气候科学家如何在未来到来之前预见未来

在科学探索的进程中，气候建模是一项极具挑战性的任务。设想一阵风拂过撒哈拉沙漠，扬起一粒沙尘。这粒沙尘搭乘大气环流，历经一周环绕半个地球，在途中将阳光反射回太空。同一阵风里的其他沙尘，有的飘到格陵兰，加速冰川融化；有的落到亚马逊，为雨林土壤增添肥力。而这粒特别的沙尘，在佛罗里达东海岸的天空悬浮，成为水汽凝结的核心，形成云朵。随后，沙尘随雨滴落下，坠入大西洋，为浮游植物提供铁元素，这些浮游生物呈荧光绿色漩涡状大量繁殖，吸收全球工厂和发电厂排放的二氧化碳 。

如此，一粒沙尘的轨迹展现了地球各部分跨越距离与尺度相互交织的过程。德国卡尔斯鲁厄理工学院的气溶胶科学家玛蒂娜·克洛泽指出，这表明了世界的紧密相连，彰显了我们所处环境的美妙复杂性。

数个世纪以来，人类一直试图理解地球的复杂运作。作为脆弱的生物，我们渴望对自然有所掌控，或至少把握天气和气候的变化。但地球是个混沌的系统，对无数微小细节极为敏感，我们无法追踪每一粒沙尘。这便是气候建模的挑战所在：构建一个地球表面和大气的计算机模型，简洁而有效地捕捉其行为本质。美国国家大气研究中心的大气科学家伊斯拉·辛普森表示，气候建模的目标是打造一个地球的 “虚拟版本”，即一个简化到只保留 “我们认为相关过程” 的粗粒度副本 。

在过去60年里，这一努力取得了成果。一代又一代科学家致力于构建日益复杂的地球模型。地球计算机模型帮助我们重构过去的时代，预测长期天气趋势，最重要的是，理解人类活动如何改变气候 。

从最初的计算机模拟开始，气候模型就显示，燃烧化石燃料释放的二氧化碳会使地球显著变暖。此后几十年，更先进的模拟展示了地球变暖可能引发的各种灾难，从热浪、超级风暴到沙漠化和生态系统崩溃。根据联合国汇编的建模结果，本世纪地球温度预计将升高2.6到3.1摄氏度。上一次地球达到这样的温度是在约300万年前的上新世，当时北极大火肆虐，海平面比现在高出约50英尺 。

随着可怕的未来预测逐渐逼近，细节也愈发精确。气候科学家迎来了关键时刻，他们的预测正在成为现实，这使他们能够重新校准和完善模型。芝加哥大学的气候动力学家和地球物理学家蒂芙尼·肖提到，长期以来，他们一直在预测无法亲眼目睹的世界。如今，观察气候变化在现实世界中的影响，既验证了模型的有效性，也凸显了其不足。现在，建模者正在探索新方法，以推动下一代更精细的模型发展，实现更准确的区域预测 。

然而，当气候建模进入这一关键的完善阶段时，却面临着巨大挑战。特朗普政府上台后，对美国的研究生态系统发起冲击，尤其致力于破坏追踪地球气候的工作。政府削减资金、解散机构、清理资源和掩埋数据集，数十年的努力岌岌可危。德国马克斯·普朗克气象研究所所长、气候科学家比约恩·史蒂文斯称，这是全面的破坏，且难以挽回，是 “完全的生存威胁” 。

人类在很大程度上成功地以数字方式重构地球，以探索未来。如今，一些人因不喜欢答案而试图关停这台 “机器”，而另一些人则努力完善它。

数千年来，天气预报员一直难以确定相关因素。例如，古埃及人曾精心追踪天狼星，认为它是一位丧偶的女神，其眼泪导致尼罗河泛滥。最终，我们逐渐理解了自然现象的真正驱动因素。英国博学家刘易斯·弗莱·理查森率先尝试运用物理定律为天气系统建模。第一次世界大战期间，他在法国担任急救救护车司机的间隙，根据1910年一个早晨气象气球观测提供的大气条件，计算当地天气在六小时内的演变。他花了数周时间完成纸笔计算，抱怨大气就像伦敦一样，发生的事情太多，让人应接不暇。由于观测质量不佳，他的结果并不准确，但却开启了这一领域的研究。理查森希望 “也许在遥远的未来，计算速度能超过天气变化的速度” 。

这一天因第二次世界大战而到来。在美军资助下，数学家约翰·冯·诺伊曼协助开发了第一台通用数字计算机ENIAC。其首批应用之一便是天气预报。1950年，冯·诺伊曼及其合作者构建了一个北美大气的简单模型，几乎实现了理查森的梦想：一次24小时的预测只需24小时计算 。

诺曼·菲利普斯是冯·诺伊曼在新泽西州普林斯顿高等研究院的同事，他将数值天气预报提升到新高度。菲利普斯受当时 “洗碗盆” 实验启发，科学家在实验中加热装满液体的洗碗盆外缘，同时冷却盆中心，以模拟地球赤道和两极的温度差异。令人惊讶的是，这个简单实验能有效捕捉全球风模式。菲利普斯写道，人们几乎不得不认为，至少大气环流的总体特征无需详细指定加热和冷却情况就能预测。他构建了一个简化的圆柱形大气计算机模型，同样再现了逼真的风环流模式 。

约瑟夫·斯马戈林斯基是菲利普斯的同事，他建立了一个联邦研究所，即后来的地球物理流体动力学实验室（GFDL），致力于将菲利普斯的方法发展为一个成熟的全球大气计算机模型。斯马戈林斯基注意到东京大学研究生真锅淑郎的工作，并招募他加入实验室 。

真锅淑郎擅长以简化方式捕捉地球过程的关键要素。最初，他模拟辐射如何在太阳与地球表面之间的柱状区域上下移动：太阳光线为地球提供能量，地球将部分热量辐射回太空，剩余能量使地球大气运动。他专注于平衡这一能量收支。加州理工学院气候科学家塔皮奥·施奈德表示，真锅淑郎意识到这是理解气候的关键。到1965年，真锅淑郎将这一设想构建成一个三维大气计算机模型。模型中的地球被大幅简化，只是一个没有地理特征和海洋的光滑球体。但大致看来，该模型的行为与地球相似，例如捕捉到暖空气在赤道上升，形成水手常被困的无风 “赤道无风带” 。

真锅淑郎后来表示，许多人认为必须构建一个尽可能逼真模仿自然的模型，但 “模型越复杂，就越难找出其故障原因” 。他的开创性方法基于一个关键假设：无需精确了解所有小尺度天气事件，就能推断大尺度气候过程。按照菲利普斯的方案，真锅淑郎将计算机模拟的三维大气划分为粗网格的盒子。在每个盒子内，他对温度或压力等属性进行统计估计。然后，他使用流体流动方程计算流体和能量在盒子之间的迁移。该模型能出色地捕捉全球属性 。

真锅淑郎的模型为测试温室效应提供了一种方法，即某些气体捕获原本会从地球辐射回太空的热量这一已有百年历史的观点。通过改变模型大气的成分，真锅淑郎发现全球温度对二氧化碳的反应极为显著。他回忆称，自己改变了正确的变量，取得了成功。在1967年的一篇具有里程碑意义的论文中，他和理查德·韦瑟拉尔德计算了大气中二氧化碳含量翻倍时地球会变暖多少，这一想法可追溯到近一个世纪前瑞典物理学家斯万特·阿伦尼乌斯。二氧化碳在大气气体中所占比例极小，但真锅淑郎和韦瑟拉尔德估计，其浓度翻倍将使地球升温约2.3摄氏度。这与如今预计到2100年约3摄氏度的升温估计惊人地接近。他们还预测了二氧化碳驱动全球变暖的一个显著迹象：大气最低层（温室气体聚集处）应升温，而其上方一层应降温 。

真锅淑郎最初的模型忽略了占地球表面约70% 的海洋，因此他致力于将自己模拟的大气与同事柯克·布莱恩的海洋模型相结合。1969年夏天，就在人类首次登月前几周，真锅淑郎和布莱恩重构了地球。在他们的模拟星球上，云层降雨，雨水冻结成冰山，冰山融化后流入河流，浸湿土壤，水分蒸发后重新进入大气 。

该模型对地球的模拟存在许多错误，海洋 – 大气联合系统也从未达到稳定平衡状态。尽管如此，科罗拉多州立大学的大气科学家大卫·兰德尔表示，这是首次可以称之为 “类似真正气候模型” 的成果。他曾领导对上个世纪地球系统建模工作的回顾。这一模拟是人类最雄心勃勃项目之一的重要里程碑，后来真锅淑郎因此获得2021年诺贝尔物理学奖。兰德尔说，此后 “便开始全力发展” 。

当真锅淑郎和布莱恩在普林斯顿的GFDL运行他们的耦合模型时（该实验室于1968年从华盛顿特区迁至此处），类似的努力在全美各地涌现。在另一海岸，加州大学洛杉矶分校的耶鲁·明茨招募了同样来自东京的研究生荒川昭男。当真锅淑郎关注大气时，荒川昭男则专注于地面。他致力于开发复杂方法处理网格盒子内的小尺度效应，工作极为勤奋，以至于有一次废纸篓着火都未察觉。当时，许多模拟在运行几周后就会出错，因为网格点的舍入误差会人为放大大气波。荒川昭男成功从数学上控制了这些不稳定性，他的方案至今仍是现代模型的基础 。

这些并行努力使模拟变得越来越详细，同时也凸显了需要填补的漏洞。普林斯顿大学的大气和海洋科学家艾萨克·赫尔德曾在GFDL读研究生时受真锅淑郎指导，他说，当模型分辨率提高时，它们变得不那么现实。例如，在更高分辨率下，模拟中的急流（环绕地球的快速气流）移动到了错误位置。研究人员通过考虑地球表面的粗糙度来平衡这一效应，纠正了 “原始模型中错误的意外抵消” 。

从1979年左右开始，美国国家航空航天局（NASA）开始通过卫星系统观测地球，NCAR科学家辛普森称，这 “极大提升了我们观测地球的能力” 。轨道观测站提供了地球表面、海洋、冰盖和大气的实时观测数据，改进了模型。科学家可以监测大气中热量和水分的运动，并直接测量地球返回太空的辐射量 。

不久后，气候建模走出实验室，进入公众视野。自从真锅淑郎关于二氧化碳翻倍的论文发表以来，科学家逐渐认识到温室效应将使地球变暖并加剧天气波动的程度。（因为暖空气容纳更多水分，更热的地球意味着更多干旱和更强烈的风暴。）与此同时，欧洲的研究人员学会从天气的随机波动中提取变暖信号。马克斯·普朗克气象研究所的海洋学家克劳斯·哈塞尔曼开发了一种统计方法，用于分离不同气候驱动因素的 “指纹”，如火山爆发和化石燃料燃烧，他最终与真锅淑郎共同获得诺贝尔奖。当观测结果反映出真锅淑郎关于人类驱动的变暖将使高层大气冷却的预测时，这一信息得到了强化 。

1988年，一场灾难性的热浪和干旱袭击美国，造成数千人死亡，损失超过800亿美元。国会向科学家寻求答案。真锅淑郎与当时NASA戈达德太空研究所所长詹姆斯·汉森一起在参议院委员会作证。汉森解释说，1988年有望成为有记录以来最热的一年，他可以99% 确定全球变暖引发了极端天气事件，这是现实。汉森说：“温室效应已经被检测到，它正在改变我们现在的气候。”

同年晚些时候，联合国成立了政府间气候变化专门委员会（IPCC）。从那时起，世界各地的气候科学家定期开会，比较模型并为全球政策提供建议。IPCC推动模型构建者进行合作和迭代。各机构的研究人员开始为社区模型做出贡献，数百名其他气候科学家可以使用这些模型进行实验。科学家们系统地探索和比较他们的预测，同时运行多个模型的集合，略微改变输入条件或设置，以评估气候结果的范围 。

所有这些模拟的核心都是真锅淑郎的范式。兰德尔说：“我们在做几乎相同的事情上变得更出色了。” 气候模型构建者稳步缩小网格盒子的尺寸，并纳入更复杂的效应，如大气尘埃的影响 。

然而，随着气候科学家共同努力，模型越来越详细，一个有趣的现象出现了。这些数字世界开始在一些微妙但重要的方面与地球的实际行为产生分歧 。

气候模型对地球气候的广泛属性，如北极变暖速度和全球平均气温上升，做出了可靠预测。然而，正如NASA戈达德太空研究所所长、气候学家加文·施密特所说：“很少有人生活在北极，也没有人生活在全球平均环境中。气候变化的影响正在地方层面显现。” 这一代气候模型可以回答关于地方或区域现象的具体问题，但问题是，许多更详细的预测被证明是错误的。赫尔德说：“我们看到各种趋势开始显现，与模型预测不同。”

最明显的差异之一发生在热带太平洋，它从印度尼西亚延伸到厄瓜多尔。与模型预测相反，该区域西侧的海洋温度相对于东侧有所上升。这一失误很重要，因为这片海洋产生的大气波与从加利福尼亚到非洲的干旱有关。因此，该区域模型的预测影响着全球的气候政策 。

此外，与所有气候模拟形成鲜明对比的是，科学家最近发现南非和美国西南部的湿度水平意外下降。急流的增强程度超过预期，西欧的极端高温增加速度比预计更快。模型也未能预测2023年全球平均气温会比以往任何时候升高多少 。

今年发表的一篇论文中，芝加哥大学的肖和马克斯·普朗克的史蒂文斯认为，这些差异导致了 “另一场气候危机”：标准建模模式的崩溃。史蒂文斯说：“正常的建模方式在某种程度上已经失去了解释力。”

迄今为止，所有气候模型都依赖于真锅淑郎的假设，肖和史蒂文斯称之为 “大尺度决定论”：即可以通过近似小尺度过程来匹配大尺度气候特征的观点。但他们和其他研究人员认为，是时候重新审视这一气候建模的基本原理了。施奈德说，为了回答我们现在对模型提出的更详细、更局部的问题，“我们需要重新思考如何处理网格尺度以下的过程” 。

史蒂文斯一直在领导一项努力，将网格盒子的尺寸大幅缩小到约一公里宽（目前全球模型的标准约为100公里）。他认为这个尺度代表了一个关键阈值，可以解析重要的 “中尺度” 过程，从雷暴云到海洋漩涡，这些过程以前是通过平均效应来表示的。为了捕捉地球系统的细微差别，史蒂文斯主张尽可能减少估计，并尝试在各个层面都运用物理学原理。最近，他在马克斯·普朗克的团队成功运行了一个一公里尺度的模型，该模型包括碳循环和气溶胶效应等复杂过程，可以在24小时内模拟90天的情况 。

兰德尔说：“能够解析中尺度是具有变革性的。60年来，我们一直无法表示这些东西，尽管它们是最重要的天气系统之一。”

但研究人员警告说，超高分辨率建模并非万能药。辛普森说，一方面，我们距离拥有足够的计算能力来运行如此详细的模型，以满足所需的长时间尺度和大量迭代，“还有很长的路要走” 。“这是一个新领域，我认为这不是我们唯一应该遵循的道路。”

人工智能似乎有望真正改变气候建模的模式。虽然人工智能尚未像改变天气预报那样改变气候模拟，但它已开始通过改进统计表示和自动化模型调整，帮助提高现有气候模型的效率。包括西雅图艾伦人工智能研究所在内的一些行业努力，现在正试图完全用人工智能模拟气候。肖说：“其中没有任何与我们以往范式明显相关的东西。” 但她说，尽管这些模型似乎能较好地捕捉大气情况，但研究人员尚未成功将它们与海洋耦合，也未能超越人类构建的模型 。

与此同时，肖专注于理解当前模型出错的原因，即使在它们意见一致的地方。她说：“模型一致性更多地成为了一种黄金标准，而不是真正理解模型为何一致。” 她专注于分层建模，即模糊或关闭模型中的某些特征，以揭示其下的基本过程。“我们需要能够像解释我们为什么正确一样，很好地解释我们为什么错误。”

关注模型的构建方式代表了该领域视角的根本转变。史蒂文斯说：“气候科学家通常不喜欢谈论他们不知道的事情，因为这常常被用来质疑他们所知道的事情。”

他认为，完善气候模型的重要性不如社会对其核心信息的回应。为此，他帮助发起了欧盟的 “地球目的地” 倡议，将气候模型从象牙塔中带到政策制定者和公众手中。乌得勒支大学的气候科学家威尔科·哈泽勒格也参与建立了 “地球目的地”，他说：“分辨率高得多的模型不会为你提供更好的气候政策决策。”

哈泽勒格对将气候模型预测传达给政府政策制定者的缓慢过程感到沮丧，他说这个过程通常需要十多年。“地球目的地” 正在开发一系列地球的 “数字孪生” 运行模型，即具有公里尺度分辨率的全球气候模拟，下游用户，如风力发电场运营商和城市规划者，可以直接与之交互，并有望用于制定战略 。

气候科学家长期以来一直为模型发出的严重警告与世界领导人制定的有限政策之间的脱节而苦恼。1988年作证后，汉森多次在参与气候抗议活动时被捕。他在2012年的一篇专栏文章中批评奥巴马政府在遏制碳排放方面的犹豫不决，写道：“情况的科学依据很明确 —— 现在是政治跟进的时候了。我们不能再等了。” 如今，经过三届总统任期，这种紧张局势急剧升级 。

克莱尔·辛格出身于一个学术世家。她最近在加州理工学院完成博士学业，导师是施奈德，施奈德曾受教于赫尔德，赫尔德又曾受教于真锅淑郎。她说：“我的科学成长过程充满了GFDL传奇的故事。” 博士毕业一年后，她在该实验室找到了理想工作 。

她的任务是帮助未来的模型更好地模拟云，云仍然是模型最大的不确定性