Nature | 肖&斯蒂文斯：氣候科學(xué)研究的“危機”

隨著全球變暖，區(qū)域氣候信號逐漸顯現(xiàn)。盡管氣候科學(xué)的“標準方法”成功預(yù)測了部分現(xiàn)象（如陸地升溫快于海洋、北極放大效應(yīng)等），但越來越多的觀測信號與模型預(yù)測不符，尤其是在區(qū)域尺度上。與此同時，計算方法的革新正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)范式。本文探討了氣候科學(xué)當(dāng)前面臨的“危機”，分析了標準方法的物理基礎(chǔ)、積累的異?，F(xiàn)象及其政策意義，并提出了未來研究的路徑。

 

1 氣候科學(xué)的“標準方法”及其成功
 

20世紀中葉，基于物理定律的氣候模型首次成功預(yù)測了CO?濃度倍增導(dǎo)致的全球變暖趨勢，包括垂直溫度結(jié)構(gòu)、平流層冷卻、北極放大效應(yīng)等。這些預(yù)測的核心是“標準方法”——通過分離大尺度與小尺度過程，應(yīng)用熱力學(xué)和力學(xué)定律（如輻射對流平衡、角動量守恒）構(gòu)建氣候模型。這一方法的成功為2021年諾貝爾物理學(xué)獎的部分成果奠定了基礎(chǔ)。

 

標準方法通過逐步增加物理復(fù)雜性（圖2），實現(xiàn)了“復(fù)雜中的簡潔性”（Held, 2014），其預(yù)測的穩(wěn)健性源于對物理過程的清晰追溯。例如：

 

全球平均：輻射對流平衡（RCE）解釋了CO?增加導(dǎo)致的表面增溫和平流層冷卻。

 

經(jīng)向平均：角動量守恒解釋了哈德萊環(huán)流和風(fēng)暴路徑的極移。

 

經(jīng)向偏差：局地加熱和地形扭矩解釋了靜止渦旋（如歐洲冬季溫和現(xiàn)象）和沃克環(huán)流。

 

2 危機的信號：觀測與預(yù)測的背離 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
 

隨著觀測記錄的延長，區(qū)域氣候信號的異常逐漸顯現(xiàn)（圖3），可分為三類：

 

預(yù)期信號但幅度不符：

 

北極放大效應(yīng)強于預(yù)期（Rantanen et al., 2022）。

 

上層對流層增暖弱于預(yù)期（Po-Chedley et al., 2022）。

 

與預(yù)期相反的信號：

 

熱帶西太平洋增暖快于東太平洋（Wills et al., 2022）。

 

沃克環(huán)流增強（Chung et al., 2019）。

 

陸地干旱區(qū)比濕下降（Simpson et al., 2023）。

 

無理論預(yù)期的信號：

 

雷暴直線風(fēng)速增強（Prein, 2023）。

 

南極海冰驟減（Purich & Doddridge, 2023）。

 

這些異?？赡茉从跇藴史椒ǖ膬蓚€核心問題：

 

尺度分離假設(shè)（LSD）：忽略小尺度過程（如深對流）對大尺度環(huán)流的反饋。

 

分量耦合缺失：大氣-海洋-陸地相互作用的簡化導(dǎo)致熱帶和南大洋偏差。

 

3 新范式的挑戰(zhàn)與機遇 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
 

計算方法的革新
 

超大規(guī)模集合：量化初始條件和參數(shù)化不確定性，但缺乏機制解釋（Maher et al., 2019）。

 

公里尺度模型：顯式解析對流和海洋渦旋，緩解海溫模式偏差（Yeager et al., 2023）。

 

機器學(xué)習(xí)：從數(shù)據(jù)中挖掘新規(guī)律，但可解釋性受限（Watt-Meyer et al., 2023）。

 

理論框架的重構(gòu)
 

填補分量耦合的空白：發(fā)展中尺度耦合理論（如ENSO振蕩機制）。

 

多尺度漸進分析：量化小尺度通量（如水汽輻合）對大尺度的影響（Klein, 2010）。

 

4 未來路徑：危機與否，科學(xué)如何前進？
 

以異常為指引：通過觀測檢驗LSD假設(shè)，如熱帶對流與環(huán)流的耦合（Bony et al., 2020）。

 

發(fā)展可檢驗假說：例如南極融水對南大洋冷卻的貢獻（Roach et al., 2023）。

 

重建層次模型：平衡簡單與復(fù)雜，避免“唯復(fù)雜性”預(yù)測（如臨界點理論的不穩(wěn)健性）。

 

5 政策啟示
 

危機不否定減排的緊迫性——全球變暖的物理基礎(chǔ)依然堅實。但區(qū)域預(yù)測的不確定性要求決策者：

 

區(qū)分“不確定性”與“無知”，采用適應(yīng)性管理（Marchau et al., 2019）。

 

關(guān)注小尺度過程的突現(xiàn)風(fēng)險（如極端天氣）。

 

6 結(jié)語

 

氣候科學(xué)正經(jīng)歷庫恩（Kuhn, 1962）所述的“危機”階段：異常積累催生范式變革。無論是通過改進標準方法，還是轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動的新范式，這一過程將深化我們對氣候系統(tǒng)的理解。對學(xué)者而言，此刻正是重新審視基礎(chǔ)假設(shè)、擁抱多學(xué)科交叉的契機。