高解析度氣候模型預測多雨動盪的未來
High-resolution climate model forecasts a wet, turbulent future
18 NOV 2025 5:00 AM ETBYPAUL VOOSEN
f t儘管氣候模型在預測全球暖化方面非常有用，但它們往往以印象派畫家般粗略的筆觸來描繪未來。這是出於必要：為了在可管理的計算時間內模擬數百年，這些模型將大氣層劃分為約一百公里見方的粗略像素，然後為每個像素求解流體動力學方程。但這種粗糙性會導致預測不準確，尤其是在熱浪和暴雨等零散現象上，這些現象很大程度上受更細緻尺度發生的事件影響。
如今，一個名為MESACLIP的新高解析度建模項目，過去五年以高昂的計算成本運行，通過以類似天氣預報的細節層次模擬大氣和海洋的翻騰，使地球的未來變得更加清晰。該項目揭示了墨西哥灣沿岸和加利福尼亞海岸等地區的風險升高，這些地區的極端降雨可能比傳統預測更為頻繁地發生。今天發表在《自然地球科學》上的趨勢顯示了高解析度模型的優勢，這些模型能更好地捕捉導致暴雨的風型態變化。
「現在越來越清楚的是，[傳統]模型並未產生氣候變化的真實影響，」英國氣象局的氣候科學家史密斯說道，他曾警告稱風型態預測的缺口可能導致意外。他補充道，MESACLIP可能開始彌合這一缺口。「他們的結果非常有趣。他們開始驗證我們的想法。」
MESACLIP將大氣層劃分為二十五公里見方的方塊，並將海洋表層劃分為十公里網格。這種高解析度並非新鮮事。但早期的努力往往聚焦於有限區域或有限時間，僅預測未來幾年或幾十年，而且通常只重複運行幾次計算密集型模擬。MESACLIP通過運行從一九〇〇年開始並展望至二一〇〇年的全球模擬來區別自身，針對多種溫室氣體排放情景進行模擬。對於其中幾種情景，它以略微不同的初始條件重複模擬十次，創造一個「集合」預報，更好地捕捉自然變化。
最終結果是在包括美國國家大氣研究中心最新超級電腦Derecho等機器上運行九百天的計算成果，產生了四千五百年模擬數據，共六拍位元組。科羅拉多大學博爾德分校的大氣科學家凱表示，這一成就很難被超越。「高解析度仍然難以推廣，因為成本太高。」
與大多數其他模擬相比，MESACLIP在重現過去世紀全球變化方面做得更好。結果與海洋和空氣溫度的歷史記錄相符，這是許多氣候模型長期難以做到的。它們也更好地捕捉了上升水流形成的冷舌和海洋中旋轉的渦流，這些現象被認為在調節風型態方面發揮重要作用。而且它們更準確地模擬了今日觀察到的極端降雨事件。「我們的正確是基於正確的原因，」德州農工大學的海洋學家張平說道，他協助領導了這項工作。
這種重現過去的精確性使MESACLIP科學家對模型未來預測更有信心──其中一些預測令人擔憂。在一個悲觀情景中，碳排放將在一九八〇年達峰，到二一〇〇年陸地上的每日極端降雨可能增加百分之三十七。暖空氣能容納更多水分，但這一趨勢無法完全解釋降雨的加劇。研究團隊發現，增加的部分很大程度上是由風型態的變化驅動的，這些變化形成了數百公里長的嚴重雷暴鏈，而傳統模型未能捕捉到這些，張平說道。
MESACLIP還重現了颶風和被稱為大氣河流的長海洋供給雲帶。皮埃爾-西蒙·拉普拉斯研究所的氣候科學家法蘭達表示，這些結果可以加強將這些極端天氣事件歸因於全球暖化的努力。「我認為我們必須追求這種尺度，」他說。
區域氣候變化預測也將受益。這些預測通常依賴於應用於相對較小區域的高解析度模型──如歐洲或德克薩斯州的大小。它們也預示未來將帶來更多極端降雨。但康乃爾大學的氣候科學家萊納表示，由於這些模型在邊界處接收的信息來自較粗糙的全球模型，因此其預測面臨懷疑。「這與眾不同。」
MESACLIP的動機源於近十年前，當時張平希望探討海洋渦流如何影響大氣河流的發展。一開始，他和他的同事決定使用美國國家大氣研究中心開發的社區地球系統模型第一版的變體。該模型變體計算需求較低，使張平和他的同事能夠以更高的解析度運行它，並引入有機會使用中國超級電腦的中國同事。
但幾年後，在取得有希望的初步結果後，德州農工大學因國家安全顧慮終止了該項目，切斷了張平與中國合作者的聯繫。因此，張平和他的共同領導人、美國國家大氣研究中心的海洋學家丹納巴索格魯轉向了由BP在深水地平線漏油事件後資助、由美國國家科學、工程和醫學院營運的墨西哥灣研究計劃。該計劃希望進行高解析度模擬以預測墨西哥灣沿岸的海平面上升，而該補助支付了MESACLIP所需的大量計算時間。
儘管簡單訪問龐大數據集存在挑戰，其他氣候科學家仍在排隊獲取該項目的數據。他們渴望探索可能隱藏在其中的關於地球未來的其他教訓。例如，與常規氣候模型不同，MESACLIP的幾次運行重現了過去幾十年在南大洋和東太平洋觀察到的令人困惑的冷卻現象。該模型表明，這與南極上空的臭氧層空洞有關，該空洞冷卻了平流層並加強了南大洋周圍的呼嘯風。由此產生的海洋冷卻最終可能延伸至熱帶地區。
該模型似乎也能更好地捕捉北極的快速暖化，可能是因為它正確地模擬了通過白令海峽的暖水流，白令海峽是太平洋和北極洋之間的關鍵咽喉要道，張平說道。而且它對大西洋經向翻轉環流帶來了令人安心的消息，這股洋流為歐洲供暖並將碳封存到深海，一些低解析度模型預測隨著全球暖化它可能會崩潰。丹納巴索格魯說，MESACLIP表明它更具韌性。
結果如此有希望，以至於美國國家大氣研究中心現在將以類似高解析度運行其旗艦模型CESM3的最新第三版列為優先事項。但丹納巴索格魯表示，用其他中心開發的氣候模型在該解析度下重複運行至關重要。只有這樣，他和他的同事才能開始了解他們的改進預測是單一異常現象抑或是現實。