解讀IPCC氣候變遷報告科學(xué)家如何進行氣候變遷的預(yù)測？*

Why?

為何會發(fā)生氣候變化？*

How?

我們?nèi)绾巍鳖A(yù)測”氣候?*

What?When?Where?

未來氣候會如何變化？連明天的天氣都報不準(zhǔn)了，還想預(yù)測一百年后?!NBC

News(模擬對白)你相信天氣預(yù)報嗎？馬克吐溫1876年在紐約的演說，調(diào)侃氣象大師Cleveland

Abbe:Abbe教授對新英格蘭(New

England的)

天氣預(yù)報“或許東北到西南風(fēng)，往南往西往東，或之間任何方向都可

能，高低壓分布混亂；在地震前后，有些地區(qū)可能會下雨、下雪、下冰雹、閃電雷擊，甚至干旱“ClevelandAbbe

(1838-1916)MarkTwain(1835-1910)350

BC

亞里士多德發(fā)表《天象論》Meteorology

(Μετεωρολογικ?)討論影響空氣和水的各種因子、構(gòu)成地球的各個部份與之間的交互作用，描述包括各種天氣、水的蒸發(fā)、閃電、龍卷風(fēng)等現(xiàn)象。第一份氣象預(yù)報

(泰晤士報，

1861)

英國海軍上將費茲羅伊發(fā)布觀天象，知風(fēng)雨：古今中外都渴望擁有的能力Aristotle

(384–322

BC)Admiral

Robert

FitzRoy(1805-1865；達爾文小獵犬號的船長)現(xiàn)代氣象之父:

挪威學(xué)者V.

Bjerknes挪威氣旋模型

(Bjerknesand

Solberg

1922)-解釋低壓與鋒面如何發(fā)展(1862-1951)?

失敗的嘗試(1910)

，卻是

今日數(shù)值天氣預(yù)報的先驅(qū)?

生錯時代抑郁而終的天才Richardson想像中的”

超級人力計算機”:動用64,000人，每人以

計算尺計算地球一個

角落的氣象變化，由一位如樂團指揮的

領(lǐng)頭人員匯整全球結(jié)

果，預(yù)報隔天天氣。(與當(dāng)前超級計算機平行

運算相似的概念!)(1881-1953)史上首位嘗試”定量”天氣預(yù)報:Lewis

Fry

Richardson“WeatherPrediction

By

Numerical

Process”(1922)現(xiàn)代天氣預(yù)報:

數(shù)值天氣預(yù)報*利用大氣數(shù)值模式(numerical

model)運算產(chǎn)生天氣

預(yù)報結(jié)果，再由預(yù)報員進行診斷分析與修正*大氣數(shù)值模式：一套龐大的計算機程序，接收當(dāng)下的觀測資料作為起始狀態(tài)，模擬推算未來的天氣。Image:WMO模式的本體

>

=程序碼!大氣數(shù)值模式

的設(shè)計概念I(lǐng)mage:earthnullschool根據(jù)物理方程式，計算每一個網(wǎng)格中?

大氣的運動（氣壓、風(fēng)）?

水的收支與相態(tài)變化（云、雨、蒸發(fā)）?

能量收支（潛熱、日照、熱輻射、可感熱、能量傳送）尺度很小或理論尚不完備的過程，使

用觀測統(tǒng)計或理論推知的經(jīng)驗式（云微物理、對流、紊流

…）*

在三維空間上劃分出許多「網(wǎng)格」*

以數(shù)值積分方式，定量化計算每個網(wǎng)格大氣狀態(tài)隨時間的演進。流體力學(xué)基本物理方程*質(zhì)量守恒連(續(xù)方程)*能量守恒(熱力學(xué)第一定律)*動量守恒*

角動量守恒*萬有引力定律*

理想氣體定律(狀態(tài)方程)垂直方向根據(jù)高度或氣壓切分水平方向根據(jù)經(jīng)緯度切分什么是大氣數(shù)值模式？x24

hr

?當(dāng)年的“超級計算機”進行未來24小時的預(yù)報，計算所需時間=24小時=

x

1

sec

!!?用2000年的Nokia手機進行相同運算只需不到一秒史上首次數(shù)值天氣預(yù)報(1950)

-

ENIAC計算機預(yù)報1945年1月5日來源:

Peter

Lynch

(2008)ENIACImage:WMO數(shù)值模式

+觀測

+

超級計算機

數(shù)值天氣預(yù)報大氣物理方程+信息工程建構(gòu)

數(shù)值模式以資料同化技術(shù)

處理為初始條件高速平行運算技術(shù)完備的觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)值天氣預(yù)報Image:earth

nullschool7天預(yù)報10天預(yù)報大尺度(千公里大小)環(huán)流預(yù)測逐年改進誤差縮小、有效預(yù)報時間拉長預(yù)報與實際狀況接近的程度3天預(yù)報5天預(yù)報高V低天氣具有混沌系統(tǒng)特性*初始條件微小差異，可造成預(yù)報結(jié)果發(fā)散*預(yù)報時間越拉長，結(jié)果越發(fā)散、越不確定Ensemble

Forecast

系集預(yù)報數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)：突破與限制*預(yù)報能力奠基于*大尺度（百、千公里）、變化緩慢（3-5天）的現(xiàn)象*受大尺度天氣控制的區(qū)域現(xiàn)象*豐富的觀測資料提供準(zhǔn)確的初始條件（搭配“資料同化”技術(shù)的發(fā)展）*理論依據(jù)與時空解析度漸趨完善的數(shù)值預(yù)報模式*高精準(zhǔn)高效能的計算機數(shù)值計算*預(yù)報能力受限于*理論與數(shù)值模式無法掌握的過程隨(機、小尺度、混沌)*觀測或資料同化技術(shù)不足，導(dǎo)致初始條件誤差*模式數(shù)值方法或物理過程造成的誤差*計算機運算資源有其上限，速度與運算需求之間的取舍應(yīng)用不同思維，看待不同展期的預(yù)報預(yù)報時間越長

,預(yù)報越發(fā)散

,不確定越高月8-14天6-10天1-5天

小時展望指引危害評估預(yù)報守視預(yù)警/特報分鐘季年Why?

為何會發(fā)生氣候變化？過去30年來，各個日期

曾出現(xiàn)過的最高溫過去30年來，各個日期溫度的平均，加上+/-一個標(biāo)準(zhǔn)差范圍天氣Weather

vs.氣候

Climate天氣2015年的逐日溫度過去30年來，各個日期

曾出現(xiàn)過的最低溫氣候*

「氣候」（climate）是針對某個地區(qū)在某段特定時間范圍內(nèi)，

各種氣象因素（如溫度、雨量、

氣壓…）的統(tǒng)計結(jié)果。*氣候代表這段時間內(nèi)該地區(qū)「天氣」（weather）的平均與

變動狀況。*通常用30年定義（WMO）*根據(jù)所探討問題、現(xiàn)象的不同，

定義氣候的時間范圍可以很不一

樣(幾個月數(shù)~百萬年)*天氣是實際發(fā)生的現(xiàn)象，氣候是預(yù)期會有的天氣「狀態(tài)」

(state

)全球各地共27年的七月份與

一月份降水平均，代表不同

地點在這兩個月份「預(yù)期」

會有的雨量值什么是「氣候」？Data:

1979~2006

GPCP7月1月mm/d過去150年全球平均地表溫度變化年平均地表溫度與1850-1900長期平均的差值暖化造成海平面升高、地面冰雪與海冰面積減少*全球海平面百年來增加約15~20cm*其中約一半是海水體積熱膨脹導(dǎo)致，其余則是陸地冰雪、冰

層、冰河消融流入海洋造成。*北極海冰覆蓋量亦明顯降低（不影響海平面高度）2018夏季極端天氣熱浪、森林大火

干旱、豪雨

…2018年5-7月高溫破紀(jì)錄的地區(qū)1824傅立葉(J.

Fourier)提出大氣對地球有保溫作用1861廷得耳(J.Tyndal證l)實CO2

與水氣吸收紅外線，造成溫室效應(yīng)1895阿瑞尼亞斯(S.Arrhenius)提出人為活動可貢獻大氣溫室效應(yīng)1938凱倫得(G.Challendar)推算出大氣CO2每增加一倍，地表溫度

升高2oC

(與目前推估接近!)1958基林(C.

Keeling)在夏威夷Mauna

Lo觀a測站開始量測大氣CO2

濃度(紀(jì)錄延續(xù)至今)1979第一次世界氣候大會在日內(nèi)瓦舉辦1988IPCC成立、韓森(J.

Hansen)在國會提出氣候推估結(jié)果1990IPC發(fā)C表第一次氣候報告(FAR)1996IPC發(fā)C表第二次氣候報告(SAR)2001IPC發(fā)C表第三次氣候報告(TAR)2007IPC發(fā)C表第四次氣候報告(AR4)2013IPC發(fā)C表第五次氣候報告(AR5)氣候變遷科學(xué)研究的重要里程碑1988年美國NASAGISS科學(xué)家JimHansen發(fā)表氣候模擬結(jié)果當(dāng)時的推估結(jié)果掌握了日后實際

升溫的長期趨勢Dr.JimHansen

1988&

1989

在美國國會聽證會，說明氣候

推估結(jié)果“Thegreenhouse

effect

is

here.”–Jim

Hansen,

23June1988,Senate

TestimonyPhotograph:DennisCook/AP影響氣候變化的原因*地球整體能量收支出現(xiàn)不平衡，氣候系統(tǒng)對此產(chǎn)生調(diào)整、反應(yīng)

氣候狀態(tài)發(fā)生長期變化*造成能量收支不平衡的原因*人為（如：排放溫室氣體）*自然（如：太陽活動）*氣候系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生自然變動（natural

variability）*例如：圣嬰現(xiàn)象、北極震蕩…溫室氣體增加

額外獲得能量

地面溫度暖化H2OCH4

CO2H2O

H2O

CO2H2OCO2CH4

CO2CH4H2O

C

2

C

O2

支出減少(收入-支出>0)（溫室氣體濃度增加）(收支平衡)氣膠微粒增加

損失更多能量

地面溫度冷卻（氣膠粒子濃度低）

（氣膠粒子濃度高）H2O

CO2CH4

CO2H2O

CO2CH4

CO2收入減少(收入-支出<0)(收支平衡)過去250年全球氣候變遷的驅(qū)動因子*各種讓地球系統(tǒng)額外獲得(正值或)損失負(值能)量的人為或(自然+人為)(人為)IPCCAR5,

2013近地面臭氧其他溫室氣體CO2太陽活動(自然)自然因素火山(自然)土地利用氣膠微粒真的有暖化嗎?你怎么看?百年來的氣候暖化：自然周期？人為結(jié)果？*氣候系統(tǒng)內(nèi)部有許多短周期的自然變動（如圣嬰現(xiàn)象）*

全球氣候暖化的趨勢必須累積二、三十年以上的記錄

才可清楚辨認*實際觀測到的氣候變化，是氣候內(nèi)部變動的訊號疊加

人為活動（如排放溫室氣體）導(dǎo)致的氣候變化*

「人類是否導(dǎo)致百年來的全球暖化？」我們不可能回到過去消除人類的影響進行對照組實驗，

所以科學(xué)上永遠無法做出100%定論。*但是我們可以估計自然因素與人為因素分別對地球能

量收支造成的影響，再利用氣候模式進行假想的數(shù)值

模擬實驗，推測各種因素導(dǎo)致的氣候變化。天氣預(yù)報、季節(jié)預(yù)報

年代預(yù)測

氣候變遷推估Courtesy:

中研院環(huán)變

中心許晃雄博士天氣預(yù)報與氣候推估:不同的概念*天氣預(yù)報：利用現(xiàn)在的觀測，預(yù)測未來的天氣*氣候變遷推估:給定外在驅(qū)動因素（例如溫:室氣體排放情境）

推估未來長期的氣候狀態(tài)趨勢需要考慮海洋的”記憶效果”需要完整正確的觀測初始條件需要考慮氣候驅(qū)動因子的變化大氣的部分與數(shù)值天氣預(yù)報模式接近，再加上大氣

化學(xué)、海洋、陸地、冰層

、碳循環(huán)、生物圈、人類

活動等過程，以及彼此間

各種交互作用。*更龐大的計算機程序，來模擬計算地球系統(tǒng)中各種物理、化學(xué)過程，用來重現(xiàn)過去，或推估未來的氣候狀態(tài)。地球?qū)嶒炇遥喝驓夂蚰Ｊ綘顟B(tài)的統(tǒng)計結(jié)果*先用氣候模式重現(xiàn)過去(如:1900-2000年)，并比對

長期觀測資料的統(tǒng)計結(jié)果，

確認模式正確掌握地球當(dāng)

前的氣候*利用模式對于已發(fā)生的氣

候變化進行歸因*給予未來的人類活動情境，進行推估全球氣候模擬*給定氣候變遷驅(qū)動因子的時序變化，模擬地球系統(tǒng)的反應(yīng)*仍然要詳細計算每日的“

天氣”，持續(xù)模擬數(shù)十年得到長期氣候氣候虛擬實境:

自然與人為因素

的相對影響*

兩組模擬結(jié)果的差異，代表人為

活動對氣候變化

的貢獻。*

人類影響極可能

是造成20世紀(jì)中

以來暖化的主因IPCCAR5

(Ch10),

2013海洋均溫

陸地均溫區(qū)域均溫

實際觀測

人為

+

自然因子的模擬

只有自然因子的模擬全球均溫How?我們?nèi)绾?/p>

”預(yù)測”氣候?AR5:+2~+5oC

by

2100目前的全球均溫是近兩千年來最高的。

未來？聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)*

成立于1988年，每6年發(fā)表一次氣候評估

(預(yù)計202發(fā)1表AR6)*由各領(lǐng)域?qū)＜医M成寫作小組，匯整氣候變化領(lǐng)域相關(guān)的最新期刊文

獻結(jié)果，分析觀測資料與未來推估結(jié)果，針對氣候變化的現(xiàn)況與預(yù)

測，做出當(dāng)前科學(xué)界的共識結(jié)論，公開提供給政府與民眾參考*

IPCC

Fifth

Assessment

Report:Climate

Change2013(AR5):*

另外附有Summary

for

Policymakers,

FAQ

…（”懶人包”）共三個子報告：氣候變化科學(xué)（WG1）、沖擊調(diào)適與脆弱性（WG2）、氣候變化減緩（WG3）309位作者70國235位作者57國259位作者39國過去25年歷次IPCC氣候報告的進展

45個模式L______________對人類是造成近百年氣候變化主因的信心度提升全球模式表現(xiàn)改善、對氣候敏感度估算仍不確定全球模式分辨率提升，物理過程增多報告越來越厚，作者越來越多一格500km

2個模式2014頁

259位412頁

34位一格50kmIPCC

AR5WG1-Table

of

Contents*Ch01-Introduction*

Ch03-Observations:Ocean觀測現(xiàn)況（健檢數(shù)據(jù)？）*

Ch05-Information

from

Paleoclimate

Archives

>

古氣候（家族病史？）*

Ch06-Carbon

and

Other

Biogeochemical

Cycles*

Ch07-Clouds

and

Aerosols

氣候變化驅(qū)動因子*

Ch08-Anthropogenic

and

Natural

Radiative

Forcing

（生活行為調(diào)查？）*

Ch09-Evaluation

of

Climate

Models

>

模式評估（病理學(xué)？）*

Ch10-Detection

and

Attribution

of

Climate

Change*

Ch11-Near-term

Projection

未來氣候預(yù)測*

Ch12-Long-term

Projection

（中長期健康評估?）*

Ch13-Sea

Level

Change

>

海平面上升（罹癌指數(shù)？）*

Ch14-Climate

Phenomena

and

their

Relevance

for

Future

RegionalClimate

Change

(ENSO,

NAO,

monsoon…)

>

其他氣候現(xiàn)象*

Ch02-Observations:

Atmosphere

and

Surface*

Ch04-Observations:Cryosphere未來氣候變化同時取決于人類社會未來的發(fā)展*現(xiàn)況:人類排放溫室氣體是造成全球暖化的主因*可預(yù)期的趨勢:

溫室氣體排放短期內(nèi)無法抑制，

大氣與海洋會持續(xù)暖化，但程度如何量化?*氣候科學(xué)提供推估未來氣候的工具—氣候模式*但是--溫室氣體排放趨勢與經(jīng)濟發(fā)展、人口、生

活型態(tài)、能源使用方式、政策…有關(guān)，無法只以

純物理科學(xué)預(yù)測。*需要跨領(lǐng)域的合作，才能進行有科學(xué)意義的情境推測及風(fēng)險評估情境設(shè)定經(jīng)濟與科技發(fā)展

型態(tài)、人口成長

、GDP、土地利

用、

…

估計人為活動

逐年排放與累積驅(qū)動地球系統(tǒng)模擬推估不同情境氣候狀態(tài)沖擊風(fēng)險評估災(zāi)害、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、

經(jīng)濟、社會

…決定可承受的代價

(4,

2,

1.5oC暖化?)發(fā)展政策規(guī)劃調(diào)適措施

與減緩機制落實政策執(zhí)行未來氣候推估是情境模擬設(shè)定未來人類活動情境:代表濃度路徑(RCP)*僅關(guān)注人為造成的溫室氣體、氣膠排放，不納入太陽、火山或是自

然界的甲烷、一氧化二氮等自然驅(qū)動因素的未來變化。*RCP命名根據(jù)2100年全球能量收支不平衡的量值(相對于1750年)高排放路徑(RCP8.5)936ppm穩(wěn)定路徑(RCP6.0)670ppm穩(wěn)定路徑(RCP4.5)538ppm減緩路徑(RCP2.6)421ppm目前CO2

:392-400ppmWhat?When?Where?

未來氣候會如何變化？線條為所有模式平均結(jié)果；陰影為模式結(jié)果分散的范圍2081–2100平均升溫:0.3°Cto

1.7°C

(RCP2.6),

1.1to2.6°C

(RCP4.5),

1.4°Cto

3.1°C

(RCP6.0),

2.6°Cto4.8°C

(RCP8.5)

相對于1986-2005氣候平均的溫度改變量

IPCC

AR5對未來全球平均地表溫度的預(yù)測RCP2.6:2081-2100平均升溫0.3~1.7oCRCP8.5:2081-2100平均升溫2.6~4.8oC2016-2035平均升溫0.3~0.7oC減緩路徑高排放路徑未來百年溫度與降水的可能