Olive Heffernan　文　Shea　译

新一代的精密地球模型正在为其第一次“大考”紧锣密鼓地进行准备。但是，增加的复杂性可能会给对未来的气候带来更大的不确定性。

　　在英格兰南部有一幢三层高的玻璃幕墙政府大楼，看上去既开放又漂亮。但是，门前的警卫以及其他安全措施却时刻提醒着路人，这里是英国国防部正在开展敏感且对国家未来极为重要的研究工作的地方。在这栋大楼的地下室里，两个相连的房间里放置了27个大黑盒子，它们每小时会处理一百万行计算机代码，以此来一窥地球以及它的70亿居民的未来。

[图片说明]：英国气象局办公楼。版权：The UK Met Office。

　　这台英国气象局的超级计算机正是世界上可能是最复杂的气候模型的“家”。这一新近完成的模型由英国气象局研究气候变化的哈德利中心的科学家开发，将在未来几个月内迎来它的第一次“大考”。它将为政府间气候变化专门委员会（IPCC）将于2013年公布的下一份有关气候变化物理基础的报告运行一系列到2100年的数值模拟。

　　这一被称为“HadGEM2-ES”的模型研发耗时四年，“HadGEM2-ES”意为“添加了地球系统的哈德利中心全球环境模型第二版”。它是全世界正在研发的十几个地球系统模型之一，但它已经远远超出了那些仅仅考虑了空气、阳光和水等气候物理要素的早期模型。这一新一代的模型不单包含了这些，还囊括了更多：可以做为条件缩放的森林；能随着海洋酸性增加而变化的海洋食物链；在大气中通过与温室气体相互作用能加强或影响其变暖效力的气溶胶粒子。

　　哈德利中心在研发复杂气候模型上走在了世界的前列。加拿大维多利亚大学进行气候建模研究的安德鲁·韦弗（Andrew Weaver）说：“这真的是在挑战已有的极限。”

　　研究人员希望增加的复杂性能给他们带来更切合实际的预报，并帮助他们获得有关气候要素之间是如何互相作用的新认识。但是，不管这一惊人的尝试是否真的能帮助政治领导人和科学家来筹划地球的未来，它多少有一点赌博的味道。由于模型中模拟了更多的元素而这些元素中的每一个又会发生变化，因此额外的复杂性会加大对温度或降水随时间变化预报的误差。“这一代用于下一份IPCC报告的模型很可能会给出未来气候的多种结果，”正在美国国家大气研究中心（NCAR）领导地球系统模型开发的吉姆·赫里尔（Jim Hurrell）说。

　　HadGEM2-ES的核心和其他所有的气候模型类似，都是描述大气环流和热力学的一系列方程组。通过求解其中许多点的值就组成了一个覆盖地球表面的三维网格。

　　HadGEM2-ES的网格具有192个和144个分别在东西和南北方向上均匀分布的格点。每个三维网格单元所覆盖的表面差不多就是经度为2°×宽纬度为1°的区域，在赤道上它对应的大约是100千米×200千米的区域。HadGEM2-ES中的大气被划分成了彼此不相等的38层，在靠近地面和海面的地方每一层的厚度大约为20米，但随着高度增加厚度会逐渐增大。

从黏土到树叶

　　如同所有的现代全球气候模型，HadGEM2-ES也包含了大气模型和海洋模型的相互作用（耦合）。20世纪80年代和90年代初，在最早的哈德利耦合模型中的海洋被称为“沼泽”，只不过是连接大陆的大型浅水塘而已。随后它们逐渐演变成了“板块海洋”——虽然呈刚性，但可以吸收和释放热量。与之形成鲜明对比的是HadGEM2-ES中的全球海洋，它具有洋流和涡流。这一海洋被划分成了40层，深度到5,000米。最顶层的厚度只有10米。这一重要的突破使得模型可以更真实地模拟海洋是如何在不同深度吸收并储存二氧化碳的。

　　在整齐的白色墙壁和办公桌之间，哈德利中心的科学家正在冥思苦想如何模仿云、水流、树木和冻原以及地球上其他无数可以放大或减小全球气候变暖的东西。然而在这里，这些复杂的工作被完成的唯一标志只不过是计算机电脑屏幕上滚动的一行行代码。

[图片说明]：英国气象局的超级计算机。版权：The UK Met Office。

　　构成HadGEM2-ES的代码还包括地球系统的其他几个部分，例如一个封闭的碳循环，它在理论上可以解释地球上可能会对未来几个世纪气候造成影响的所有碳。这一模型囊括了详尽的大气化学、可随着气候生长和死亡的植被以及可独立响应不断变化的温室气体水平的海洋生物和地球化学系统。

　　在陆地上，植被从灌木到针叶树被划分为9类的——这是如何在模型中体现生物圈的一大进步。在气候模型中加入生物学的首次尝试把所有的生命处理成了一个从两极到赤道、均匀覆盖的“绿层”。做为HadGEM2-ES的前身，HadGEM1也包括了和HadGEM2-ES相同的植被，但它是静态的。现在，模型中的植被类型可以变化，树叶会随着季节性周期而改变。

　　把这么多元素同时融入一个模型会大大地减缓它的运行速度。模拟一个月的气候需要一个小时的计算时间。“这就是为此付出的代价，”碳循环专家、一直致力于研发HadGEM2-ES的克里斯·琼斯（Chris Jones）说。HadGEM1的运行速度是新模型的3倍。

　　即便有着精细的分辨率，一些在气候上重要的过程，例如云，对于HadGEM2-ES而言还是太小无法直接模拟。为了解决这个问题，气候模拟采用了一种被称为“参数化”的技术。例如，与试图在某个网格内模拟云不同，一系列描述云的形成和消散以及它们对辐射的吸收和反射的方程被用来描述它们对气候的影响。然后再对每个网格进行平均。

　　参数化是一种“必要的恶”，因为它会引入误差。不过，更麻烦的也许是随机误差。只要输入一小点错误的数据就可以使得整个系统失控。因此，哈德利中心的科学家发现，如果他们为世界上的干旱地区所设置的植物太少的话，结果就会造成没有充足的植被来固定土壤。不久，模型大气中的尘埃水平就会上涨并失去控制，达到3倍于平均值，这反过来又会影响海洋，导致浮游植物疯长。不过换个角度看，这其实多少也说明了点问题。

识别误差

　　模型的研发人员对误差的影响再熟悉不过了。“它们不仅常见，也是我们大家必须要经历的，”赫里尔说。为了确定这些误差，每个模型都要经受严格的测试。在这个过程中会对模型进行一系列的“控制运行”，通过模拟一个稳定气候来对其进行测试。此外还会对过去的气候进行模拟，以此来判定它再现历史上气候变化的能力。目前HadGEM2-ES正处在这一阶段，这一测试到2010年3月份结束。

　　“有时候，你得到结果完全不切实际，”琼斯说。当结果与现实对不上的时候，模型的研发人员会利用他们对气候系统的认识来识别出模型中可能的误差并对它们进行修正。但偶尔这也会导致对问题的新的认识。例如，在HadGEM2-ES中与现实不符的沙尘暴却揭示了，即使是沙漠中的少量植物也会影响全球的气候。

　　测试阶段通常会把模型调教得能很好地模拟过去和现在的气候，但是往往某些方面仍然会造成很多问题。事实上，每一个模型都有弱点。当哈德利中心的科学家研发HadGEM1的时候，这个模型就很难模拟厄尔尼诺南方振荡现象——它会驱动许多横跨太平洋的气候变化。“这使许多人不停地唠叨，哈德利中心失去了其在这个领域的领导地位，”负责HadGEM2-ES模型研发的科学家比尔·柯林斯（Bill Collins）说。但是，美国国家大气研究中心的科学家所使用的模型在厄尔尼诺身上也遇到了同样严重的问题。而美国地球物理流体动力学实验室（GDFL）的气候学家罗纳德·斯托弗（Ronald Stouffer）则说，在上一份IPCC的评估报告中他们的模型在模拟北太平洋海冰上是“世界上最差的”。

[图片说明]：气候模型随时间的变迁。版权：The UK Met Office/IPCC。

　　不过，当这些模型被用于再现全球范围内过去和现在的气候时，它们却是最好的。“这正是我们这一行的乐趣所在，”斯托弗大笑着说。“你可以让你的模型整体上表现出色，但在某一点上却可能会极为糟糕。”在接下去的几个月中为IPCC进行模拟之后，HadGEM2-ES的盲点应该也会显现出来。

　　不管HadGEM2-ES可能会存在什么样的漏洞都有可能会被它的战友来弥补——其他的地球系统模型也会为IPCC的预报进行数值模拟。这些模型来自美国地球物理流体动力学实验室、美国国家大气研究中心，以及还有来自澳大利亚、加拿大、中国、法国、德国、日本和挪威研究小组的模型。“模型的多样性是非常重要的，”韦弗说，因为当涉及到建模的时候，“不存在唯一正确的方式”。同时拥有多个小组研发的模型的优势是，它们每一种进行模拟的方式都各不相同。

　　其他的研究机构并没有像哈德利中心那样把那么多的东西加入他们的地球系统模型，因此他们大多并不完全依靠新的模型。“这些模拟中的每一个都是一项挑战，直到最后一刻我们才会知道一切是否都能按照我们预期的进行，”在德国马普气象研究所领导植被建模的克里斯蒂安·赖克（Christian Reick）说。许多小组拥有一系列不同等级的模型。如果地球系统模型对温度的变化预测具有不合理的、较大的不确定性，那么他们可以回到更为熟悉的模型来对未来的气候进行更为简单地模拟。由于模型的复杂性在不断增加，这使得有人开始呼吁必须谨慎从事。“你必须偶尔停下来想一想，这些复杂性是不是正恰恰说明了我们的无知，”美国地球物理流体动力学实验室现代气候模型奠基人之一的真锅淑郎（Syukuro Manabe）说，“但你又不想过于简单化。”他补充说，关键是“模型中的细节是否都与我们对这一过程的认识相平衡”。

实际的限制

　　虽然从学术的角度来看新的模型正在日臻完善，但对于政策制定者而言它们却并不一定能产生更为有用的结果。琼斯承认，只有当我们对模型的了解达到了可信赖的程度，它们才是有用的。但是，他还说：“我们正在进入无法用观测来限制的未来，气候模型是我们唯一可用来预测的工具。”

　　在撰写报告的过程中，IPCC的作者会分析所有模型的预测，以此对未来的气候进行最佳的估计。这将包括温度的上升将有多快、哪里的降雨量会增加或减少、植被将发生如何的变化。

　　不过，即便IPCC将使用最新的模型来进行气候模拟，但琼斯和他的同事仍然在思考如何对它们进行完善。“我们不希望故步自封，”他说。其中之一就是，融化的北极冻土会通过释放甲烷——一种有效的温室气体——来加速变暖过程。HadGEM2-ES已经考虑了来自湿地的甲烷释放，但没有考虑冻土的。另外，哈德利中心的下一个模型将会包括氮循环以及它对植物生长的影响。

　　但是，所有这些并“不是为了研发出一个完美的模型”赫里尔说，“我们根据对系统的最佳认识来研发新的内容，当我们对这些过程有了信心之后，就会把它们放到模型中去。”

　　对于气候学家来说，模型不仅仅是能一窥未来的工具，它还是一个试验场——一个可用来检验他们对气候系统认识的地球副本。对于没有能力在实验室或者野外进行全球规模实验的人来说，模型是他们拥有的唯一工具。

　　在哈德利中心，一些工作人员开玩笑说，模型研发人员最终将尝试把大熊猫也放到他们的模拟中去。这一点夸张无疑惹怒了一些建模的科学家，因为或许他们也敏锐地意识到，他们的模型永远也不能完全代表真实。“我们面对的挑战之一就是要找出对于模型而言什么才是最重要的，”琼斯说。“永远都会有一些细节或复杂性是我们无法囊括的。”

（本文已刊载于《世界科学》2010年第5期）

[Nature 2010年2月25日]