预测极端天气 新一代气候模型需精准到城市

版次:A032021年07月22日

钱童心

[ 全球的气候模型必须要精准到城市层面,来预测极端的天气事件,包括洪水、干旱、台风和海平面上升等。今天人类还无法达到这一步,尽管技术取得了进步,但计算机系统还不够复杂,无法以如此高的分辨率运行。 ]

气候变化就好像是蝴蝶扇动的翅膀,赤道太平洋的升温,可能导致我国长江中下游地区夏季多雨。

长期以来,人们总是把气候变化当作是未来的威胁。谈及气候变化,率先被描绘的是北极或者南极冰川,它们正在加速融化,但是这种变化似乎距离遥远。直到近期,全球的极端天气事件频发,这才让人们开始意识到,气候变化的冲击已经迫在眉睫。

不仅仅是河南发生特大暴雨,过去一个月里,西方发达国家也奋战在“抗洪抢险”和“山火扑救”的第一线。四十年来,科学家们一直在使用日益复杂的气候模型,来预测未来的全球变化。面对今年以来的诸多“意外”气象事件,有气候学家认为,目前的气候模型似乎并没有准确捕捉到导致极端天气的因素。

面对气候变化的远虑和近忧,业内认为,预测模型除了在硬件上提升算力,促使其精准到城市层面,还需把科学和健康领域结合起来,并提升共享数据的能力。

极端天气事件并非“意外”

“人们还是凭着经验在做事情,但百年不遇的极端天气事件正在变得更加频繁。”中科院大气物理所研究员李熙晨对第一财经记者表示,“全球变暖可能会导致极端气候现象增多;厄尔尼诺等年际、年代际气候变率同样可能会导致极端天气现象频发。”

7月20日,郑州的特大暴雨引发了人们对气候变化更多的思考。“极端天气、气候事件的增多是气候变化的一部分,最近我们看到的特大暴雨、强台风增多、高温热浪、寒潮增多等,都与气候变化有关。”李熙晨说道。

国际气候协会已经对气候变化做出定义,它是由气候引起的一些变量,在一个具体的地点和一个标准的时间内所引起的变化,这个标准的时间一般是指30年。

过去一个月里,西欧的洪水“吞没”了德国和比利时的街道,推倒了德国茵兰-普法尔茨州舒尔德村安静屹立了一个多世纪的房屋。高温正在侵袭加拿大,野火烧毁了以往分外凉爽的山间小镇;美国西部也在遭遇历史性的热浪,当地出动了2万名消防人员,已扑灭80场山林大火,这些大火烧毁了超过100万英亩(4047平方公里)的土地。

尽管几十年来,气候科学家一直警告气候危机将导致更极端的天气,这将会对人类造成致命的打击。但近期全球范围的高温和降雨纪录被如此大幅度地打破,还是让人们感到惊讶。

雷丁大学气候科学教授理查德·艾伦( Richard Allan)对第一财经记者表示:“虽然北半球最近发生的极端天气事件让许多人感到意外,但它们并非完全出乎意料,这也为科学的不断进步指明方向。”

现有气候模型未捕捉到关键因素

有气候学家认为,目前的气候模型似乎并没有准确捕捉到导致极端天气的因素。

美国宾夕法尼亚州立大学地球系统科学中心主任迈克尔·曼恩(Michael Mann)教授认为,过去几周全球发生的极端天气事件,已经显示出气候变化模型的局限性。“导致极端天气事件都会有一个重要的因素,而气候模型没有捕捉到这些因素。这些模型低估了气候变化对极端天气事件的影响程度。”他说道。

曼恩解释称,在气候模型中,日常气象只是噪音,而极端的事件相当于在这些噪音中释放出一个明确的信号。“现实世界中的信号已经足够强大了,以至于我们能够在日常气象中看到结果,但是气象模型似乎并没有看到它们的到来。”曼恩表示。

德国的洪水和北美的山火等极端气象事件并没有在气候模型中被预测出来,这意味着科学家需要更强大的气候模型。

事实上,自上世纪70年代以来,科学家们已经相当准确地预测了全球变暖的程度。科学家表示,短期的气象灾害中的很大一部分也是可以预测的。

李熙晨对第一财经记者表示:“我们已经非常熟悉天气预报,这是根据气象模型来预测的,现在的气象模型已经具有很高的分辨率,可以达到十几公里甚至几公里级别,很多自然灾害事实上是已经得到预测和预警的,但任何系统都不可能达到100%精准,更何况是气象气候这样的复杂系统。”

李熙晨介绍称,相较于近期气象的预测,气候模型是更大尺度的预估,模拟几年或几十年之后的气候变化。“比如赤道太平洋升温,南极冰川加速融化,这些全球的气候变化会在几千公里的距离内对任何国家都产生影响,包括中国。”

全球科学家正在携手应对气候变化带来的挑战,共同监测气候变化对于未来几十年的影响,比如寒潮是否会增多,是否会有更多降水等等,这需要一台计算能力超强的超级计算机。

牛津大学气候物理学研究教授蒂姆·帕尔默(Tim Palmer) 一直呼吁建立一个全球建模中心,包括打造一台“百亿亿级”的超级计算机,以处理相当大的数据量,来模拟未来几十年的气候变化。

超级计算机提供更强支持

在蒂姆·帕尔默看来,全球的气候模型必须要精准到城市层面,来预测极端的天气事件,包括洪水、干旱、台风和海平面上升等。今天人类还无法达到这一步,尽管技术取得了进步,但计算机系统还不够复杂,无法以如此高的分辨率运行。

李熙晨对第一财经记者介绍称,中国的地球模拟器已经建成并投入使用。

“地球模拟器的硬件部分是一个超级计算机,基于描述大气、海洋等地球各个部分的复杂的偏微方程组以及大量物理过程和科研数据进行建模,针对气候开展模拟研究。”他解释称,“我们要预估未来的变化,以及产生这种变化的原因,包括人为和自然界的因素,这必须通过高性能计算机来实现。”

雷丁大学的艾伦教授也认为,更好的计算机将有助于做出更详细、更精细的预测。但他承认,确实很难评估未来天气模式将如何发生变化,包括欧洲上空的西风气流是否会更普遍地被阻断,从而导致雷暴停在某个地方,就像今年7月在欧洲发生的情况;其他气候的长期变化包括北美西部持续更久的热浪。

李熙晨对第一财经记者表示:“全球变暖导致的极端天气事件不一定是暖事件,也有冷事件,比如会导致北半球的寒潮增多,就好像2008年我国发生的寒潮,这在春天的时候尤其会对农业产生重大的影响。”

国际科学理事会(ISC)管理委员会委员、外联委主席Martin Visbeck上个月在一场关于气候变化威胁的论坛上表示:“我们需要从技术、从数据化、从对于地球系统的理解当中吸取有益的成果,比如通过一些模型来模拟和预测基于观察的季节和气候变化等,通过基于区域性的耦合和比较,找到气候和健康之间的相关性和交叉点,把科学和健康领域结合起来,从而推动相关健康决策。”

科学家还强调在人类共同应对气候变化过程中数据共享的重要性。中国科学院院士郭华东提出:“让数据为大家共享和利用。”他认为,在形成一个强大的地球大数据系统之后,能够激发大数据的力量,包括进行数据分析与监控评估,来支撑资源环境与气候变化监测,甚至管理城市等。”