是SSP2-4.5的那些,也有14个模型报告结果 - 可能会显着改变,一旦剩下的模型完成运行并添加到CMIP6数据库中。

迄今为止的结果与CMIP5中发现的类似强迫情景的结果有相当大的差异。下图比较了CMIP5和CMIP6中类似情景下工业化前的变暖水平。

1880-1900年和2090-2100年间,RCP情景的CMIP5和CMIP6变暖及其新的类似物
CMIP5和CMIP6在1880-1900和2090-2100之间变暖,用于RCP情景及其新的类似物。该范围反映了每种情况下模型中最低和最高的变暖,而标记的点显示了多模型的平均值。碳纤维简图乐动体育下载app海图.

虽然RCP2.6在CMIP5中的多模型平均估计为1.7℃,但新的SSP1-2.6场景的平均变暖为2.0℃。对于其他场景,发现类似的差异,CMIP6变体显示大约0.4℃的变暖。请注意,CMIP6结果未显示SSP4-6.0,因为它是“第2层“当前可用模型运行太少的场景,无法生成与其他场景相当的估计值。RCP和新SSP方案之间的差异也存在影响不大世纪末的气候变暖。

更多型号和实验

CMIP6实验包括基本“诊断”模拟(称为甲板其中CO2每年增加1%,或者突然四倍,或者气候迫使在长时间相对不变。这些包括由观察到的二氧化碳和其他的变化驱动的历史运行气候强迫以及21世纪及以后的未来排放情景。

此外,还有22个专业实验(23包括未来排放情景),建模小组可以选择参与。这些实验称为模型相互比较项目,或米普斯–提供对气候变化的有用评估,超出基本诊断和历史模拟中的评估。例如,在GeoMIP实验中,不同的建模组模拟不同类型的模型的效果地理工程关于气候。CMIP6中包含的MIPs如下图所示。

CMIP/CMIP6实验设计和21 CMIP6认可MIPs的示意图。经Simpkins(2017)许可复制。
CMIP/CMIP6实验设计和21 CMIP6认可MIPs的示意图。经辛普金斯许可复制(2017年)。

并非所有的建模小组都会参与CMIP6中的所有MIP实验,部分原因是并非所有小组都有相同水平的超级计算资源或对特定实验的兴趣。CMIP6中包含的MIP如下所示;有关每个MIP的详细信息,请参阅附带的链接。

有49个不同的模特团体参加了CMIP6,而CMIP5只有24个。下图显示了参与CMIP6的建模组的位置。

每个建模中心为CMIP6产生的输出加载到a上中央网门户网站,由气候模式诊断和相互比较计划管理(PCMDI.),来自世界各地的跨学科科学家可以自由、公开地访问。还有一个特刊关于CMIP6的地球科学模型发展的研究,涵盖整体项目和特定MIPS的28篇文章。

CMIP6是一项巨大的建模工作,远远超过CMIP5。这导致了一些延迟,CMIP6目前至少正在运行落后时间表. 虽然IPCC第六次评估报告目前正在起草中,但只有相对有限的一套模型可用,而且似乎不太可能在最后的第六次评估报告草案之前完成CMIP6的所有运行。

致谢

克里斯汀麦克凯纳博士利兹大学约束project使模型运行可用于创建此分析中的图形。乐动体育app苹果j

来自这个故事的Sharelines
  • CMIP6:解释下一代气候模型

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