主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？23 气候模型 -- 橡树村
如果加上现代人类对气候的影响,其反应结果,跟现在气候变化趋势一致?
谨慎的说法是如果不考虑人类的影响，非常不可能解释20世纪后半期开始的升温。
发现只有在考虑了人类活动的影响以后，才可以对现代的气候变化做出合理解释。下一节会详细将这个问题。
现在已经有很多对20世纪气候的模拟。下图显示了关于全球平均气温的一些模拟情况。图里面的黑线是仪器测量的结果，黄细线和浅蓝色细线是不同的模拟的结果，粗红线和粗蓝线是这些模拟的平均值。图a表示的是同时考虑了人类活动影响和自然因素变化以后的模拟结果，图b是只考虑自然因素时候的模拟结果。可以看到图a中的模拟基本上可以反映1960年以后的全球平均温度上升趋势，而图b中只考虑自然因素的时候，能够观察到一个降温的过程，与实际观测只有明显的偏离。得到这个结果的模型考虑了前面分析过的主要的辐射强迫因素，不过有一些模型考虑的因素并不够全面，比如一些模型没有考虑炭黑气溶胶的影响，没有考虑植被分布的影响等等。尽管仍然有不确定性，但是这个图已经可以很清晰的显示，对于全球平均气温这个指标，只有在考虑了人类活动的影响之后才可以解释20世纪末期的升温。这个图还可以显示，在几十年的时间尺度上，全球平均温度明显受到外部辐射强迫的控制。此外模型也都可以反映出了火山喷发导致的变冷这一重要的气候变化。不过，在更小的时间尺度上，比如年际的尺度上，模型还不能反映出足够的变化，特别是不同模型之间在年际变化方便的不确定性非常高。
对20世纪全球平均气温的模拟
不仅仅全球平均气温的变化强烈提示人类活动对全球气候造成了很大影响，对于不同地域的气候模拟也显示了同样的趋势。下图显示了地球各个区域的观察到的气温（最上一行），同时考虑人类活动和自然因素所模拟到的各个区域的气温变化（第二行），仅考虑自然因素的模拟结果（第三行）。前三行图里面，红色表示升温，蓝色表示降温。第四行显示的是不同纬度的平均变化情况，黑线是观测值，红色带是同时考虑人类活动和自然因素以后的模拟结果，蓝色带式仅考虑自然因素以后的模拟结果，范围显示90%置信区间。左边是对1901年到2005年之间的变化的模拟，右边是对1979年到2005年变化的模拟。实测结果显示除了北美东南角、北大西洋北部，非洲、南美的一些局部地区等地区，在整个20世纪全球变暖是非常普遍的。在模型仅仅使用自然因素进行模拟的时候，观察到的是除了很少几个区域以外的略微变冷趋势。而在模型同时考虑人类活动的影响以及自然因素的时候，在大尺度范围上，模型基本上可以模拟到大多数地区的温度变化趋势。在1979年到2005年期间，也可以看出考虑了人类活动因素之后的模拟要更加接近观测到的结果。虽然模型仍然有不确定性，在模拟一些区域的时候仍然有偏差，甚至得出相反的结论，说明模型的不确定性仍然有很大的改进空间，但是至少，人类影响与自然因素产生的影响已经可以很明显的分离开来。通过这些研究可以至少得出这样的结论：非常可能造成20世纪晚期全球气温上升的主要因素是人类活动影响，而不是单纯的自然因素影响。
各个区域的气温变化
对于20世纪前半期的模拟，当同时考虑了人类活动因素和自然因素以后，模拟的结果看起来要比单纯考虑自然因素的略好一些，但是并不明显。究竟哪个因素起到主要作用，不同的研究者也有不同的结论，有的研究者认为这段时期太阳辐射的变化是气候变化的主导，有的认为火山爆发起到重要作用。1950到1970年间的变冷自然引起了研究者的兴趣，不过到AR4的时候还没有很清晰的结论。有的研究者发现这一时期排放的硫酸盐气溶胶相对温室气体可能起到更大的作用，大约可以解释这个时期的全球变冷趋势，另有研究者认为在模型中考虑了炭黑气溶胶的因素之后，才可能在模型中得到具有统计学意义的结果。对于一些区域的模拟显示，可以显示这些区域在20世纪中期的变冷，这里面生物质燃烧引起的炭黑气溶胶很可能起到重要作用。由于对碳黑气溶胶的重视是比较晚的事情，相关研究还很少，在AR4的时候，这个问题还没有明确的结论。
不同因素对气温变化的影响
也可以专门研究单一的因素对气候的影响。上图显示的是几个模型的研究结果，红色是温室气体的影响，绿色是人类其他活动的影响，蓝色是自然因素的影响。图b是三个模型估计的20世纪，从1900年到1999年这三个不同因素对全球平均气温的影响，图c显示的是20世纪后半段，1950年到1999年这三个因素对全球平均气温的影响。这里面可以看出虽然不同模型之间对于不同因素的贡献的估计仍然有很大不确定性，但是在考虑了这些不确定性之后，温室气体的升温作用仍然很明显，20世纪后半期自然因素的降温作用非常明显，人类活动带来的升温效果也大于降温效果。
次大陆尺度的气温变化
在大陆尺度，次大陆尺度上，现在模型也可以进行归因研究。上图展示的是对各个次大陆的平均气温进行的模拟，黑色线仍然是观察到的数据，红色带是考虑了人类和自然因素以后的模拟结果，蓝色带是只考虑自然因素的模拟结果。左下角的三个图分别是全球平均GLO，陆地平均LAN和海洋平均OCE。可以看到在大多数次大陆，都可以很清楚地两种不同的模拟得到的结果在20世纪后半期的区别，不过次大陆尺度展示的信号明显部大陆尺度的清晰。各个大陆的模拟见下图。有不同研究者研究了更小地理尺度范围的情况，在更小的地理尺度范围，信号的不确定性更大，有的时候能够分离人为和自然因素的区别，不过很多时候还是不能明显区分，显示了相关研究方法的不足。
大陆尺度的气温变化
按照人们对气候的理解，气候变暖之后，预期会发生气候变化的极端事件。人们自然就会联想，这些极端事件与全球气候变化是否有关系。要回答这个问题还是很难的。要知道在一个稳定的气候环境里面，极端事件都是经常发生的，所以把某个极端事件归因于气候变化，是非常困难的，甚至有可能完全做不到。另外，造成一个极端事件发生的因素非常多，给评价本身也带来复杂性。2003年欧洲的夏季非常炎热，下图是对1864年到2003年瑞士夏季极端气温的统计。各个竖条是137年间的各年夏季平均温度，其中最热的是2003年，达到了22摄氏度，用红色竖条表示。其他年份里面，最冷的是1909年，最热的是1947年。可以看到2003年的夏季平均气温高出了仪器记录以来的最高值不少。拟合的高斯分布用绿色曲线表示。造成这个酷暑的可能的影响因素，包括了与晴朗天空相联系的持续高压系统，干燥的土壤导致水分蒸发带走的能量降低，使得有更多的太阳能用来加热大地等。在这些因素里面，有的可能受人类影响，有的并不受人类影响，即使是有可能受人类影响的因素，要检测出人类影响的多少也是非常困难的。不过气候模型可以对极端事件发生的可能性进行判断。比如研究者采用了只使用自然因素和同时考虑自然与人类因素的方法对欧洲夏季气候进行模拟比较，最下图展示了这个模拟结果。上图是每千年类似事件发生的概率，红线是考虑了人类活动影响之后的概率分布，绿线是仅考虑自然因素的概率分布。发现考虑了人类活动的影响之后，欧洲出现2003年酷暑这样的气候风险增加了一倍以上。
瑞士夏季的平均温度分布
欧洲夏季酷暑发生的频率分析
其他极端事件，比如晚春，霜冻，极端雨量等等，也可以使用类似的研究方法。不过在进行相关研究的时候需要非常小心。
橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？27 现代气候归因 下
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先讲几句IPCC报告之外的东西。因为前两个月北半球一些地区的寒冬，于是不少人就开始嚷嚷全球变冷，甚至理论都出来了。不过实际数据似乎并不支持全球这个期间变冷的结论，甚至都不支持北半球变冷的结论。前面我给出过一个卫星测量的全球平均气温的数据，说2010年的一月份，是1978年以来全球平均气温最高的，很多人自然不服气。下面这个图是另一个数据源对全球各个地区2010年一月份平均气温的展示，大约可以更加直观地说明问题。
2010年一月与之前两个最暖的一月的全球气温分布比较
这个图显示所谓北半球的寒冬，只不过就是欧亚大陆的一部分，美国东南部，以及北太平洋，北大西洋一些地区的低温。实际上，在其他很多地区，一月份平均温度都高于1951到1980年的平均值，甚至有很大面积区域的高温异常超过了4摄氏度。图上可以很直观地看出变暖的面积和程度都是超过了变冷的面积和程度的，这样全球平均一月份实际上是高温的结果，就并不令人吃惊了。只不过这些严寒都发生在人口密集的区域，非常引人注目，而高温的区域很多都是人迹罕至的地方，没人替他们发牢骚。不过不能因为欧美人声音大，天天在新闻上喊冷，就判断这个期间全球都在变冷，也不能因为高温往往发生在人少的地区就被忽略掉。
已经有人声称全球气温变化进入拐点云云。这方面，IPCC的AR4的数据只统计到2005年，不能提供对最新问题的解释。不过最近几年是不是出现了一些人声称的严寒呢？下图是一组全球年平均气温的数字，可以看到在21世纪，全球年平均气温仍然继续保持高位，明显高于1990年代，更高于此前上百年的平均气温，也看不出什么下降趋势。还是前面讲的，鉴于这个期间大自然的因素实际上有可能导致了使得全球变冷的倾向，正如河内PBS对太阳黑子变化所进行的分析，那么实际上观测到的全球平均气温继续保持在高位的现象，只能是人类活动引起的。
全球平均气温异常
好了，下面接着讲现代气候现象的归因。
地球表面的内能主要都集中在海洋。前面讲过，从1961年到2003年，世界海洋内能增加了14.2 X 10^22焦耳，与其他地表的内能变化相比，至少高出一个数量级。研究者对各个洋盆700米以内海水的内能变化情况进行了计算，结果显示在下图。红点表示的是各个洋盆不同海水层面的升温幅度，蓝色的斜线显示只考虑自然因素影响的话，90%置信区间水平上的模拟出来的变化幅度，绿色斜线显示的是在考虑了自然与人类活动影响之后，90%置信区间水平上的模拟出来的变化幅度。这里面可以看出，如果只考虑自然因素，基本上不可能解释1961年以来海洋内能的变化，而在考虑了人类影响之后，模拟得到的结果与海洋不同层面的温度变化更加接近。不过AR4时的模型对与年际到年代时间范围的变化还无能为力。
海平面的变化是很多媒体最关注的一个全球气候变化特征。海平面变化主要来自两个原因，一个是海洋升温以后热膨胀导致的海平面上升，一个是陆地冰川融化增多，导致海洋总水量增加。AR4时候，对于1961到2003年间的海平面变化并没有实现平衡。观测到的每年1.8+-0.5 毫米的海平面上升里面，可以归因到热膨胀的是每年0.42+-0.12 毫米，归因到陆地冰川融化的是0.50+-0.18 毫米，大冰原作的贡献是每年0.19+-0.43 毫米，加在一起只有每年1.1+-0.5 毫米，与实际观测值仍有差距，说明相关研究仍有欠缺。对这个期间进行模拟，发现考虑了人类的因素和大自然的因素之后，海平面上升为每年1.2+-0.5 毫米，而如果只考虑人类活动的影响，模型得到的结果是海平面上升每年1.4+-0.7 毫米。有趣的是考虑了自然因素之后，模拟得到的海平面上升速度要低于只考虑人了影响的海平面上升速度，这与这期间数次火山爆发导致的变冷效应有关。1993年到2003年，观测到的热膨胀导致的海平面上升为每年1.60+-0.50 毫米，陆地冰川贡献每年0.77+-0.22 毫米，冰原贡献每年0.41+-0.35 毫米，加起来是每年2.8+-0.7 毫米，已经与实际观测到的每年3.1+-0.7 毫米已经基本上吻合，实现了收支平衡，算是这方面研究的一个重要进步。模拟的结果，同时考虑人类和自然影响，得到的海平面上升速度是每年2.6+-0.8 毫米，而仅考虑人类影响，得到的海平面上升速度为2.4+-1.0 毫米。可以看出同时考虑自然与人类活动因素后，模拟的结果吻合得要略好一些。对海平面的模拟结果基本上符合实际观测值，也说明对于冰川融化的估计基本正确。不过这个问题整体上来说认识水平偏低。综合上述结果，可以说，非常可能人类活动对于20世纪后半期的海平面上升做出了贡献。
上面这个图显示的是1995年到2005年十年平均值的12月到2月海平面气压趋势，左边是北半球，右边是南半球，上面的两个图是实际测量的数据，下面两个图是考虑了自然和人为影响的8个模型的模拟结果平均。可以看到这些模型基本上可以重现NAM的趋势迹象，但是模拟的响应结果小于实际观测到的结果。对SAM的模拟表示已经检测到了人类活动对全球海平面气压的影响，符合观测到的南极部分地区地面气候的冷却趋势。这意味着人为的活动可能对中高纬度的环流和温度形势变化以及对风和风暴路径的变化做出了贡献，不过相关研究还无法准确量化，目前只能作定性描述，定量的结果仍然与观测值不符。此外，近几十年来的南北半球环形模态的趋势与两极地区海平面气压降低以及相关的大气环流变化相符合，对这个现象的归因分析认为这个变化可能与人类活动有关。对流层变暖和平流层冷却的趋势很可能与人为强迫有关，特别是与人类活动造成的温室气体增加以及平流层臭氧损耗有关。这个趋势与对流层顶高度增加的变化是一致的。不过需要注意在评估对流层温度尤其是无线电探空一纪录方面仍然有显著的不确定性。
水循环方面，AR4的时候也只能进行定性的研究。这方面的精确观测也仍然在进步中。1988年开始的对水蒸气变化的卫星测量提供了高质量的数据，发现虽然各个年度之间的变化波动很大，但是从1988年开始水蒸气含量有一个每十年增加1.2+-0.3%的趋势。上图中的黑线是卫星监测到的1982到2005年全球海洋平均水蒸气异常的情况，红线是模型根据观察到的浅层海水温度情况模拟的结果，两者符合得还是不错的。由于浅层海水温度升高可能受到人类活动影响，可以说人类活动可能对于大气中水汽含量增加做出了贡献。
上图是陆地降雨异常的情况。图a中的黑实线是观测到的数据，其他细线是不同模型的模拟结果，都考虑了人类和自然因素的影响。图b是对不同纬度的实际观测（黑实线）与不同模型的模拟结果（细线）。可以说观测到20世纪的陆地降水变化的大尺度型态与考虑了人类影响以后的模拟是基本一致的。这些考虑了人类和自然因素的模型重建了全球20世纪下半叶干旱增加的趋势。个别地区的干旱可以进行归因，基本上可以下结论说土地利用的变化，如过度放牧，林地变成耕地等等，不可能是萨赫勒地区和澳大利亚干旱的首要原因。下图是对非洲萨赫勒地区降雨异常的分析。黑色线是观测到的降雨情况，红色是使用观测到的浅层海水温度数据模拟得到的几个不同模型结果的平均。这里面显示出来的季风、风暴强度与萨赫勒地区的降雨变化与观测到的浅层海水温度的部分相关性，显示出了人类活动影响的信号。
可以进行初步归因的其他现象还包括，北冰洋海冰的大面积减少可能主要受到温室气体增加的影响，但并不是全部影响。对南大洋的海冰面及变化的模拟与观测并不相符。一些地区的高山积雪变化可以用气候变暖来解释，但是仍有一些现象解释不清。在20世纪后半期，冬季冰川增长的数量与夏季冰川减少的数量都出现了增加，导致的冰川面积大幅度增加与观测到的气温增加相符，在一些研究的比较充分的地区，模拟的结果可以与实际结果基本吻合。
这些归因研究的结果可以看出，在众多气候现象的变化中，基本上都可以检测到人类活动的影响。在一些现象中，已经可以得出人类活动非常可能造成影响这样的结论，在所研究的其他现象中间，也至少可以说人类活动产生影响的可能大于没有产生影响的可能。同时，非常不可能单纯的自然因素造成了这一系列的气候变化。
橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？28 预估：情景和气温
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这里面显示的是异常情况。比如使用了1951年到1980年的30个一月份的平均值，然后把每个年度的一月份的平均值与前面得到的进行比较，得到一个差值。图上显示的就是这个异常的数值。
换句话说，这个数值是2005年的北极地带一月平均气温比1951年到1980年一月份的平均气温，高出的数值。这个系列里面的很多图都使用的这种表示方法，重点是突出变化，免得变化被季节等差异掩盖。
能讲明白吗？
全球平均温度的计算方法，在前面讲到全球气温变化的时候提到过。
这个至少感觉不太象啊。上海1月反正觉得比较冷，虽然不能说是接近最冷，但应该比平均偏低吧？新疆内蒙都是有大雪灾的报道。当然图的精度低，可能是定位问题。
NASA还提供250公里精度的数据，不过仍然显示上海比1951年到1980年的一月份平均值偏暖。
可以在这里自己进行各种组合，很有趣的。
按这个地方的数据，上海今年1月平均气温竟然是最近几年最高的？
我用2000-2009、2005-2009、2007-2008、2005-2007这些作为基数比较，都是今年偏高。这好像和感觉不一样？
用Trends，2000-2010是降低的，2006-2010是降低的，这个倒有点像实际感觉。
我没查到。
能帮忙找找？
因为不做这方面的研究
IPCC WG1报告第八章Climate Models and Their Evaluation里既没有公式也没有代码，当然看还是可以看一下
如果想详细地了解某个模式
可以直接去其官方网站看文档下代码
不过如果WG1报告正文都看着费力的话，还是不要细究了
气候模式也是从简单到复杂几十年一步步走过来的
现在模式里可调的参数是有很多，但这绝不是“一个优化程序就搞定了”的问题，如果你不知道所做调整的物理意义的话，是没什么可能得到好的结果的。
多个模式输出结果平均后表现好很正常啊
其实这也算ensemble forecasting的一种(基于Monte Carlo method)
力学几百年了，我现在做力学模型，比气候模型“简单”多了（参数少多了），都没有搞气候的对预测结果那么有“信心”。
我这里说的“优化程序”并不是说模型参数应该要使用“优化程序”,恰恰相反,我是不主张单纯使用优化程序标定参数的.
我也不是说气候模型中所有参数都是使用优化程序,我说的是调整模型中部分参数通过使用“优化程序”是可能的.这个不管参数有没有物理意义都是可能的.原因在于不同参数的耦合效应使得很难（甚至不可能)设计试验对单一参数进行标定.那么,很多人对于耦合参数的同时标定就使用了"优化算法".我觉得气候模型中的很多参数很可能就是这么标定出来的.因为我在报告中,见到大量的篇幅探讨物理机制,可是没有见到说明这些物理机制需要的参数具体是如何标定的,特别是在气候模型中,参数普遍具有耦合性.这是我一直对气候模型预测精度产生怀疑的原因.
你说的Monte Carlo method,这个提醒了我,或许我思考中太局限于 deterministic algorithm了.
2010年1月平均气温距平
网站烂画得也够烂的
连算平均态的base是哪段时间都没有写明
应该是站点观测插值出来的
不过大体形势和NASA那个GISTEMP分析基本是一致的
毕竟GISS分析也是从站点资料来的
主要是合并相邻站点和调整城市热岛效应
另外在别的论坛上有爱好者发的2010年1月上海天气回顾与总结(需注册用户，可能需要从google搜索点进去)，平均来说确实偏高，不过冷暖变化比较大而已。在科学问题上人的感觉和记忆往往是靠不住的，经常选择性无视或遗忘。
中国参加WMO资料交换的站(地面站全国100来个)数据都可以在网上找到
就是自己拿原始数据画成图稍麻烦点