本文是接續環境研究的筆記--第三章：科學家如何建構複雜的氣侯模型。
氣候模型就是用數學模型來表達重要的地球系統成分（比如海洋、大氣層、生物圈、兩極冰凍圈、地球水圈）。我們用氣候模型來模擬地球系統的能量平衡，以及它如何受自然因素與人為因素變化的影響。
比如，你怎樣向不懂的人說明和分析海洋對氣候改變的影響呢？1990年代第一位建構氣候模型的海洋研究科學家就是希望能對白宮參謀長說明情況。當時電腦的計算能力還很差，不過美國大氣層研究中心設法，把他們的三維空間的全球氣候模型簡化為一維的海洋大氣說明，只花幾分鐘就可以完成模擬，用圖形顯示出來。
現在的電腦計算能力大大增強了，而複雜的氣候模型不用最先進的超級計算設施是不可能的。比如2004年英聯邦的一台超級電腦NEC SX-6每秒鐘可以計算1.9兆次，可把全球氣候分成40x40平方公里的格子來代表，測算每格中海、陸、空的太陽輻射，降雨、降雪的水、氣環流量。到2014年，他們的超級電腦Gray XC40速度達到1.6萬兆次，可把全球氣候格子縮小到1.5x1.5平方公里，將夏季英聯邦上空的對流風暴展示出來。
氣候方格的密度每增加一倍，需要的電腦計算力大約增加10倍。除了提高圖形解析度，電腦的計算能力還可以用來輸入稍微不同的海洋大氣初始值或其它不定參數進行模擬，以便更嚴格地分析模型的不確定性。
科學家還可以利用更多的電腦計算力來模擬多個世紀的氣侯變化，來估算氣候變化的可逆轉性。實際上，各氣候模型中心都要根據現有的電腦資源來確定研究目標和做試驗，在空間模型密度、物理過程複雜性、和歷史數據之間做出取捨。
你希望模擬和分析複雜的物理過程，常常就無法兼顧高度的時空數據保真。例如英聯邦2011年HadGEM2-CC模型的平面格子是250公里方圓，而垂直高度84公里分為60層。這一模型根據質量、能量、溼度的動量守恆微分方程，必須為全球166萬個網格單元在每個時間段（大約10-20分鐘）內模擬出至2100年的變化情景。它的整個氣候模型是大氣層、海洋、陸地、冰川、碳循環、動態植被因素組合起來的，沒有一位科學家能夠獨立駕馭整個模型，因為每個專科發展和累積數據，都是幾百名、甚至上千名科研人員的工作成果。
最早的氣候模型是1960年代末期建立起來的。有兩位研究人員模擬大氣中二氧化碳加倍，用一般的碳循環模式（GCM）來分析北半球在500公里方圓分辨率的9層垂直高度。他們必須把海洋當作有無窮溼度的大沼澤地，並且海水流動不傳遞熱，又假定二氧化碳在大氣層的濃度到處一樣，根據水量平衡公理估算出土壤溼度和雪川面積等等。
按1970年代的電腦超級計算能力，上述氣候模型的模擬花800天時間只能運行兩次，一次模擬出當代的二氧化碳濃度，另一次模擬出雙倍碳濃度--每次運行的最後100天需要估算大氣層的準平衡狀態。結果發現碳濃度加倍會導致全球升溫2.93攝氏度，與聯合國IPCC第五次報告的估算結果吻合得很好。
為甚麼氣侯模型不斷更新換代，越來越複雜，卻和最初的地球平均溫度模型估算的結果大致相同？這和科學家過去40年投入的研究有關。絕大多數時候，增加的超級計算能力都投注在更完整的模型建造上，而不是用在增加原來系統的圖像分辨率。
比如近年來加入系統的碳循環反饋信息，以及大氣層的化學成分，證明現有的氣候模型已經包括了最重要的物理過程。而且有些內在的系統變數，其不確定性是無法降低的。
隨著氣候模型的規模和費用增加，將模型的模擬結果向社會展示描述出來的壓力也增加，為的是作出必要決策。但這是不簡單的任務，發表的雜誌文章需要強調社會了解這些氣候模型的重要性。
除了溫室氣體使地球平均溫度升高，氣候模型還評估到氣溫變化為局部環境系統帶來的衝擊。各國合作的研究與計算設施現在要把工作重點放在遞交「與政策有關的氣侯預測」上，比如改進天氣預報每年能夠救多少性命、經濟上能省多少抗災費用等等。
當然，這些氣候模擬受某些環境變數的影響，結果的波動性很大。比如有項研究將一個氣候模型運行40次，每次設定稍微不同的大氣層狀態，但從2010年到2060年增加同樣的溫室氣體濃度。結果發現所預測北美冬季氣溫的改變趨勢相當不確定：雖然大多數結果是有所升溫，有幾次算出加拿大會升溫5攝氏度以上，另外幾次則預計美國某些地區會有所降溫。這種模擬的初始狀態值所引起的不確定結果似乎對其它的氣候模型--比如季節性的降雨量--也一樣。
那麼建構第21世紀的氣侯模型到底包括哪些因素？需要各種專門的科學研究團隊：化學、氣候學、計算機科學、地理學、水文學、數學、海洋學、物理學、和統計學。有些重要的物理氣候影響因素是最近幾十年來才加入的，比如碳循環的研究，又比如動態冰覆蓋層的研究。
近年來投入氣候模型研究的超級計算硬件設備大概有1億英鎊，每年消耗250萬瓦的電力（相當於5000英聯邦家庭的耗電）。採用所觀測到的最新最好的海洋和大氣數據作初始條件，利用50萬處理器，每秒鍾模擬21世紀末的氣候變化次數達16倍10的15次方（16x1015），花了共6個月的時間，存貯了170億千兆字節氣候圖像的快照。
這些模擬結果要對照實地測量的大氣、陸地、海洋狀態數據，加以評估，然後提供給其它氣候模型研究團隊，同時送給制定政策的人作參考。…五年之後，他們會提出下一個氣候模型，對超級計算設備進行更新換代…
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