气候是否过于复杂而无法建模或预测？

本故事摘录自Seth B. Darling 和 Douglas L. Sisterson 合著的《如何改变人们对气候变化的看法》。经《实验》许可转载，在售书处均有销售。

尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔是一位才华横溢的丹麦物理学家（1922 年获得诺贝尔奖），出生于 19 世纪末。他在原子结构和量子力学领域做出了巨大的科学贡献，但我们感兴趣的是他的其他贡献。你看，尼尔斯有点像科学界的尤吉·贝拉：他达到了职业生涯的巅峰，但他的名言和职业成就都广为人知。其中最令人愉快的是“预测非常困难，尤其是关于未来的预测。”（事实证明，关于谁首先说这句话存在争议，但作为尼尔斯·玻尔的忠实粉丝，我们把功劳归于他。）有些事情我们可以几乎绝对肯定地预测。比如第二天早上太阳会从东方升起，或者芝加哥小熊队本赛季不会赢得世界大赛。当然，很多事情都不那么确定。特别是，真正复杂的事物很难以高度的确定性进行预测，因此，我们的怀疑论者怀疑气候学家是否有可能预测像地球气候这样复杂的事物将会发生什么……正如玻尔所说，尤其是在未来。

这种怀疑论者论点的常见形式是：“即使使用最先进的计算机模型，科学家也无法准确预测两周后的天气，那么他们怎么可能告诉我们二十年后会发生什么？” 这里我们犯了一个典型的气候怀疑论者错误。这个错误是混淆了天气和气候。天气是你每天都会遇到的，它会因各种影响而发生很大变化。从科学意义上讲，它是混乱的。混沌理论研究对初始条件高度敏感的动态系统的行为，人们已将其应用于从数据加密系统到试图预测癫痫发作的模型等所有领域。正是由于对初始条件的极端敏感性，天气预报才如此具有挑战性。即使是这些初始条件的微小变化也会对事物的发展产生巨大影响，这就是所谓的“蝴蝶效应”。（雷·布拉德伯里 1952 年的一部精彩的科幻短篇小说《雷声》就是基于这种效应。）

气候与天气不同。气候是长期（数年甚至数十年）天气的平均值。可以把它想象成赌场里的老虎机。预测天气就像试图预测下次拉杆时是否会赢，尽管有些人相信他们可以做到这一点，但成功的机会并不多。另一方面，预测气候就像预测数千次拉杆的平均结果是赢还是输。正如赌场的资产负债表会告诉你的那样，你输的几率相当高。回到天气和气候：考虑一下，如果一天的温度与第二天的温度相差 5 摄氏度（9 华氏度）。你甚至可能没有注意到这样的变化。如果气候变化也只是 5 摄氏度，那就完全是另一回事了，因为气候变化意味着全球平均气温发生了变化。我们不再关注短暂的局部波动。

如果地球平均温度比现在低 5 度，会是什么样子？我们将进入冰河时期。海平面可能比现在低 100 米（超过 320 英尺）。（上次发生这种情况时，海平面下降有助于人类从亚洲迁徙到北美，因为现在阿拉斯加白令海峡下的陆地浮出水面，提供了某种桥梁。）芝加哥、伦敦和曼哈顿等地将被冰雪覆盖。一些现在是沙漠的地方，如美国西南部或阿富汗，将变得更加湿润，而其他沙漠则会扩大。总而言之，我们的星球将是一个非常不同的地方。如果另一个方向（变暖）上升 5 度会怎样？两极的冰可能会完全消失，海平面将比现在高出约 20 米（超过 65 英尺）。海洋中的氧气含量将急剧下降，窒息许多海洋中的高级生物。海洋甲烷喷发加上闪电等火源可能会造成难以想象的破坏。热带和亚热带地区将基本上无法居住。超级飓风将对那些设法幸存下来的人造成严重破坏。基本上，你会看到一些接近圣经启示录的东西。

显然，就气候而言，升温 5 度是一件相当严重的事情（我们只要清楚目前的状况：如果我们不开始改变社会行为，本世纪升温 5 度是有可能的）。天气和气候实际上是截然不同的两码事。因此，真正的问题不是科学家能否模拟和预测天气，而是他们能否模拟和预测气候。怀疑论者会告诉你，气候模型充斥着各种伪造因素以适应我们当前的气候，这解释了为什么它们与今天的观测结果一致，但这些临时插入的因素不太可能适合模拟具有不同大气化学成分的未来气候。他试图表达的观点是，气候模型对未来全球灾难的可怕预测是夸张的。这引出了另一个问题：如何测试一个预测未来多年趋势的模型的准确性？

重要的是要记住，我们这里谈论的是气候，而不是天气。我们的目标不是预测 2023 年 3 月 5 日德里的气温是多少，或者下一次飓风袭击新奥尔良的具体时间。相反，我们想要预测未来几十年的气候趋势。就像模拟天气一样，这也不是一件容易的事。气候模型必须考虑地表、冰、海洋、太阳和大气之间的相互作用以及其他因素。值得注意的是，尽管气候模型很复杂，但它们的表现令人印象深刻，正如我们将要解释的那样，并且一直在不断改进。

测试气候模型准确性有两种基本方法。您可以等待并观察未来会发生什么，并将其与模型的预测进行比较，或者，如果您没有时间等待数年，您可以进行所谓的“后验预测”。这个过程包括在过去的某个时间点选择一个起点，将这些（已知的）气候条件输入您的模型，然后让它自行运行。如果模型预测的趋势与从该起点开始的实际情况相符，那么您可以相当有信心地认为它也能很好地预测几年后会发生什么。气候建模者首先使用后验预测来测试他们的模型，然后再使用它们来预测未来的气候趋势，这是标准做法，好的模型通常会通过这一测试。当然，建模者设计他们的模型是为了使其与观测数据相匹配（有点像提前知道突击测验的问题），但尽管如此，如果他们未能捕捉到历史变化，你就不会对它们的预测能力有太大信心。

事实上，这样的后验预测表明，除非考虑人类的二氧化碳排放及其相关的温室效应，否则无法正确模拟最近的气候变化。

其他自然因素足以解释相对较近的变暖期之前的温度变化，但没有人类活动影响的模型无法重现自上个世纪中叶以来观察到的变暖现象。这是全球变暖在很大程度上是由人类活动造成的最有力的证据之一。

然而，有些模型已经存在了很长时间，我们有足够的时间去了解它们在预测未来的挑战中表现如何。1988 年，詹姆斯·汉森领导的 NASA 和麻省理工学院科学家团队推出了一个这样的模型。汉森模型预测了全球气温上升的趋势，并且很好地跟踪了自该模型发布以来几十年来实际发生的趋势。在大多数人还没有听说过全球变暖之前，汉森和他的团队就开始致力于这一问题，对此我们深表敬意。（阿尔·戈尔当时是美国参议员，正忙于竞选民主党总统候选人，他当然在大肆宣扬环境问题，比如南极上空臭氧空洞的扩大，但他还没有成为气候变化最引人注目的活动家之一。）

事实证明，大自然在 1991 年 6 月 15 日提供了一个方便的机会来测试汉森模型以及其他气候模型。当天，位于菲律宾的皮纳图博火山发生了大规模喷发——这是二十世纪最大的喷发之一。这次喷发向大气中排放了约 2000 万吨二氧化硫。由此产生的平流层硫酸盐气溶胶对全球气温产生了巨大影响——大约 0.5 摄氏度（0.9 华氏度）的降温——持续了大约三年。气候模型在预测皮纳图博火山喷发的影响方面表现如何？非常出色。它们不仅正确预测了温度下降，而且还预测了与水蒸气和辐射效应相关的反馈，这些反馈在数量上与实际情况相符。

气候建模可能很难，但这些人很厉害。怀疑论者可能不相信他们的模型，但正如尼尔斯·玻尔曾经回答的那样，当时一位到访他位于蒂斯维尔德的家的客人问他是否真的相信门上的马蹄铁会给他带来好运，“当然不……但我听说即使你不相信它，它也会起作用。”

可能部分是因为气候破坏的预测后果太可怕了，怀疑论者似乎对他们的主张很感兴趣，他们认为气候模型夸大了我们温室气体排放带来的威胁。如果这是真的，那当然很好。让我们来看看一些模型预测，看看它们是如何实现的。

IPCC 的第一份评估报告于 1990 年发布。该报告的一项重要预测涉及海平面上升。正如我们在第 3 章和第 8 章中讨论的那样，海洋变暖以及冰盖和冰川融化导致海平面不断上升。1990 年，IPCC 参考了各种气候模型，预测了海平面可能上升的范围，最可能的值为每年 1.9 毫米。如今，研究人员从潮汐测量仪和卫星观测中获得了一组大量数据，它们不仅高度吻合，而且还显示出从 20 世纪 90 年代初到现在海平面呈上升趋势。这些数据表明了海平面上升的速度如何？IPCC 是否夸大了潜在影响？事实证明，这一时期海平面的实际上升速度为每年 3.4 毫米。有趣的是，这个数值与 1990 年 IPCC 报告中的最坏情况相符。换句话说，IPCC 根本没有夸大情况。恰恰相反。IPCC 似乎低估了变化的规模。

冰融化是气候变化的另一个主要指标，因此气候模型可以预测北极海冰融化的速度。当你将实际观测到的融化速度与 IPCC 报告的模型预测进行比较时，你会发现一个令人震惊的结果。与海平面上升预测一样，IPCC 模型也给出了一系列可能的海冰融化速度。然而，海冰并不会读懂 IPCC 报告。冰融化的实际速度比 IPCC 模型预测的平均速度快了整整 40%。事实上，实际融化速度比这些模型预测的最坏情况要快。坏消息是，这些模型未能定量捕捉一些重要的影响。

真正糟糕的消息是，情况比我们最坏的预期还要糟糕。IPCC 还低估了二氧化碳排放量上升的速度，甚至低估了气候科学家对人类活动是气候紊乱主要驱动因素这一事实的信心程度。好消息是什么？也许这种事情会让怀疑论者不再说 IPCC 夸大了问题。这些模型有些地方没有正确计算，但它们出错的地方几乎总是低估了问题的规模和速度。（一个罕见的反例是过去十年左右的地表气温趋势，其上升速度比绝大多数模型预测的要慢。气候科学家开始了解这种错误的原因，但这提醒我们，气候模型在短时间内并不一定准确。）

我们指出了气候模型的正确之处，也指出了怀疑论者所声称的完全相反的错误之处。气候模型确实擅长某些事情，但也有一些事情给它们带来了可能难以克服的挑战。

为了使气候模型更加实用，气候学家努力提高其空间分辨率，即预测气候在区域范围内的变化。这一点很重要，因为虽然地球在全球范围内变暖，但不同地区的局部变化会有很大差异。问题是，模型的空间分辨率越高，预测中的不确定性就越大。特定地区的降水量和降水时间等因素变化很大。基本上，这些模型开始侵占更类似于天气预报的东西，我们已经解释过，天气预报比长期全球气候预报要困难得多。

让我们以湄公河流域为例，湄公河流域位于东南亚，在该地区农业和贸易中发挥着核心作用。一个领先的气候模型预测，该流域每月的排水量可能减少 16%……也可能增加 55%。但这些模型并没有什么用！政策制定者或稻农该如何处理这些信息？他们的想法是将这些区域气候模型的结果输入所谓的影响模型，这些模型可以预测当地气候变化将如何改变人类生活质量。不仅输入的信息不确定，而且试图模拟特定文化对这些环境变化的适应力也是一项艰巨的任务。这种建模根本不是气候科学。社会经济学可能比气候更复杂。

社会经济复杂性进入气候模型的另一种方式是通过对我们未来气候变化影响最大的一个因素——我们自己的温室气体和气溶胶排放。正如我们已经说过的，IPCC 严重低估了二氧化碳排放量的增长。气候建模的这一方面实际上是经济建模。研究人员必须能够预测未来几十年我们将如何使用化石燃料。你如何模拟社会转向替代能源的速度？或者甚至模拟全球经济在那个时间尺度上的健康状况，这会直接影响排放量？如果最近的大衰退教会了我们什么的话，那就是经济预测是一项危险的任务。气候模型会随着时间的推移而不断改进，但这并不意味着其预测中的不确定性会减少，因为人类行为是无法准确预测的。

气候模型面临特别挑战的另一个关键领域是捕捉临界点的影响。这些变化可能以闪电般的速度发生，例如备受关注的格陵兰冰盖融化，如果格陵兰冰盖完全迅速融化，海平面将上升到令人恐惧的高度。问题是气候模型的设计目标是稳定的。你不会希望你的模拟结果变得一团糟——除非结果真的会这样！这些快速变化尚未得到很好的理解，因此无法很好地融入模型中。当使用后验预报来测试气候模型与过去的气候突变时，它们通常无法很好地重现这些灾难性事件。这意味着气候模型通常会得到正确的答案，这只是一个时间问题。模型可以非常肯定地告诉我们全球变暖将达到特定的水平……但它们无法同样肯定地告诉我们何时会达到这些水平。

好了，现在我们已经知道气候模型能做什么，不能做什么。我们该何去何从？政策制定者——以及我们其他人——应该做什么？怀疑论者希望我们等到科学家证明是我们的活动导致了气候变化。然后他说，“我们需要等到建模者能够确切地告诉我们会发生什么以及何时发生。”我们不能等到那时，因为模型永远不会做到这一点，而我们仍在等待灾难性影响开始摧毁我们的社会。现在有足够的确定性来采取行动。我们作为一个物种给自己造成了可怕的混乱，但我们可以做一些事情来防止最坏的后果发生。这将需要公众支持和政府行动，而怀疑论者正在尽最大努力阻止这两件事。

我们人类所处的困境是如此严峻，有时，我们会因为嘲笑怀疑论者最大胆、最荒谬的主张而感到内疚。在这种时候，我们会回到老朋友尼尔斯·玻尔那里寻求安慰。他曾明智地宣称：“有些问题太严肃了，人们只能拿它们开玩笑。”

塞思·B·达林是阿贡国家实验室的科学家，专门研究能源和水资源。道格拉斯·L·西斯特森是阿贡国家实验室的高级经理。