美预测区域气候变化初试“挂科”

2013-2-18 08:12 来源: 中国科学报
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在模拟秋季降水时(上左),一个区域模型总是太“湿”;当模拟每日最高温度时(右),它又太冷。图片来源:P. RACHERLA、D. SHINDELL、G. FALUVEGI/NASA GISS

  不断加剧的温室效应正侵袭着地球,那么具体区域的情况又如何呢?气象学家承认,这很难说。科学家改良气象模型,模拟葡萄产量下降的葡萄酒之乡美国加州逐渐变暖变干的气候,并预测地中海地区在未来几十年内会变得更加干燥。然而这种局部气象预测的可信度尚不明确。

  如今,一些全球气象建模工作人员,通过模拟气候变化而不仅仅是记录以往静态气候,对一个广泛使用的区域模型进行了试验。这些研究人员认为,所有的区域模型都应如此接受测试,但目前的情况并非如此。初步结果显示,和全球模型提供的未来气候的模糊观点相比,区域模型几乎没有改善。并未参与测试工作的美国宇航局(NASA)戈达德太空研究所(GISS)的全球气象建模者Gavin Schmidt表示,“这些区域模型需要联合运行”来进行更多这样的测试。

  区域模型的构建自然是气象建模工作人员下一步的研发对象。为预测下一周的天气而不是下个世纪的气候,模型也必须采集全地球的信息。在几十年的发展后,这种全球模型仍旧不能提供对某个区域(比如西得克萨斯与东得克萨斯)详细、可信的气候预测。因此,建模人员开始在全球气候模型中植入一种详细的、高分辨率的气候模型,其观察范围可横跨某些区域,比如北美的大部分地区。全球模型可以计算总体变化,并将数据传送给其中的区域模型,由区域模型计算模拟出更加详细(可能也更加准确)的较小范围大气层的特点,比如风暴及其运动方向,并更好地呈现出大气层对海岸线和山脉等地形气候的影响。

  然而,在预测区域气候方面,区域模型比全球模型做得更好吗?GISS的Pavan Racherla、Drew Shindell和Gregory Faluvegi在进行研究气候影响的区域建模时解决了这个问题。“我们要做的第一件事是评估模型的输出情况。”Shindell说,“测试全球模型时,我们也这么做。”不过,他们发现,区域模型的建模人员只有在模拟气候学—— 一段时间内的平均气候——时才会检查模型的性能。“这很奇怪。”Shindell说,“我们观察的最关键的东西是气候变化,但这还没成为区域气候建模的标准。”

  令这3位科学家疑惑的是,如果一个区域模型在模拟气候学时表现良好,那是否也能更好地预测气候变化呢?为试图找出答案,他们考虑将一个广泛使用的区域模型——天气研究和预测(WRF)模型——植入位于美国大陆上方的全球GISS-ModelE2模型。他们模拟了两个时期的气候,从1968年到1978年和从1995年到2005年,来观察WRF在模拟气候学方面表现如何,以及WRF如何处理气候变化。

  结果显示,WRF的表现并不怎么样。“模拟气候学的技术并没有保证它处理气候变化的技术。”Shindell总结,2012年年底,研究团队的论文发表在《地球物理研究杂志—大气》上。“区域模型与全球模型相比,有一定的进步,但没有很大。”而且只有在特定条件下,这些优势才会显现。

  GISS的测试团队并没有指出WRF没有取得很大改善的原因,不过Shindell怀疑这与两种模型最擅长的技术有关。他称,气候学主要取决于陆地、海洋、地势与大气的相互作用,这是区域模型所擅长的,但这些没有变化。另一方面,像喷射流迁徙、云量变化和降水量模式转化等物理特性变化导致的气候变化则是全球模型所擅长的。

  其他研究人员认为,GISS的测试团队解决了一个长期被忽略的问题。“这是一篇非常有趣且发人深思的论文。”英国拉夫堡大学的气象学家Robert Wilby称,“这是值得赞扬的第一步。”然而它并不是对区域模型领域的打击,反而,“它强调了区域建模非常有意义,也极为复杂。”Wilby表示。

  西北太平洋国家实验室的区域建模工作人员Lai-Yung Ruby Leung表示同意。“他们提出的问题都是正确的,不过如果能进行多模型试验将会更好。”她认为:不同模型进行不同的组合,可以扬长避短。

        Leung是北美区域气候变化评估项目(NARCCAP)的主要调查员之一。该项目可以将6个区域模型在12种可能的组合模式下与4个全球模型一起工作。 然而,近几十年的气候变化是如此之小,而自然气候变化是如此之大,NARCCAP的模型并没有像GISS的测试团队那样进行测试。Leung称,这将是一 项范围更大、更国际化的项目。