气候科学还存在哪些不确定性

气候否认者和反对气候政策的人最喜欢的是“科学没有解决”。在某种程度上，这是真的。气候科学家仍然不确定一些现象。但科学的本质是永不解决的——科学总是在进行中的工作，随着新信息的到来，它不断完善自己的思想。

然而，某些证据是明确的：全球气温正在上升，人类正在其中发挥作用。仅仅因为科学家对其他一些领域不确定，并不能否定他们所确定的。

什么是确定的，什么是不确定的

世界各地著名的气候科学家几乎一致认为，人类的影响使大气、海洋和陆地变暖，气候变化的速度超过了自然变率。他们也几乎可以肯定，这种变暖是由人类活动产生的二氧化碳和其他温室气体驱动的，主要是化石燃料的燃烧。

由于物理、化学和生物学的基本原理，气候科学家对这些事情非常有信心;过去150年来的数百万次观测;对冰芯、化石珊瑚、海洋沉积物和树木年轮的研究，揭示了自然对气候的影响;和气候模型。

尽管有这些证据，“在气候变化领域，有无数的社会生态因素和相互依存的系统，它的已知未知数和未知数，深刻的不确定性比比皆是，”世界资源研究所说。不确定性是由于对地球系统及其相互作用的不完全了解;气候系统的自然变率;气候模型的局限性;偏见;以及不精确的观测仪器造成的测量误差。此外，人类以及未来的人口、经济、技术和政治发展将如何影响气候也存在很大的不确定性。

哥伦比亚气候学院Lamont-Doherty地球观测站的气候科学家Ben Cook研究干旱以及土地与气候系统之间的相互作用，他说：“有几种不同的不确定性来源，根据来源的不同，存在不同类型的困难。在一个层面上，我们对过程的不确定性有不完整的理解，因为我们没有我们想要的全部观测结果，和/或我们在气候模型中表示这些过程的能力有限。还有其他与物理气候系统之外的事物有关的不确定性。一个很好的例子是情景不确定性。我们想了解21世纪末的气候会是什么样子。这取决于气候系统的物理学。但这也取决于我们最终在下个世纪排放多少温室气体。

我们的气候变暖的速度还取决于排放的相互作用以及各种过程之间的相互作用，这些过程减轻或加剧了对气候系统的破坏，其中一些科学家仍然不确定：云的形成，水蒸气和气溶胶，不可预测的自然现象，如火山，临界点和人类行为。这种不确定性背后的原因是什么?

云的形成

云在决定地球的能量平衡方面起着重要作用。随着地球变暖，各地的云模式都会发生变化：某些类型的云在某些地方会增加，而在另一些地方会减少。根据云的类型及其下方的景观，云可以对地球产生冷却或变暖效应。低云具有冷却效果，因为它们将太阳辐射反射回太空。

另一方面，高卷云使地球变暖，因为它们会捕获热量。气候模型通常表明，云层的变暖和变冷效应会随着时间的推移相互平衡，但一些新的研究表明，全球变暖可能导致更多的云层变薄或燃烧掉，使地球越来越多地暴露在阳光下并变暖。

“云反馈往往非常不确定，因为观察有点有限，”库克说。“他们有点局限于卫星时代，只是在过去的40年里。而且很难理解一些因果关系。我们想了解云如何导致气候系统的变化。但与此同时，云对气候系统做出反应。

此外，气候模型难以纳入有关云的某些信息。大多数气候模型绘制了 100 公里乘 100 公里区域内的要素，尽管一些云模型的网格可能为 5 公里乘 5 公里;但即使在五公里以内，云量也有很多变化。

哥伦比亚气候学院气候系统研究中心兼职副研究科学家Allegra LeGrande说：“有时有些过程太小，太复杂，太难测量。而且你不能明确地将它们包含在气候模型中。这些往往是像云层短暂的、小缕的过程。你打算如何把这些微小的短暂云块转化为整个世界的气候模型?”

然而，“云可以在你模拟一个地区的气候类型中产生巨大的对比，”LeGrande说，他使用气候模型更好地了解比过去更极端的气候。“多云场与无云场可以对一切产生巨大影响 - 温度，降水，蒸发，表面能量平衡，一切。

水蒸气和气溶胶

水蒸气是最丰富的温室气体，它放大了其他温室气体造成的变暖。二氧化碳和甲烷水平上升引起的温度上升导致更多的蒸发，从而增加了大气中的水蒸气量。每增加一摄氏度的变暖，大气中的水蒸气就会增加约7%。科学家估计，这种影响使仅二氧化碳水平上升导致的变暖增加了一倍以上。

另一方面，排放气候变暖温室气体的汽车、焚化炉、冶炼厂和发电厂也会释放气溶胶——大气中的液体或固体颗粒，阻挡阳光并对地球产生冷却作用。火山喷发后产生的硫酸盐气溶胶等天然气溶胶也会冷却地球。但是云也可以在气溶胶周围形成，将它们用作原子核，因此它们的整体影响是不确定的。

气溶胶也存在不确定性，因为没有人知道社会会如何随着时间的推移而变化。我们最终会禁止他们的化石燃料燃烧来源吗?清理空气污染会加剧气候变化吗?

由于这些不确定性，科学家们不知道水蒸气和气溶胶最终将如何相互平衡。

自然变异性

由于不同的高压和低压区域以及影响温度和降雨的空气循环，气候会发生自然变化。这些对于在较小的区域和较短的时间范围内进行预测尤其重要。

“在较短的时间段内，例如，明年到30或40年，气候系统的内部随机变化非常重要，”库克说。“在区域范围内，这种时间段可能更难预测，因为气候系统中的内部自然变化可能会放大气候变化的影响，或者在某些情况下，减少气候变化的影响。

厄尔尼诺和拉尼娜等现象也产生了自然变化，这些现象产生了周期性的自然全球温度变化。而且存在自然变化，源于太阳强度和火山爆发的不可预测的变化。火山气体在平流层凝结形成硫酸盐气溶胶，使地球冷却。然而，科学家们得出结论，自然因素对近几十年来全球变暖的贡献远远小于人类。

临界点

地球离临界点有多近是不确定的——当微小的变化累积起来导致更大的变化时，这种变化可能是突然的、不可逆转的，并导致级联效应。由于计算能力的极限使得无法准确表示气候系统的临界点或其相互作用，因此这些主要的潜在临界点存在很大的不确定性。

海洋环流变化

大西洋经向翻转环流(AMOC)是预测未来气候时不确定性的主要来源。AMOC是一个海洋环流系统，它从热带和南半球向北输送热量，直到它在北大西洋，北欧和拉布拉多海失去热量，现在较冷的海水沉入深处。整体环流取决于这些沉入高纬度深海的寒冷密集水域。

然而，全球变暖可以通过使地表水和融化冰，向系统增加淡水来影响这种循环;这些因素使水的盐度和密度降低，防止其下沉。由于这种影响，AMOC的流通量在20世纪放缓了15%至20%，这是过去一千年中前所未有的异常现象。气候模型表明，随着气候变暖，AMOC将继续放缓，但其影响的程度和影响尚不确定。

气候模型表明，如果AMOC的下降幅度很大，欧洲将略有变暖，但欧洲的风力模式和热带地区的降水模式将发生重大变化。如果AMOC放缓得更少，北半球将变暖，潮湿地区将变得更加潮湿，干燥地区将变得干燥。虽然一些科学家担心AMOC可能会超过一个临界点并完全崩溃，但大多数人相当有信心这不会在2100年之前发生。

永久冻土融化

永久冻土是连续两年或更长时间保持冻结的地面，覆盖了北半球暴露陆地的约24%。一些永久冻土储存了植物和动物的碳基遗骸，这些遗骸在分解之前就冻结了，已经被冻结了数万或数十万年。科学家估计，世界上的永久冻土层含有1.5万吨碳，几乎是目前大气中碳含量的两倍。

随着温度的升高，永久冻土开始融化，以二氧化碳和甲烷的形式释放出碳，这是一种更有效的温室气体。随着全球变暖的进行，永久冻土可以释放多少碳融化，以及有多少一氧化碳存在很大的不确定性。2与甲烷。气候模型表明，地球每变暖一摄氏度，就会产生30亿至410亿公吨的二氧化碳。2可以释放。一些科学家担心永久冻土可能会超过一个临界点，释放的碳会大大加速变暖，但最近的模型表明，失控的情况不太可能。尽管如此，IPCC预测，永久冻土融化将增加变暖，“足以引起重视”。

冰盖崩塌和海平面上升

LeGrande说，科学家们了解海洋变暖最终会导致海平面上升，这是一个相对较小的数量，也许是一米。然而，他们不知道融化的冰盖可能会增加多少海平面上升。覆盖南极洲和格陵兰岛的冰盖呈现出最大的不确定性。这些冰盖造成的冰损失是过去几十年海平面上升的主要原因，并且未来可能对海平面上升做出最大的贡献。

冰盖的不确定性源于对冰盖行为的全部观察不足，对其过程的理解不完整，以及定义模型条件的局限性。这是因为冰盖偏远，恶劣的环境使研究变得困难。

尽管科学家们几乎没有关于大冰盖融化和坍塌的经验证据，但他们确实对过去如何发生有想法，以帮助预测未来。“很多这些想法要求我们知道冰盖及其周围到底发生了什么，其中一些东西很难测量，”勒格兰德说。“可视化下面发生的事情很棘手。这真的很重要，因为如果它很滑，那么冰盖可以很快流入大海。但如果它粘在底部，那么冰盖实际上可以很好地固定在适当的位置。

随着反射的白色冰川和冰盖融化，它们覆盖的区域缩小，暴露出较暗的土地或水，吸收更多的太阳能并进一步使大气变暖。一些研究表明，如果气温升高超过1.5°C，格陵兰岛和南极西部冰盖可能会超过临界点，但由于它们的巨大，这种崩溃可能需要数千年的时间。

由于冰盖的不确定性，对海平面上升速度和数量的预测差异很大。IPCC计算出，在高温室气体排放的情况下，海平面上升可能在2100年接近2米，到2150年接近5米。

亚马逊雨林

另一个潜在的转折点是亚马逊雨林，这是地球上最大的天然碳汇之一。由于森林砍伐和气候变化，亚马逊的一些地区已经开始排放比储存更多的碳。随着气温上升，亚马逊可能会变得更加干燥，更容易发生野火和压力，如果热带雨林变成草地稀树草原，亚马逊可能会越过临界点。

除了失去储存碳的树木外，热带雨林变成的稀树草原将吸收更少的碳，并为更少的物种提供栖息地。根据一些研究，到2100年，亚马逊可能会遭受严重的衰退。这将对生物多样性和气候变化产生可怕的后果，因为它可能导致900亿吨二氧化碳进入大气。

建模限制

科学家使用气候模型试图了解所有这些由数学方程表示的不同过程如何影响过去的气候以及它们将如何影响未来的气候。然而，由于气候系统非常复杂，计算能力有限，因此模型很难计算整个地球的所有过程。因此，气候模型必须将地球划分为网格单元;然后，它计算每个电池中的气候系统，包括温度，气压，湿度和风速，太阳能量，CO2以及甲烷和气溶胶。

气候模型可以帮助分析过去气候变化的原因以及未来如何变化。但是模型并不完美，它们有局限性。此外，气候模型在简化程度、网格大小以及表示云、地表大气交换或植被覆盖等物理现象的方式方面可能有所不同。气候建模者必须做出妥协，并在许多可能的变体中确定一种可能的变体，每种变体都可能导致不同的结果。为了应对这些限制，通常使用不同的变量运行气候模型集，以产生一系列可能的结果。

人为因素

未来我们星球的状态取决于向大气中排放的温室气体量。也许最大的不确定性是未来几年人类将排放多少碳、其他温室气体和气溶胶。这将取决于人口和消费增长、经济发展、技术进步、土地利用变化和国际协议，以及它们的所有相互作用。社会偏好和优先事项以及政治趋势的变化也将是关键因素。所有这些因素都将影响社会和国家如何采取行动应对气候变化——他们的政策有多有力和有效，在减缓和适应努力中投入了多少资金，以及国际合作产生了多少协同作用。

努力减少不确定性

哥伦比亚气候学院的研究人员一直在努力缩小科学家理解的差距，并根据他们的观察结果改进他们的模型。

LeGrande正在使用一种特殊的采样方法进行古气候模拟，该方法需要较少的计算机处理，并将模拟限制在卫星测量以及古气候档案中。此外，她说：“有很多很多的观测活动，在我们的冰盖上训练，试图了解地表过程。越来越多的人试图将冰盖下的该区域可视化。他们执行钻探任务，他们有很多[技术]在地表遥感，他们试图可视化冰盖底部和床之间的界面。然后，借助更强大的计算机，他们能够将这些经验观察结果插入冰盖模型中。

“现在机器学习也有很多工作，”库克说。“机器学习和人工智能非常擅长发现模式[和关系]。在气候模型社区中，许多构建这些气候系统大型计算机模拟的人正在探索机器学习，以识别使我们更好地与现实匹配的参数。这个想法是减少一些过程不确定性并提高我们模型的保真度。挑战在于解释这些模式和关系，并确保它们在物理或科学意义上是有意义的，但它(机器学习)对于探索过程和识别可能重要的事情真的很有价值。

然而，即使随着科学的进步，认识到和处理气候科学中现有的不确定性也是至关重要的，以便就适应气候变化做出明智的决定。忽视不确定性可能会增加风险。“只有了解合理可能性的范围，你才能真正为适应、政策和规划提供信息，”库克说。

适应气候变化的战略应考虑多种潜在结果，留出许多选择，并确定各种解决方案。解决方案需要稳健，能够承受不同的压力，例如，农民在极端天气下实现生计多样化，或者扩大微电网的使用以保护社区免受停电的影响。适应措施需要灵活，能够在一系列可能的未来情景下发挥作用，并能够随着科学的进步而重新评估或调整。

气候科学中仍然存在的不确定性并不是不采取行动减缓气候变化的理由，因为不确定性可以双向发挥作用：气候变化可能没有目前的预测那么严重，但也可能更糟。