一臺超級計算機底部的備用電纜

快五年了，一支由國際科學家組成的聯盟，始終在追逐雲層。

透過對雲層的研究，他們決心要解決困擾了一整代人的氣候變化預測問題：這一縷縷的水蒸氣，究竟是如何讓全球變暖的？

為了探索氣候變化的走向，他們重新編寫了 210 萬行的超級計算機程式碼，添加了更復雜的雲計算公式，並進行了數百項其它方面的改進。他們不斷測試程式碼，糾錯，再測試。

科學家們發現，因為氣溫上升幾乎對所有地區都能產生影響，所以即便使用了現有最頂尖的工具，也無法準確地構建出氣候變化的模型。

2018 年，科學家們在運行了當時升級過的模型後，計算結果讓他們大吃一驚：相比於數十年前舊版模型的預測，新資料顯示，地球大氣層對溫室氣體的敏感性提高了許多，且全球氣溫將上升到更驚人的數值——甚至到了無法補救的地步。

“我們感到非常意外，如果數值沒弄錯，那可真是個壞訊息。”美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）博爾德梅薩實驗室氣候模型專案的首席科學家 Gokhan Danabasoglu 表示。

對於新模型的計算結果，不下 20 種舊版的全球氣候模型都算出了與其不一致的結果。Danabasoglu 所在的 NCAR 的開源通用地球系統模型（CESM2）比它們更新，也更復雜。其主要資助方為美國國家科學基金會（U.S. National Science Foundation），可以說是世界上最具影響力的氣候專案。在那之後，世界各地的十幾個氣候模擬小組接連給出了類似的預測。Danabasoglu 稱：“並非只有我們。”

Gokhan Danabasoglu 是

美國國家大氣研究中心（NCAR）

博爾德梅薩實驗室氣候模型

專案的首席科學家

科學家們很快就發現：在全球變暖的趨勢下，雲的物理特性對氣候變化可能會起到強化作用，也可能會起到延緩作用。因此，新的計算結果都受到了干擾。NCAR 專門研究雲的物理學家 Andrew Gettelman 參與開發了 CESM2 模型，他表示：“我們知道，舊的方法是錯誤的。並且我認為，我們這種新的靈敏度更高的方法也不正確。可能是我們另一些試圖讓雲變得更好或更現實的舉措所導致的後果。我們解決了一個問題，同時又創造了另一個問題。

從那時候起，CESM2 的科學家們根據關於氣溫上升影響的大量新資訊，著手開始重新設計氣候變化演算法，以更好地理解其中的物理現象。他們放棄了氣候敏感性方面最極端的預測數值，但對未來全球變暖的最新預測結果仍令人擔憂——且還在不斷地變化。

“我們解決了一個問題，

同時又創造了另一個問題。”

物理學家 Andrew Gettelman

在實驗室裡接受採訪時說

世界各國的領導人在思考限制溫室氣體排放的方法時，很大程度上都依賴於計算機氣候模型的預測。不過，隨著演算法和執行這些演算法的計算機的不斷最佳化，能夠處理更多的資料，進行更高質量的模擬，這種複雜的狀況使得氣候科學家們不得不耗費精力，努力解決計算機模型之間不匹配的問題。

儘管對於計算如何在全球變暖的環境中生存至關重要，氣候模型卻碰到了很大的困難——有複雜的物理問題；科學計算的侷限性；氣候行為細微差別的不確定性；以及如何跟上二氧化碳、甲烷和其它溫室氣體增速的難題。儘管已有了顯著的改進，但從表面上來看，新模型仍舊不夠精準。

也就是說，氣候變化的預測依然需要主觀判斷。

美國國家大氣研究中心的

科學家們正以 5.34 萬億次的

計算來預測未來氣候變化

隸屬於 NASA 的戈達德空間研究中心（Goddard Institute for Space Sciences）是國際領先的氣候模擬中心，其主任 Gavin Schmidt 告訴我們：“目前來看，氣候模型的運作方式有些不對勁。我們遇到了個難題。”

聯合國政府間氣候變化專門委員會（United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change）整理了數千篇科學論文和數十個氣候模型（包括 CESM2 模型）的最新氣候資料，為評估氣候變化的影響制定了國際標準。195 個國家的決策者由此達成了全球變暖方面的最新科學共識。委員會預計將於今年晚些時候釋出下一份重要諮詢報告，並將成為國際談判的基礎。

對氣候模型專家而言，預測的差異基本就在平均氣溫變化因未來幾年大氣中的二氧化碳增加量而產生的那幾度。大多數科學家都認為，僅憑這幾度，就足以導致風暴、強降雨、海平面上升——甚至熱浪、乾旱或其它與氣溫相關的後果，如作物歉收和傳染病等等。

氣候模型，相當於把地球放入了一根數字試管中。1992 年，當世界各國領導人齊聚巴西里約熱內盧，就首個全面的全球氣候條約進行磋商時，只有四種基本模型能夠為談判代表們預測全球變暖的趨勢作為參考。

2021 年 11 月，全球各國領導人在格拉斯哥召開了以 2015 年巴黎協議為基礎的會談，商討限制溫室氣體排放的問題。49 個研究小組分別構建了 100 多種主要的全球氣候變化模型——可見該領域湧入了多少人才。會議上，聯合國專家釋出了針對未來全球變暖場景的氣候模型預測，其中也包括來自 CESM2 模型的資料。

NCAR 梅薩實驗室的資深科學家 Gerald Meehl 表示：“這些模型，就是我們用來表明世界未來走向的一種工具。對決策者來說，要想獲得這方面的資訊，就只有這一種途徑。”

去年 10 月，諾貝爾物理學獎被授予了為計算機模擬全球氣候變化奠定基礎的科學家。

數十年來，懷疑論者始終對氣候模型頗為不屑，認為其誇大了二氧化碳的危害。但越來越多的研究表明，許多氣候模型的精確度比想象的要高很多。在最近的一項研究中，美國國家航空航天局、加州伯克利突破研究所（Breakthrough Institute）和麻省理工學院的科學家們對 1970 年至 2007 年間使用的 17 種模型進行了評估，結果顯示，其預測的大多數氣候變化都“幾乎完全符合實際發生的狀況”。

該研究負責人、來自環境研究組織“突破研究所”的氣候科學家 Zeke Hausfather 稱：“這些早期模型作出了正確的預測，這一事實著實讓我們信心倍增。”

不過，模型依然容易出現技術故障，並且容易因為我們對影響地球應對吸熱氣體的變數沒有足夠充分的理解而遭遇壁壘。陸地、海洋和大氣之間保持著微妙的相互作用關係，這方面的氣候問題仍舊懸而未決。海洋變暖的速度可能比先前模型的預測速度更快。空氣浮塵、煤煙、沙礫和氣溶膠究竟有多大影響，也還是難以確定。

在去年提供給各國政府的指導意見中，聯合國氣候變化委員會首次對最極端的預測進行了弱化處理。

在為決策者更新氣候預測之前，會有個獨立的科學家小組進行“追算”，即測試模型重現 20 世紀及更早時期氣候變化的能力。只有能夠精確重現過往氣候變化的模型，才會得到認可。

NCAR 博爾德梅薩實驗室

在此過程中，NCAR 聯盟的科學家們曾嘗試使用經過最佳化的模型重現 21000 年前，即上個冰河時代的氣候狀況。相比如今，當時的二氧化碳水平和氣溫都要低得多。CESM2 和其它一眾新模型的預測溫度都遠低於地質證據顯示的溫度。隨後，密歇根大學的科學家又使用新氣候模型嘗試重現 5000 萬年前的氣候狀況。相比如今，當時的溫室氣體水平和氣溫則都要高得多。新模型的預測溫度也都遠高於地質證據顯示的溫度。

儘管這些新模型在受其它幾乎所有氣候因素影響時，都能給出精準的結果，但它們似乎總是對二氧化碳含量的變化太過敏感。近幾年來，為了降低不確定性，科學家們始終在進行各種微調。

雲也是一大難題。

由於雲層既能將太陽輻射反射進太空，又能捕獲地球表面散發的熱量，它也就成了科學家改進氣候模型時的最大挑戰之一。

任何時候，地球三分之二以上的面積都有云層覆蓋。它們對氣候的影響取決於其反射能力、活動高度，以及是白天還是夜晚。雲既能加速升溫，也能加速降溫。其活動範圍可能寬若海洋，也可能細如髮絲。研究表明，從宇宙射線到海洋微生物，都會對雲的活動造成影響。比如，微生物釋放出的硫磺顆粒就會成為水滴或冰晶的核。

美國懷俄明州首府 Cheyenne

城外的風力發電設施

加州理工學院（California Institute of Technology）及氣候模型聯盟（該聯盟正在開發實驗模型）的大氣科學家 Tapio Schneider 表示：“如果處理不好雲的問題，到處都會出紕漏。在調節地球的能量平衡這方面，雲至關重要。”

原先的模型都只是簡單地模擬雲的影響，因而數十年來，人們都認為，如果大氣中的二氧化碳濃度比工業化前的水平高出一倍，全球氣溫就將升高 1.5 至 4.5 攝氏度）。

新模型則更細緻地考慮了雲的物理特性。聯盟的科學家表示，據 CESM2 預測，如果二氧化碳的濃度增加一倍，全球氣溫就將升高 5.3 攝氏度——比舊模型的預測數值高出了近三分之一。

去年，在對 39 種全球氣候模型進行單獨評估時，科學家們發現，其中 13 種新模型對大氣中二氧化碳含量上升所導致的全球氣溫增幅預測都明顯高於原先計算機模型的預測數值——科學家們稱它們為“wolf pack”。根據氣溫變化的歷史證據判斷，這些預測結果都不可信。

在 2021 年 1 月釋出的一份研究報告中，NCAR 的科學家們指出，如果在模擬雲層時引入極詳細的方程式，就可能伴隨著產生一些錯誤，導致新模型不如粗略模擬雲層的舊模型精確。

鑑於這些不確定性的存在，聯合國氣候變化委員會在去年 8 月提交給決策者的最新報告中，將氣候敏感性的估計範圍縮減到了 2.5 至 4 攝氏度。委員會中的科學家表示，全球變暖的幅度或許還能控制在 2015 年巴黎氣候協議所設定的目標範圍之內。

參與開發 CESM2 模型的 Gettelman 博士及其同事在首次升級中採用了模擬極地冰蓋，以及碳和氮在地球環境中迴圈方式的最佳化策略。為了儘可能真實地模擬海洋環境，他們加入了由風驅動的波浪。他們還微調了演算法中的物理特性，提高了經典的 Fortran 程式碼的效率。

位於 Cheyenne 的超級計算機連線到

一個由 22 個圖形處理器組成的專業叢集，

一旦在計算過程中出現故障，

可能會消耗幾個世紀的模擬計算機時間

Danabasoglu 博士表示，雲層太過複雜，很難確認具體影響因素。他說：“有了這麼多行程式碼和這麼多物理，我們才有可能觸控到真實。從情感層面來看，我們實在是為構建出儘可能完善的模型投入了太多。”

即便是最簡單的診斷測試也絕非易事。模型將地球劃分成了一張由 64800 個立方體組成的虛擬網格，每邊長 100 公里，共堆疊 72 層。每進行一次預測，計算機每 30 分鐘就必須計算出 460 萬個資料點。測試升級或修正時，研究人員通常都會讓模型持續執行 300 年（計算機模擬時間）。

在最初的分析中，科學家們發現了 CESM2 模擬水汽與使水蒸氣凝結成雲滴的菸灰、灰塵或浪花顆粒相互作用方式上的一個缺陷。據稱，為了找到並糾正那個有問題的資料點，一個由 10 名氣候專家組成的團隊花了近 5 個月的時間。

透過現場實驗，他們隨後發現，和模型所假設的不同，南極洲海岸附近明亮的低空雲層既不是冰晶也不是雲滴，而是一種能對雲層散發地表溫度的方式產生影響的過冷液體。

自 2018 年釋出開源軟體以來，NCAR 的科學家已經對 CESM2 模型進行了五次更新，在開發方面也多有最佳化。NCAR 氣候與全球動力學實驗室主任 Jean-Francois Lamarque 曾是該專案的首席科學家，他表示：“我們還在鑽研。這一過程將持續很多年。”

此外，聖地亞哥斯克裡普斯海洋學研究所（Scripps Institution of Oceanography）的科學家分析衛星資料後發現，正如早先氣候模型所預測的那樣，隨著全球氣溫的上升，雲層正在發生變化，這可能會進一步加速全球變暖。自 1980 年代以來，地球兩極的雲越來越厚，中緯度地區的雲越來越少。雷雨雲也在逐漸升高。

加州大熊湖天文觀測臺（Big Bear Solar Observatory）和紐約大學的研究人員在 9 月發表的一項新研究中表明，隨著近年來海洋溫度的上升，在廣闊海域上方形成的明亮、反射能力較弱的雲正在逐漸減少。研究人員認為，這代表更多的太陽熱量都被封鎖在了大氣中，從而導致氣溫上升得越來越快。

NCAR 的官員表示，博爾德的科學家們想要更深入地研究雲、冰蓋和氣溶膠的行動，但已使用 5 年的 Cheyenne 超級計算機似乎有些乏力。據稱，氣候模型能夠以更詳細的尺度單獨捕捉雲系統、風暴、區域性野火和洋流的微妙影響，而這需要上千倍的計算能力才能完成。

參與研究 CESM2 模型的 NCAR 科學家 Andrew Wood 說：“構建已知所有複雜因素，和能夠多次持續執行數百年的模型之間存在這一種平衡關係。模型越複雜，執行速度就越慢。”

NCAR 的森林生態學家 Jacquelyn Shuman

研究人員目前揹負著相當的壓力，需要對未來的氣候變化作出可靠的地方性預測，以便市政管理人員和區域規劃者保護高密度人口地區免遭大洪水、乾旱或野火的侵害。NCAR 的森林生態學家 Jacquelyn Shuman 正在研究模擬氣候變化對區域性野火影響的方法。她表示，這意味著下一代氣候模型需要將全球範圍內不斷上升的氣溫與當地森林、流域、草地及農業地帶不斷變化的環境條件聯絡起來。

她說：“無論大小，計算機模型都可以讓你‘真實地’進行一些在現實世界中無法完成的實驗。你可以提高氣溫、減少降水，也可以徹底改變某一地區的火災或閃電頻率，從而切實地觀測各種因素協同作用的方式。下一步就是分析。這可太有價值了。”

NCAR 科學家 Gerald Meehl

NCAR 的科學家們即將擁有一臺名為 Derecho，造價達 4000 萬美元的惠普超級計算機，它能以現有計算機三倍的速度進行氣候變化計算。其官員稱，今年正式投入使用後，它將有望躋身世界上最快的 25 臺超級計算機之列。

Derecho 超級計算機建設現場

美國能源部則正在研發一種用於氣候研究及其它應用的超級計算機。據稱，其速度比現今最強大的計算機還要快 10 倍，每秒可以進行數十億次計算。其它小組則在嘗試利用人工智慧和機器學習來更好地捕捉雲的微物理現象。

Gettelman 博士說：“儘管氣候模型還遠稱不上完美，但我認為，它就是我們探知未來的最佳工具。我不擔心新模型可能出錯。我害怕的是，它們可能預測得對。”