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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”。信用:费利克斯·柯尼希/ DPA / Alamy图片社在线新闻
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气候模型
2019年12月28:00

CMIP6:新一代气候模型的解释

齐克Hausfather

齐克Hausfather

19年2月12日
齐克Hausfather

齐克Hausfather

02.12.2019 |上午8:00
气候模拟 CMIP6:新一代气候模型的解释

气候模型是科学家了解气候过去如何变化以及未来可能如何变化的主要手段之一。这些模型详细地模拟了大气、陆地和海洋的物理、化学和生物学,并且需要一些世界上最大的超级计算机来产生它们的气候预测。

随着世界各地不同的模型组采用更高的模型,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周期。这些模拟工作组协调各地的时间表其更新政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告,发布一套模型的结果 - 被称为“运行” - 在筹备阶段各去一次。

这些协调努力的一部分耦合模型相互比较项目(CMIP)。2013年IPCC第五次评估报告(AR5)从CMIP5特色的气候模型,而即将到来的2021第六届IPCC评估报告(AR 6)将有国家的最先进的新车型CMIP6。

CMIP6将来自全国各地正在生产大约100不同的气候模型包括了“跑”的49个不同造型组。这种努力已经比计划晚一年,而且似乎越来越不可能,所有的CMIP6车型将在一次列入AR6。

足够的数据现在可用于碳简要生产的东西是如何因为CMIP5变化进行初乐动体育下载app步评估。这些模型运行了一些新的和更新的排放路径是探索更广泛的将来可能出现的结果不是被列入CMIP5。

虽然仅约40 CMIP6模型得出的结果迄今已出版,就已经很明显,许多人有一个显着更高气候敏感性比CMIP5中的模型好。这种较高的敏感性导致了对本世纪更大变暖的预测——比CMIP5的类似预测高出0.4到0.9摄氏度——尽管随着更多的模型可用,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在最新一代的模型中灵敏度值会更高。

在本讲解员中,《碳简报》概述了CMIP乐动体育下载app6所采用的未来排放方案。这包括对迄今为止发布的CMIP6模型的气候敏感性、过去和未来变暖的研究,以及与CMIP5上一代模型的比较。最后,本文将总结气候模型在CMIP6中所进行的不同实验。

更新2020年6月17日:本文已更新,以包括更多的模型灵敏度估计,以及关于看着更高的灵敏度模型的可靠性最新研究一个新的部分。

未来排放情景

就参与模型组的数量、研究的未来情景的数量和进行的不同实验的数量而言,CMIP6代表了对CMIP5的实质性扩展。

的目标CMIP生成一组标准模拟,每个模型将运行这些模拟。这使得结果可以直接在不同的模型之间进行比较,以查看模型在哪些方面同意未来的变化,哪些方面不同意。模型运行的一组主要模拟是未来气候情景,其中给模型提供一组未来温室气体、气溶胶和其他物质的共同浓度气候强迫预测未来可能发生的事情。

在IPCC AR6之前,能源模型界已经开发了一套新的由不同社会经济假设驱动的排放情景,这些是共享社会经济途径”(SSPs)。许多这样的SSP场景已选定推动气候模型CMIP6。

具体而言,一组场景被选择,以提供范围端世纪初的不同气候变化结果。在IPCC AR5精选4代表性的浓度途径(的RCP),其检测不同的可能的未来的温室气体排放。这些情景 -RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0,RCP8.5-有新的版本在CMIP6。这些更新的场景称为SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP4-6.0和SSP5-8.5,每一个都导致类似的2100辐射强迫水平及其在AR5前身。

许多新的场景也被用于CMIP6,以便为科学家模拟提供更广泛的未来选择。下面的图表中包含了这些情景,显示了到2100年每一种情景下假定的二氧化碳年排放量。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中描述的未来二氧化碳排放情景,以及历史二氧化碳排放情景(黑色部分)。阴影区域表示的范围没有政策的基线情景。的数据SSP数据库;图表由碳简要使用乐动体育下载appHighcharts

对CMIP6设想的一个主要改进是更好地探索了可能的基线“无气候政策”结果。CMIP5中出现的前一代气候模型只有一个非常高的基线情景(RCP8.5)和一个相对小减缓情景与基线结果(RCP6.0)一致。尽管它是有点的大部分后续文献依靠RCP8.5作为唯一没有政策底线,往往将其称为“一切照旧”最坏情况之间可能没有政策的结果。

CMIP6又增加了一个新的场景 - SSP3-7.0 - 它正好位于在基线范围的中间成果通过能量系统模型制作。现在,建模者可以检查最坏的情况下(SSP5-8.5),中间的道路(SSP3-7.0)更乐观(SSP4-6.0)建模世界如何可能会在没有任何制定气候政策世界温暖时的结果。

SSP4-3.4是另一种新的情景,它试图探索到2100年将升温限制在2C以下(RCP2.6 / SSP1-2.6)和3C左右(RCP4.5 / SSP2-4.5)的情景之间的空间。它将帮助科学家更好地评估气候变暖的影响,如果社会迅速减少排放,但不能以足够快的速度减缓,将升温控制在2摄氏度以下。

SSP5-3.4OS是过度的场景(OS)在最坏的情况下,排放遵循SSP5-8.5的路径直到2040年,在那之后,随着本世纪后期的大量使用,排放量急剧下降负排放

最后,SSP1-1.9是一个旨在到2100年将升温控制在1.5摄氏度以下的情景工业革命前水平。它在的善后添加巴黎协定当时各国同意努力将气温上升控制在1.5摄氏度以内。的能源模型和简单的气候模型将升温控制在1.5摄氏度的研究在全球变暖中发挥了重要作用1.5C专题报道警监会发表2018年这些新CMIP6场景现在允许完全的气候模型来探索在大约1.5℃变暖的气候变化和影响。

CMIP6特点导致在2100年迫使类似RCP CMIP5方案中的新场景。然而,即使他们最终的世纪逼是一样的,排放途径和CO2和非CO2排放的混合是不同的。下图比较在旧的RCP情景的CO2排放量(虚线)以及它们的新的SSP同行(实线)。

CMIP5和CMIP6中描述的未来RCP二氧化碳排放场景,以及历史二氧化碳排放(黑色部分)。的数据SSP数据库;图表由碳简要使用乐动体育下载appHighcharts

这些差异有几个原因。新的SSP方案开始于2014年,而旧的RCPs方案开始于2007年。低端SSP1-2.6情景比RCP2.6的排放量下降更平缓,起点也更高,部分反映了2007-2014年排放量明显高于原RCP2.6情景的预期。为了弥补较高的起点和较慢的下降速度,它需要更多的本世纪末的负排放。

与RCP4.5相比,SSP2-4.5的起始点也较高,下降速度略慢,但非co2排放的下降幅度也较大。SSP4-6.0与RCP6.0有很大不同,与2080相比,CO2排放在2050年后达到峰值和下降。尽管二氧化碳以外的温室气体排放也起到了一定作用,但这种更快的减缓抵消了近期更高的排放。最后,SSP5-8.5的CO2排放量明显高于RCP8.5,相应地非CO2排放量的削减也更大。

许多更高的灵敏度机型

平衡气候敏感性(ECS)是预期的长期大气二氧化碳浓度加倍后升温。这是未来气候变暖的影响严重程度将是最重要的指标之一。“灵敏度”的东西,从气候模式中的物理和生物地球化学模拟出来;它是不是被明确建模者设置。

提供最新CMIP6模型倾向于显示比CMIP5模式显着更高的气候敏感性。而只有40 CMIP6模型目前必须计算ECS,约三分之一的那些所需的运行具有ECS高于可能的范围的上端 - 1.5C到4.5C - 在IPCC AR5提供。一季度比任何在CMIP5特色的车型具有更高的灵敏度。这些措施包括从一些非常突出的造型组的模型 - 如社区地球系统模式2(CESM2)和英国气象局HadGEM3模型。的瞬态气候响应- 短期的措施变暖与二氧化碳增加有关 - 也显着高于许多CMIP6模型。

下图显示了IPCC AR5可能的ECS范围(黑色条),CMIP5模型的范围和个体值(灰色条;,以及CMIP6模型的范围和价值的最新(蓝色条;黑点)。

可能的ECS范围(例如估计66%的机会发生的文化)从IPCC AR5(黑色条),CMIP5模型ECS值(灰色),并CMIP6模型ECS值(蓝色)。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

研究人员目前正在调查是什么驱使这些高ECS值。在一些车型的增加,ECS似乎到期了来改善他们的代表性云和气溶胶;例如,模型如何对待过冷云(零度以下,但仍液)在南大洋可以使产生的敏感性有很大的区别。

然而,尽管使模型更加逼真,但目前尚不清楚这些改进是否转化为ECS更准确的估计。例如,一些气候学家表达了怀疑高端值,认为他们是与古气候记录和其他证据的证据不一致。

这还有待观察IPCC AR6如何将一些型号的其他证据来源调和高ECS,如果他们将更新“可能”的感光度范围。

对于每个40个CMIP6模型的ECS值可用迄今示于下图。这些十四,以黄色突出显示,有一个以上ECS 4.5C,以及这些11具有高于在CMIP5最高模型(例如4.7C)的敏感性。二十六个型号有ECS值与AR5范围一致,在CMIP6(1.8C)的最低ECS模型CMIP5(2.1C)类似的最低水平。

到2020年5月,可用的40个CMIP6模型的ECS值,在需要的实验中计算ECS(使用Gregory法)目前已经上市。与上面的IPCC AR5可能范围内的ECS模型示于黄色。请注意,并非所有显示模式是独立的,有些模拟工作组 - 如CESM2 - 有多个版本。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

1.5C,4.5C手段的第五次评估报告的“可能” ECS范围内,有66%的机会,真值落在这个范围内。因此,大约33%的值的可预期落在该范围之外的 - 有有充分的理由期待这比4.5C高值的可能性比低于1.5℃的值。例如,来自古气候数据,模型和观测证据都表明,下一个1.5℃ECS是不可能的,而他们不那么容易排除上述4.5C的ECS。

在CMIP6中拥有不同范围的ECS值并不一定是一件坏事,因为这表明建模人员没有做出与其他建模组相似的结果选择(例如。随大流的拟合)。但是,事实上,一些可用的模型至今有很高的ECS意指未来气候变暖可能会加重病情比我们想象或一些著名的气候模型可能会越来越气候敏感性错了,一问,许多气候科学家的重点是解析。

由NASA的模型和超级计算机创造的气溶胶运动的观点。资料来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心。

最新的研究

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,通过芬姆克·Nijsse而在同事埃克塞特大学另一个通过Katarzyna Tokarska博士和他的同事苏黎世联邦理工学院-指出最高灵敏度模型在重现历史温度方面做得很差,要么没有显示20世纪的变暖,要么显示最近的变暖过快,要么显示整体变暖太多。他们认为,历史温度可以作为一个紧急约束,帮助排除新的非常高的敏感性估计。

在另一方面,一些研究人员争辩这种自然变化促成了近年来一种变暖模式的产生,导致全球气温比正常情况下更低,这使得利用观测到的变暖来限制未来预测变得具有挑战性。

一个最近的研究通过基思·威廉姆斯博士而在同事英国气象局建议最新气象局的模型 - 其具有5.5C的每倍增CO 2的灵敏度 - 生产短期预测比用,因为它具有在低温下更大量的云液态水的较低气候敏感性模型的变体更好地进行。

然而,由于美国航空航天局的加文·施密特博士指出在RealClimate博客文章,目前还不清楚为什么短期预测应该必然被链接到的灵敏度。施密特提示“这可能是因为,在这个任务做好所有的模型[短期预测]有一系列ECS值,并认为这一个模型的巧合做得很好,具有高ECS,当时仅仅是一个巧合”。

这些全新的高灵敏度机型提醒人们很大的不确定性(和风险的长尾巴)依然存在,但气候模型都只是其中之一科学家用来确定气候敏感性的一系列证据。考虑到新模型灵敏度估计的范围,科学家们表明,它仍然是言之过早,气候敏感性是比以前认为的可能较高。

CMIP6历史模拟

CMIP6跑步远远落后于计划,只有15最终100个左右的不同型号迄今已提交了未来排放情景运行。虽然结果可能为其他建模组完成改变,有足够多的型号,可提供CMIP6如何很可能会变成比CMIP5了初步评估。

它似乎越来越有可能,并非所有的CMIP6运行将可通过2020年10月的最后期限被包含在最终的IPCC报告,在4月份2021年出版。然而,CMIP6运行不及时为AR6准备仍将在未来的研究中使用。

虽然气候模型的输出包含数千种不同的气候变量,但很多注意力都集中在全球表面温度上。有两个不同的实验检验了表面温度,这是特别有趣的:模型表面温度追算” - ,其中建模者模拟从1850期间通过至今 - 和未来的凸起下不同排放情景升温。

后推是建模者评估气候模型性能的有用工具。当模型很好地表现了过去的变化时,它就能灌输信心,让人们相信将来的变化也会得到纠正。

考虑到当今可用的计算能力的局限性,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提供数值——比如云的形成。这些值的选择——它们本身往往是高度不确定的——被称为模型校正。虽然大多数模型制作者避免明确地调整自己的模式,以满足过去的温度变化,当大的错配发现它可能给他们加扰要找到一个解决。在CMIP6,几组造型明确地调不过,有些参数可以更好地匹配历史温度大多数人仍然没有

下图显示了CMIP6(蓝色)和CMIP5(灰色)两种气候模型的全球表面温度的“反演”结果,并将其与美国气象研究所的观测结果进行了对比美国国家航空航天局GISTEMP数据集。线显示目前平均可用15个CMIP6车型提供后报,而阴影部分表示模型运行的95%置信区间。这是款车型相比已经估计ECS值31更小的数目,因为不是所有的车型已经完成了他们的历史模拟。

观察到的温度相比CMIP5和CMIP5后报。从1850年至2014年CMIP6模型的历史运行相结合,与到2019年在所有可用的方案平均预测。一个运行在每个模型中使用。实线表示多模式均值,而阴影部分代表二西格玛的范围内。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

尽管变化在CMIP6 ECS值,则后报颇为相似CMIP5的;观察几乎总是运行模型和模型捕捉现代气候变暖以及合理的范围内。CMIP6车型不做特别好的工作从模拟增温1900-1940观察到的更温和的20世纪初,但在这方面,它们类似于CMIP5。

评估后报业绩的一种方法是比较模式和观测一段时间变暖的速度。下图显示了在观测气候变暖(美国宇航局)的速度,CMIP5模式和CMIP6模型既充分1880年至2019年期间(左),和更现代的1970年至2019年期间(右)。在1880乐动体育app苹果j年该分析开始,因为使用不延长所有于1850年的方式,标记点的观测记录代表平均所有型号的(“多模式均值”),而在不确定性(蓝线)反映的范围在所有的模型(或观察的升温率的不确定性)升温。

气候变暖对1880年至2019年和一九七○年至2019年期间的观察,CMIP5和CMIP6率。圆点代表中间趋势估计观测和CMIP5和CMIP6多模式均值。不确定性范围反映的意见的统计不确定性和趋势在所有车型的95%的范围内。需要注意的是模型显示全球平均气温,同时观察是一个组合表面空气温度在陆地和海洋表面温度在海洋。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

在整个1880-2019年期间,CMIP5和CMIP6都符合观测到的变暖速度。在更近的1970-2019年期间,CMIP5的多模式平均升温速度比观测快10%,而目前可用的CMIP6模型子集的多模式平均升温速度比观测快20%左右。CMIP6中较高的升温速率可能是由较高的模型灵敏度值驱动的。

在CMIP6未来气候变暖

CMIP6所提供的未来预测数量有限,这意味着随着更多模型的运行,总体结果可能会发生变化。尽管如此,用现有的模型对未来变暖的程度进行初步评估仍然是可能的。虽然所有模型的平均值会随着更多的结果而发生变化,但很明显,CMIP6的变暖范围将明显大于CMIP5。

下图显示了加热和多模式平均变暖的范围 - 来从2090至2100年工业化前水平 - 每个在CMIP6检查的未来情景(除了SSP5-3.4OS场景)。括号中的数字显示,许多模拟工作组如何提交当前运行模型为每个方案。

CMIP6在1880-1900和2090-2100之间变暖,每一种新的排放情景。这个范围反映了每个场景中模型的最低和最高升温,而标记的点表示多模型的平均值。x轴上括号中的数字表示当前可用的唯一模型运行的数量。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

到目前为止的结果是,未来会有大量的变暖;新的SSP1-1.9情景——旨在将升温控制在1.5摄氏度——有一个多模型平均升温1.6摄氏度。类似地,SSP1-2.6情景——类似于AR5的“远低于2摄氏度”RCP2.6——显示平均升温2.1摄氏度。在高端,SSP5-8.5情景显示平均升温5.5摄氏度,而新的SSP3-7.0情景显示升温4.5摄氏度。

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到目前为止,一些未来的场景只有相对较少的运行,所以在更多的模型完成它们的运行之前,应该谨慎对待初始值(特别是对于多模型平均值)。即使是像SSP2-4.5这样报告14个模型结果的模型,也可能在其他模型完成运行并添加到CMIP6数据库后发生显著变化。

到目前为止,对于类似的强迫场景,结果与CMIP5中发现的结果有相当大的差异。下面的图比较了CMIP5和CMIP6中类似情况下的前工业化水平。

CMIP5和CMIP6 1880-1900和2090年至2100年间对气候变暖的RCP情景和自己的新类似物。这个范围反映了每个场景中模型的最低和最高升温,而标记的点表示多模型的平均值。使用碳简表乐动体育下载appHighcharts

虽然RCP2.6在CMIP5了1.7℃变暖的多模式均值估计,新SSP1-2.6方案具有2.1C的平均变暖。类似的差异发现的其他情况下,与CMIP6变种0.4C和1.1C之间呈现更加升温。有趣的是,新SSP3-7.0场景显示了类似的升温的量 - 4.5C - 作为老RCP8.5情景 - 4.6C - 反映迄今公布的CMIP6模型的灵敏度更高。RCP和新SSP的情况也差异有轻微的影响在end-of-century变暖。

更多型号和实验

CMIP6实验包括基本的“诊断”模拟(称为甲板),其中二氧化碳是每年增加1%,或突然翻了两番,还是那里的气候强迫留下相对不变的很长一段时间。这些包括由二氧化碳和其他观察到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,有22个专业实验(23包括未来的排放情景),其造型团体可以选择参加这些实验 - 所谓的模式比较项目,或MIP的- 提供更改超出的基本诊断和历史模拟气候的有用评估。例如,在实验GeoMIP,不同的建模组模拟不同类型的效果地球工程对气候。CMIP6中包含的MIPs如下图所示。

CMIP/CMIP6实验设计和21 CMIP6支持的MIPs原理图。经辛普金斯允许复制(2017)。
CMIP/CMIP6实验设计和21 CMIP6支持的MIPs原理图。经辛普金斯准许转载(2017)。

并非所有的模拟工作组将参加CMIP6所有MIP实验 - 部分原因是因为不是所有的组具有超级计算资源或特别感兴趣的实验的同一水平。包括在CMIP6了MIPS下面列出;关于每个细节,可以在附带的链接找到。

  • 气溶胶和化学模式比较计划(AerChemMIP)
  • 耦合气候碳循环模式比较计划(C4MIP)
  • “消除二氧化碳模型相互比较计划”(CDRMIP)
  • 云反馈模型比对计划(CFMIP)
  • 发现及归因模式比对计划(DAMIP)
  • 年代际气候预测项目(DCPP)
  • 磁异常强制模式比较计划(FAFMIP)
  • 地球工程模式比较计划(GeoMIP)
  • 全球季风模式相互比较计划(GMMIP)
  • 高分辨率模式比较计划(HighResMIP)
  • 冰原模型相互比较计划(ISMIP6)
  • 地表,积雪和土壤水(LS3MIP)
  • 土地利用模式比较计划(LUMIP)
  • 海洋模型比对计划(OMIP)
  • 极性放大模式比较计划(PAMIP)
  • 古气候模拟比较计划(PMIP)
  • 辐射强迫模式比较计划(RFMIP)
  • 场景模式比较计划(ScenarioMIP)
  • 火山营力模式相互比较计划(VolMIP)
  • 协调区域气候降尺度实验(CORDEX)
  • 动态与变异模式比较计划(DynVarMIP)
  • 海冰模式比较计划(SIMIP)
  • 脆弱性,影响,适应和气候服务咨询委员会(VIACS AB)

有49个不同的建模小组参与了CMIP6,而在CMIP5有24个。下图显示了参与CMIP6的模型组的位置。

每个建模中心产生用于CMIP6输出被装载在中央门户网站由计划气候模式诊断和比对(管理PCMDI),在许多学科和来自世界各地的可以再自由和公开访问科学家。还有一个特殊的问题对CMIP6杂志地球科学模型开发,与28日公布的文件,内容涵盖整个项目和具体的MIP。

CMIP6是一个巨大的建模工作,实质上比CMIP5更有野心。这导致了一些延迟,目前至少CMIP6在运行比计划晚一年。虽然目前正在起草的IPCC AR6,只有一组相对有限的型号可供选择,并且似乎也不可能所有CMIP6运行会在第一时间进行最后AR6草案完成。

致谢

恭McKeena博士利兹大学限制项目提供的这个分析方法来创建数字模型运行。乐动体育app苹果j

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