操作气候科学

2024年11月18日 04:03

有必要使气候科学更加敏捷和反应灵敏,这意味着(其中一些)从研究转向运营。这里的读者会知道,气候科学界很难对过去几十年的气候变化做出定量解释。同样,我们仍然在使用十多年前设计的场景,这些场景没有更新以考虑自那以后发生的无数变化。许多人已经注意到这些问题,因此有许多想法可以解决它们。

作为一名在向IPCC和NCA评估提供输出的主要建模小组之一工作的人,他的模型为许多气候适应工作中使用的缩减预测提供了信息,我一直在积极努力纠正这种状况。对于CERESMIP项目(Schmidt等人,2023),我们建议更新强迫数据集,并重新进行之前已经完成的大部分归因工作,以专门专注于解释CERES时间段(2003年至今)的趋势。

在本周的《纽约时报》上,Zeke Hausfather和我发表了一篇观点文章,认为更广泛的气候科学——特别是CMIP过程——需要变得更加可操作。需要明确的是,这不是一个激进的概念,也不是一个只有我们在思考的边缘概念。例如,上个月在英国举行了一次研讨会,讨论了下一轮CMIP模拟(CMIP7用于计数)的输入,其中包括很多关于输入数据集扩展和更新的“持续”

[footnote1]模式的讨论(当然值得浏览一些演讲)。其他人最近主张建立一套单独的新机构来运营气候服务(Jakob等人,2023;Stevens,2024)。不过,我们的观点文章非常关注一个关键方面——更新强制数据文件,以及建模小组对历史扩展模拟的标准化。

这之所以成为焦点,部分是因为我们作为一个社区在解释最近的温度异常方面遇到了困难,部分是为了应对人们对情景和预测更新速度缓慢的普遍沮丧(例如Hausfather和Peters(2021))。这两个问题都源于人们认识到气候变化不再是一个纯粹的长期问题,每十年更新一次评估就足够了。历史的终结
CMIP计划支持了了解过去气候和预测未来气候的大部分努力。

这是建模小组自下而上、基本上自组织的努力,以协调用他们的模型运行什么样的实验,输出什么样的数据,以及如何记录这些努力。自20世纪90年代初首次亮相以来,随着模型变得更加复杂,以及可以向模型提出的有用问题的范围扩大,这一过程变得更加复杂。起初,只有一个输入参数(二氧化碳浓度)需要协调,现在输入范围已经扩大到包括与其他温室气体、空气污染、地表变化、臭氧、太阳、火山、灌溉、融水等相关的无数强迫因素。

自CMIP3以来,一组关键的实验是“历史”模拟(以及该主题的各种变体)。这些是迄今为止下载量最大的数据集,数千名研究人员使用这些数据集来评估仪器期间(从1850年开始)的模型。“历史”何时结束?[脚注2]
在建模实践中,“历史”在模拟需要开始影响IPCC报告之前几年就停止了。因此,在2007年的报告中,CMIP3模拟是在2003年左右进行的,因此历史在2000年底停止了。

对于CMIP5,历史在2005年停止,对于CMIP6(最后一次循环),历史在2014年停止。你会注意到,这是十年前的事了。强迫问题
根据特定的强迫,进入强迫数据集的观测值具有不同的延迟。例如,海面温度基本上是实时可用的,几天后可以获得太阳辐照度,几周后可以获得温室气体等。然而,气溶胶排放量不是直接观测到的,而是根据经济数据估算的,这些数据通常在几个月内都不会公布。

其他强迫因素,如灌溉数据或其他土地利用变化,可能需要数年时间来处理和更新。在实践中,主要的瓶颈是对短期气候强迫(反应性气体、气溶胶等)排放的估计,其中包括海运排放等。其他长潜伏期强迫的变化预计不会对年度或次十年时间尺度产生明显影响。这里还有一个长期存在的问题值得注意;在大约170年的历史记录中,几乎没有完全一致的数据集。

随着仪器的改进,覆盖范围也在提高,当卫星记录开始被使用时,精度、方差和偏差会随着时间的推移而变化。这可以部分纠正,但对于某些模型,例如,从过去的生物质燃烧的十年平均值到近年来的月度变化数据的转变导致了影响的大幅增加(因为模型的响应是高度非线性的)Fasullo等人,2022。部分是为了应对这种随时间变化的不均匀性,其中许多强迫在一定程度上被建模。

例如,太阳辐照度只有在1979年之后才能直接测量,而在此之前,必须从太阳黑子活动等代理信息中推断出来。因此,随着时间的推移,不仅强制数据集必须用新数据扩展,而且它们经常根据源数据估计的变化或建模中的更新来修改过去的估计。通常,这些小组同时进行扩展和更新,这意味着数据集与上一组模拟中使用的数据集不连续,如果不回到起点,很难进行扩展。它能走多远?

最近几个月,我才意识到(CMIP社区的许多人也是如此),CMIP强制数据的广泛使用已经远远超出了最初的目的。事实证明,建立一致的气候驱动因素长期综合是一项有益的活动。例如,从2008年开始,ECMWF再分析(ERA5)和MERRA2工作都使用CMIP5强迫进行太阳强迫。但这些领域是2004年左右做出的预测,现在大约有半个太阳周期与现实世界不同步。

同样,UKMO年代际预测系统中的气溶胶场来自2016年的模拟,并且假设未来是固定的。更新历史数据和一致的预测可能是减少次季节时间尺度以外预测误差的关键。我们能做些什么?正如我们在意见书中提到的,以及(我认为)在最近的研讨会上达成的目标,应该有可能在次年7月之前对去年的数据进行零阶估计。也就是说,我们应该能够在2025年7月之前获得2024年的数据延期。

这足以使建模小组能够快速将一年添加到我们用于归因研究的历史集合和单个强迫/分组强迫模拟中,并及时为每年11月发布的WMO气候状况报告进行分析。此外,如果这些扩展可用于种子短期预测(比如覆盖未来五年),它们也可用于11月开始的初始化十年预测。重新分析还可以利用这些短期预测来更新其强迫场,并帮助这些努力更加现实。

当然,现在的重要工作是更新和扩展2014年至2022年或理想情况下2023年的历史数据,这应该很快完成(初步版本很快,新的一年最终版本)。鉴于这些新的更新管道,建立每年延长管道的共识应该更容易。这将需要气候建模小组做出相应的承诺,进行扩展、处理并及时上传到数据中,但与他们通常为整个CMIP所做的工作相比,这是一个相对较小的要求。

正如约翰·肯尼迪最近指出的那样,我们需要更广泛地从将论文视为更新知识的方式转变为思考自动更新(尽可能多)并可供分析的操作系统。我们现在已经习惯了地表温度和各种数据流,但它需要更普遍。这将使我们更容易对2023/2024年的异常现象进行归因,并更快地揭示我们的模型中是否缺少某些东西。笔记
[footnote1]出于某种原因,“运营”一词给一些项目经理和机构带来了麻烦。

我认为这与一种观念有关,即使某些东西投入运行被视为一种开放式的承诺,会降低他们未来在分配资金方面的自主权。然而,我们经常被劝告去做R2O(“对行动的研究”)的工作,但一般来说,这被认为是对现有行动计划的移交,而不是创建一个新的行动计划。所以它是“持续的”。[footnote2]1992年没有,尽管当时人们普遍认为。工具书类