基于气候平均态预测全球增暖幅度的新方法

近日，佛罗里达州立大学Ming Cai教授团队和中山大学胡晓明教授联合北京大学、麻省理工学院团队在《国家科学评论》发表研究论文，提出了一种预测全球变暖强度及其空间分布的新方法。该方法独立于复杂气候模型和统计分析，基于气候态可快速准确地预测由温室气体引起的全球增暖。

该团队借鉴了电路系统中的反馈回路概念，基于能量平衡原理，建立了全新的气候反馈理(lǐ)论(lùn)框(kuāng)架(jià)，直(zhí)观(guān)地(de)刻(kè)画了气候反馈过程对外界能量变化的放大能力。与气候模式相比，该框架无需进行时间积分到平衡状态，就可计算全球对外界能量扰动的平衡态响应。该研究首次在不依赖耦合气候模式模拟和统计分析的情况下，从理论上证明了观测到的全球变(biàn)暖(nuǎn)是(shì)由(yóu)人(rén)类(lèi)活动排放的温室气体引起的。

美国Scripps海洋研究所的Prof. Guang J. Zhang受邀撰写亮点评述(shù)，高(gāo)度(dù)评(píng)价(jià)这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)。

理(lǐ)论(lùn)框(kuāng)架(jià)

随(suí)着(zhe)温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)浓(nóng)度(dù)增(zēng)加(jiā)，全球(qiú)呈(chéng)显(xiǎn)著(zhe)增(zēng)暖(nuǎn)趋(qū)势(shì)，变(biàn)暖(nuǎn)的(de)强(qiáng)度(dù)由(yóu)外(wài)强迫和气候反馈共同决定。传统上，变暖的贡献表征为多个气候反(fǎn)馈(kuì)过(guò)程(chéng)的(de)线(xiàn)性(xìng)叠(dié)加(jiā)。不同于传统的方法，该团(tuán)队(duì)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)个(gè)全新(xīn)的(de)气(qì)候(hou)反(fǎn)馈(kuì)理(lǐ)论(lùn)框(kuāng)架(jià)（图(tú)1a），将(jiāng)温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)强(qiáng)迫(pò)下(xià)的(de)变(biàn)暖(nuǎn)表(biǎo)征(zhēng)为(wèi)外(wài)强(qiáng)迫、非温度反馈系数和温度反馈系数的乘积。其物理意义是外强迫在气候系统中造成能量扰动，并通过非温度反馈和温度反馈过程的放大作用，最终导致全球变暖。其中，温度反馈的强度用“能量增益核”（Energy Gain Kernel, EGK）来表示（详见Cai et al.，2024, JAS)，反映了其对能量扰动的放大作用。

图1. 地球系统的气候反馈回路示意图。（a）气候系统通过温度和非温度反馈放大外界能量，气候变暖可通过放大后的外界能量输入与增温导致的能量输出平衡来求得。（b）气候平均态对地表吸收太阳辐射的放大能力。（c）气候系统对外强迫导致的地表能量扰动的放大能力。

由温室气体增加引起的外界能量扰动（图1a中的红色箭头“energy input”）和温度反馈对应的“能量增益核”（图1a右下角的“Gij”方框）”均可基于气候态信息直接计算得出。该研究进一步发现，非温度反馈核对地表能量扰动的放大系数（图1a左下角的“（1+λi）”的方框）可以通过气候平均态对地表吸收太阳辐射的放大能力来推算，其全球平均值为图1c中的橙色数值（324/168）。最终作用于地表的能量扰动为温室气体增多引起的外界能量扰动、“能量增益核”与非温度反馈系数三者的乘积。该能量与地表增温引起的长波辐射输出相平衡，由此可求出地表增温。

预测效果

在该新的框架下，该团队对过去40年的全球增暖（图2）进行了回报。结果表明，2000-2020年代相对于1980-2000年代的全球平均增暖为0.414 K（图2e），而新框架预测的增暖为0.403 K（图2d）。对比新框架对历史增暖的回报效果与CMIP6各模式对历史气候变化的模拟效果表明，CMIP6各模式的历史气候模拟均高估了观测到的全球增暖幅度（图3a）。与观测相比，新框架对历史增暖空间分布的回报误差略小于CMIP6历史实验的结果。

该回报仅考虑了CO₂浓度变化的影响，而未包含气候系统自然变率、火(huǒ)山(shān)灰(huī)和(hé)大(dà)气(qì)气(qì)溶(róng)胶(jiāo)等(děng)其他因素。预测的变暖幅度与观测值几乎完全一致。这表明，近四十年观测到的全球(qiú)变(biàn)暖(nuǎn)确(què)实是由人类活动排放的温室气体所导致的。

图2. 新方法回报的过去40年全球(qiú)地(de)表(biǎo)气(qì)温(wēn)变(biàn)化。

（a）非温度反馈系数的空间分布，（b）CO₂增加引起的外界能量扰动，（c）经过温度反馈放大以后的外界能量扰动，（d）新方法预测的2000-2020相对于1980-2000全球地表温度变化分布，（e）观测的2000-2020相对于1980-2000全球地表温度变化分布，（f）预测的地表温度变化和观测资料的差值。

为验证新框架预测能力的广泛适用性，该研究进一步对CO₂突增4倍和CO₂逐年递(dì)增(zēng)1%两(liǎng)种(zhǒng)外(wài)强(qiáng)迫(pò)下(xià)的(de)全球(qiú)变(biàn)暖(nuǎn)进(jìn)行(xíng)了(le)预(yù)测(cè)。通(tōng)过(guò)各(gè)模(mó)式工业革命前的气候态得到的外强迫引起的地表能量扰动、“能量增益核”和非温度反馈系数，新框架预测的全球平均增暖值与多模式集合平均值高度一致（图3b），而且，气候模式的气候态差异所导致的变暖预估不确定性，比气候模式本身预估的增暖不确定性要小，说明了新方法的可靠性和普适性。

图3. 新框架与18个CMIP6模式对全球地表温度(dù)变(biàn)化(huà)的(de)预(yù)估(gū)对(duì)比(bǐ)。（a）CMIP6模(mó)式(shì)历(lì)史模拟预测的2000-2014年相对于1980-1994年的全球平均(jūn)温(wēn)度(dù)变化的图，其中红色和玫红色虚线分别表示2000-2020年相对于1980-2000年，以及2000-2014年相对于1980-1994年的全球平均温度变化。（b）新框架基于CMIP6模式工业革命前的气(qì)候(hou)态(tài)对(duì)突(tū)增(zēng)4倍(bèi)CO₂和(hé)1%逐(zhú)年(nián)递(dì)增(zēng)CO₂强(qiáng)迫(pò)下(xià)全球(qiú)增(zēng)暖(nuǎn)的(de)预(yù)测(cè)箱(xiāng)线(xiàn)图(tú)，以(yǐ)及(jí)CMIP6模(mó)式(shì)模(mó)拟(nǐ)的(de)CO₂突(tū)增(zēng)4倍(bèi)强(qiáng)迫(pò)下(xià)和(hé)CO₂逐(zhú)年(nián)递(dì)增1%强迫下第70年和140年的全球平均温度变化的箱线图。

该研究合作者包括佛罗里达州立大学Jie Sun研究员、Guosheng Liu和Zhaohua Wu教授，北京大学胡永云和丁峰教授，麻省理工学院Wanying Kang教授，研究获得国家自然科学基金项目（42222502，42075028和42488201）的资助。

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Ming Cai, Xiaoming Hu, Jie Sun, Yongyun Hu, Guosheng Liu, Zhaohua Wu, Feng Ding, Wanying Kang. Principles-based adept predictions of global warming from climate mean states. National Science Review, doi: 10.1093/nsr/nwae442