有可能構建精確的全球氣候模型嗎? | 知乎問答精選

 

A-A+

有可能構建精確的全球氣候模型嗎?

2019年01月10日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【楊澍的回答(8票)】:

謝邀~

首先我沒懂題主的補充說明是什麼意思,所以可能答得有些偏

下文中有的時候可能會用「模型」,有的時候會用「模式」,都是一個意思(model)

全球氣候模型(Global Climate Model),一般也稱作一般環流模型(General Circulation Model),簡稱都是GCM,是目前氣候研究的主要工具。GCM可以追溯到1963年Smagorinsky在他的研究中使用的一些基本的方程來處理大氣環流。經過五十幾年的發展,GCM已經不是最初的單純的「大氣環流」的模型,而是加入了地球水圈、冰雪圈、生物圈、人類圈等各種模式的耦合模式,所以現在更準確的名稱應該是地球系統模式(Earth System Model),簡稱ESM。

來源Climate Modelling

上圖就是ESM的發展史。從最早的大氣(atmosphere)到隨後的陸面(land suface)、海洋和海冰(Ocean and sea ice)等等到較近的人類活動(Human Behaviour)、氮循環等等。可以說,ESM是朝著更加完善、更加全面的方向發展的。

我們只有一個地球,所以不可能用地球本身來做實驗。那麼地球系統模式就是最好的解決方案:用計算機模擬一個地球,那麼就可以放心地對它做你想做的事情啦~~好邪惡的感覺~~

但是今天不談ESM有多麼好,我們來看看它的一些局限性。

首先,是所有的模型都會遇到的一個問題,那就是模擬的精度要多高?要知道,模擬的精度和計算機運算的時間是成正比的,要求越高,耗時越長。但是要是太粗略就不準確,太精確的話可能又來不及(比如我要知道明天下不下雨,模式跑了三天三夜,顯然不現實)。那麼肯定需要在準確和時間上的經濟之間找到一個平衡點,那麼就要捨棄一部分精確度。即使如此,現在的模式也達到了令人驚訝的精度。而且我相信隨著科技的進步,計算機水平的提高,這個平衡點肯定會朝著更加精確的那一端移動的。但是也不能忘了,即使最精確的模型,也不是真實世界,它永遠差著一些呢。

除此之外,氣候模式還面臨著一些其他的不確定性(Uncertainty)。首先是模式本身的不完美。如果有用過數值天氣預報模式(NWP,例如WRF)的同學肯定知道,在運行模式時,你要選擇不同的參數化方案。所謂的參數化方案,就是一個物理過程,不同的科學家可能會給出不同的物理方程來表示它,這就是參數化方案。不同的參數化方案可能適用的情況不同,也不能簡單地說哪個更好。類似地,不同的氣候模式可能會用不同的機制,那麼結果就會不同。

來源What Are Climate Models Missing?

上圖展示了四個模式在CMIP5計劃中一個相同的試驗下給出的不同結果。上面一排是雲,下面一排是降水。左起第三個是中科院的模式。不難看出儘管實驗相同,不同的模式還是給出了相差很大的結果。

此外,不同的初始條件會極大地影響數值模擬的結果。還有就是有些物理過程,比如說雲到底是如何形成的,這其中的複雜機制我們還沒有研究透徹,所以很難對其進行很好的模擬。

所以應該如何改進現在的氣候模式,更好地模擬地球系統呢?首先,是借助增長的科技水平來提升模式的計算能力,以達到更高的精度。其次,加深對不同物理過程的理解,包括碳循環、雲構成、陸面方案等等。再有就是目前也有許多科學家提出的,沒有一個最好的模式,但是有許多不同的模式綜合起來就是另一回事了。我們前面也提到了,不同的模式在不同情況下表現也不相同。那麼多模式(Multi-models)看起來就是一個很好的解決方案。正如那句俗話說的「不要把雞蛋放在同一個籃子裡」,採用多模式可以很好地迴避單個模式存在的一個問題。不過,多模式如果要得到理想的結果得有一個前提,那就是採用的各個模式之間是相互獨立的,否則的話多模式就沒多大意義了。然而現實很殘酷,多模式在很多情況下並不能採用相互獨立的單模式,但是這就是我們目前所能做的了。至於多模式具體啥樣,喏~

上圖是CMIP5(耦合模式比較計劃階段五)的結果,粗實線是多模式結果,細線是單個的模式。上圖是CMIP5(耦合模式比較計劃階段五)的結果,粗實線是多模式結果,細線是單個的模式。

總而言之,地球系統模式發展到今天已經相當不錯了,是我們研究地球系統必不可少而且是可以信賴的工具。但是離完美還有距離。所謂革命尚未成功,同志仍需努力啊!

OS:我也不知道幹嘛要在這樣一個不吸引人的話題下扯這麼多,大概是憋論文憋壞了吧~~

【薩麥蒂合的回答(0票)】:

構建啊,現在的全球/區域氣候模型都已經很多了,所以完全從零開始構建的不多。大多數的相關領域的科學工作者在做的事情叫做model development,就是在現成的模型基礎上引入新的模塊,或者試著在計算資源允許的情況下,提高精度且不失去以前的預測準確性。

相關領域的paper套路也是比較清晰的:原模型和觀測比較,提出新的scheme引入模型,再次比較,結果更好等。

至於有沒有可能得到精確的全球氣候模型,這就看題主怎麼定義精確了。我覺得,氣候模型在整體上是越來越精確的。

才看到描述裡的那段話,對氣候進行控制啊,不懂

標籤:-氣候


相關資源:


標籤:



給我留言