气候模型可以预测全球变暖的气候程度，将自然灾害直接归因于气候变化；气候模型曾经招致强烈批评，模型今年却赢得了诺贝尔物理学奖。科学供图：NASA

就在30年前，家摘气候预测还备受怀疑；随着时间推移，得诺它们已成为我们了解全球变暖机制的物理主要窗口。

撰文：KIERAN MULVANEY

上个月，学奖《时代》杂志把其中两位（世界天气预报项目的气候Friederike Otto和Geert Jan van Oldenborg）列入2021年影响力的100人。两周前，模型得州理工大学的科学Katharine Hayhoe做客哥伦比亚广播公司很受欢迎的脱口秀节目《吉米·坎摩尔直播秀》（Jimmy Kimmel Live!）。本周二，家摘也就是得诺10月5日，气候模型建模师先驱Syukuro Manabe、物理Klaus Hasselman与理论物理学家Giorgio Parisi一起，学奖分享诺贝尔物理学奖。气候“我们对气候的认识建立在坚实的科学基础之上，建立在对观测结果严谨的分析之上，”诺贝尔物理学奖委员会主席Thors Hans Hansson说。

气候模型建模师是地球科学或行星科学领域的专家，在应用物理学、数学和计算机科学方面经验丰富；他们利用物理和化学知识创建方程式，并输入超级计算机，利用它们模拟地球或其他行星的气候情况。气候变化否认者一直把模型视为气候科学的软肋。由于具有预测性，它们被认为本质上是无法验证的，而且错误的输入会导致结果不可靠。

诺贝尔物理学奖得主：Syukuro Manabe、Klaus Hasselmann和Giorgio Parisi 绘制：NIKLAS ELMEHED, NOBEL PRIZE OUTREACH

发表于1990年《国家地理》的一篇文章这样写道：“批评人士说，建模还处于起步阶段，甚至无法重现当前气候的细节。建模师同意这一点，并指出每一次改进模型，预测结果必然会有所变化。”

然而，近几十年的分析显示，即使是早的模型，对全球气温上升的预测也非常准确。现在，随着计算机能力的提升、建模输入的改进越来越多，建模师在维护这份工作时也愈发自信。因此，《气候学与伪科学：揭露全球变暖怀疑论者的错误预测》（Climatology versus Pseudoscience: Exposing the Failed Predictions of Global Warming Skeptics）一书的作者Dana Nuccitelli说：“关于全盘否认气候科学，这是一种转变；因为事实证明，这些预测非常，人们越来越难否认气候科学。”

1990年的那篇文章引用了现代气候模型之父Manabe的话，在一些早期模型中，“出现了各种疯狂的情形……比如，海冰覆盖了热带海洋”。但在1970年那篇具有开创性的论文中，Manabe认为，1970年至2000年期间，全球气温将上升0.57度；这篇论文首次对未来气候变暖做出了明确预测。实际记录的升温幅度为0.54度，非常接近。

2019年，加州大学伯克利分校的Zeke Hausfather，麻省理工学院的Henri Drake和Tristan Abbott，NASA戈达德空间科学研究所的Gavin Schmidt分析了20世纪70年代的17个模型，发现有14个准确预测了全球气温与温室气体增加之间的关系。（另外三个，有两个的估算过高，一个过低。）这是因为基础物理学一直很可靠，美国民间公民气候组织（Citizens’ Climate Lobby）的研究协调员Dana Nuccitelli说。

“几十年来，我们已经掌握了基础科学：把一定量的二氧化碳排放到大气中，会导致一定程度的升温，”他说：“20世纪70年的这些预测非常准确，但他们使用的是很简单的气候模型，部分原因在于我们对气候系统的理解水平有限，以及当时的计算限制。很显然，气候模型已经有了长足的发展。”

更多变化因素

在气候模型领域，“这么多年从未变过的是整体评估：随着二氧化碳增加，全世界都在升温，”Hayhoe说：“改变是我们在越来越小的时空尺度上的认知，我们对气候系统反馈的认知，比如北极究竟有多敏感。”Hayhoe是自然保护协会的首席科学家，也是《自我拯救：在分裂的世界中，一位气候科学家追寻希望与的故事》（Saving Us: A Climate Scientist’s Case for Hope and Healing in a Divided World）一书的作者。

她说，随着认知增加，她所谓的“当今气候科学前沿”也会有所发展，即个别事件归因；Otto和van Oldenberg因此得到了《时代》杂志的认可。这是科学家首次在气候变化和特定天气事件之间建立起紧密联系，比如美国西部的热浪，飓风哈维带来的降水量。

“没有模型，我们无法做到这一点，”Hayhoe说：“因为我们需要模型来模拟一个没有人的世界。我们必须把无人的地球与有人并且进行碳排放的地球相对比。当我们把这两个地球放在一起比较时，就能看出人类导致的气候变化如何改变特定事件的时长、强度，甚至它带来的破坏。”

在Hayhoe的案例中，建模还涉及到“浏览几千行代码，这项工作强度很大，所以我经常在晚上做这件事；这个时候，人们不会发邮件，灯也关了，我可以在一个黑暗的房间里，注意力都在眼前的屏幕上。时光飞逝，等我回过神发现已经是凌晨四点半。”

她说，大部分工作需要找出模型中的错误之处，从而确保它们能反映现实情况。“如果不能完全匹配，我们就要更努力地寻找，因为存在我们不太理解的东西。”

虽然这些差异是模型的缺陷，但它们有时也反映了观测中的错误。例如，2005年一系列研究发现，显示低层大气或对流层没有变暖的卫星数据，以及用来质疑全球变暖模型的卫星数据，本身存在缺陷。有气象气球数据作为支撑的模型始终是正确的。

宾夕法尼亚州立大学大气科学特聘教授、新书《新气候战争》的作者Michael Mann说，具有讽刺意味的是，“因为我们的预测，气候科学家被斥责为杞人忧天，但事实上，这些预测被证明过于保守，真实的影响比我们预测的更大。”

他说，驱动大西洋洋流的系统明显即将崩溃，这就是一例。“我们预测会发生这种情况，但它不仅正在发生，而且比我们预测的时间更早。”他指出，几十年前，Manabe是早提出这种可能性科学家之一。“在气候科学领域，气候模型建模师遇到的糟糕的情况是：亲眼看见坏的预测成为现实。”

建模师会承认科学并不完美；即便是现在，不确定因素依然存在，而且不止一种。

“我们是否把所有物理过程都纳入了模型？把它们放在这里，是正确的吗？”Hayhoe问道：“还有第二个不确定因素，即参数不确定性。”除此之外，“一些过程的发生范围非常小，比如云粒子之间，这种无法直接测量，必须借助推断。很显然，这些都增加了不确定性。”然而，的不确定性不在于物理，而是我们自己的集体行为，以及全球温室气体的上升幅度。

“如果我们不知道碳排放产生的所有影响，不知道全球升温不仅仅是一个奇怪的现象，还会影响我们的食物、水、健康和家园，那么我们就不会采取行动，”Hayhoe说。

“这就是为什么我要做这些事情，为什么模型很重要，因为它们展现了正在发生的事情，我们需要对此负责，以及未来将会发生的事情。我希望有朝一日，我们可以利用气候模型，轻松了解这颗神奇的星球，但现在，这些模型在告诉我们，‘是时候采取行动了！’如果我们不予理睬，后果将会非常严重。”