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近日，佛罗里达州立大学Ming Cai教授团队和中山大学胡晓明教授联合北京大学、麻省理工学院团队在《国家科学评论》发表研究论文，提出了一种预测全球变暖强度及其空间分布的新方法。该方法独立于复杂气候模型和统计分析，基于气候态可快速准确地预测由温室气体引起的全球增暖。

该团队借鉴了电路系统中的反馈回路概念，基于能量平衡原理，建立了全新的气候反馈理论框架，直观地刻画了气候反馈过程对外界能量变化的放大能力。与气候模式相比，该框架无需进行时间积分到平衡状态，就可计算全球对外界能量扰动的平衡态响应。该研究首次在不依赖耦合气候模式模拟和统计分析的情况下，从理论上证明了观测到的全球变(biàn)暖(nuǎn)是(shì)由(yóu)人(rén)类(lèi)活(huó)动(dòng)排(pái)放(fàng)的(de)温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)引(yǐn)起(qǐ)的(de)。

美(měi)国(guó)(guó)Scripps海(hǎi)(hǎi)洋(yáng)(yáng)研(yán)(yán)究(jiū)(jiū)所(suǒ)(suǒ)的(de)(de)Prof. Guang J. Zhang受(shòu)(shòu)邀(yāo)(yāo)撰(zhuàn)(zhuàn)写(xiě)(xiě)亮(liàng)(liàng)点(diǎn)(diǎn)评(píng)(píng)述(shù)(shù)，高(gāo)(gāo)度(dù)(dù)评(píng)(píng)价(jià)(jià)这(zhè)(zhè)项(xiàng)(xiàng)研(yán)(yán)究(jiū)(jiū)成(chéng)(chéng)果(guǒ)(guǒ)。

理(lǐ)(lǐ)论(lùn)(lùn)框(kuāng)(kuāng)架(jià)(jià)

随(suí)(suí)着(zhe)(zhe)温(wēn)(wēn)室(shì)(shì)气(qì)(qì)体(tǐ)(tǐ)浓(nóng)(nóng)度(dù)(dù)增(zēng)(zēng)加(jiā)，全球(qiú)呈(chéng)显(xiǎn)著(zhe)增(zēng)暖(nuǎn)趋(qū)势(shì)，变(biàn)暖(nuǎn)的(de)强(qiáng)度(dù)(dù)由(yóu)(yóu)外(wài)(wài)强(qiáng)(qiáng)迫(pò)(pò)和(hé)气(qì)候(hou)反(fǎn)馈(kuì)共(gòng)同(tóng)决(jué)定。传统上，变暖的贡献表征为多个气候反馈过程的线性叠加。不同于传统的方法，该团队提出了一个全新的气候反馈理论框架（图1a），将温室气体强迫下的变暖表征为外强迫、非温度反馈系数和温度反馈系数的乘积。其物理意义是外强迫在气候系统中造成能量扰动，并通过非温度反馈和温度反馈过程的放大作用，最终导致全球变暖。其中，温度反馈的强度用“能量增益核”（Energy Gain Kernel, EGK）来表示（详见Cai et al.，2024, JAS)，反映了其对能量扰动的放大作用。

图1. 地球系统的气候反馈回路示意图。（a）气候系统通过温度和非温度反馈放大外界能量，气候变暖可通过放大后的外界能量输入与增温导致的能量输出平衡来求得。（b）气候平均态对地表吸收太阳辐射的放大能力。（c）气候系统对外强迫导致的地表能量扰(rǎo)动(dòng)的(de)放(fàng)大(dà)能(néng)力(lì)。

由温室气体增加引起的外界能量扰动（图1a中的红色箭头“energy input”）和温度反馈对应的“能量增益核”（图1a右下角的“Gij”方框）”均可基于气候态信息直接计算得出。该研究进一步发现，非温度反馈核对地表能量扰动的放大系数（图1a左下角的“（1+λi）”的方框）可以通过气候(hou)平(píng)均(jūn)态(tài)对(duì)地(de)表(biǎo)吸(xī)收(shōu)太(tài)阳(yáng)辐(fú)射(shè)的(de)放(fàng)大(dà)能(néng)力(lì)来(lái)推(tuī)算(suàn)，其(qí)全球(qiú)平(píng)均(jūn)值(zhí)为(wèi)图(tú)1c中(zhōng)的(de)橙(chéng)(chéng)色(sè)(sè)数(shù)(shù)值(zhí)（324/168）。最(zuì)终(zhōng)作用于地表的能量扰动为温室气体增多引起的外界能量扰动、“能量增益核”与非温度反馈系数三者的乘积。该能量与地表增温引起的长波辐射输出相平衡，由此可求出地表增温。

预测效果

在该新的框架下，该团队对过去40年的全球增暖（图2）进行了回报。结果表明，2000-2020年代相对于1980-2000年代的全球平均增暖为0.414 K（图2e），而新框架预测的增暖为0.403 K（图2d）。对比新框架对历史增暖的回报效果与CMIP6各模式对历史气候变化的模拟效果表明，CMIP6各模式的历史气候模拟均高估了观测到的全球增暖幅度（图3a）。与观测相比，新框架对历史增暖空间分布的回报误差略小于CMIP6历史实验的结果。

该回报仅考虑了CO₂浓度变化的影响，而未包含气候系统自然变率、火山(shān)灰和大气气溶胶等其他因素。预测的变暖幅度与观测值几乎完全一致。这表明，近四十年观测到的全球变暖确实是由人类活动排放的温室气体所导致的。

图2. 新方法回报的过去40年全球地表气温变化。

（a）非温度反馈系数的空间分布，（b）CO₂增加引起的外界能(néng)量(liàng)扰(rǎo)动(dòng)，（c）经(jīng)过(guò)温(wēn)度(dù)反(fǎn)馈(kuì)放(fàng)大以后的外界能量扰动，（d）新方法预测的2000-2020相对于1980-2000全球地表温度变化分布，（e）观测的2000-2020相对于1980-2000全球地表温度变化分布，（f）预测的地表温度变化和观测资料的差值。

为验证新框架预测能力的广泛适用性，该研究进一步对CO₂突增4倍和CO₂逐年递增1%两种外强迫下的全球变暖进行了预测。通过各模式工业革命前的气候态得到的外强迫引起的地表能量扰动、“能量增益核”和非温度反馈系数，新框架预测的全球平均增暖值与多模式集合平均值高度一致（图3b），而且，气候模式的气候态差异所导致的变暖预估不确定性，比气候模式本身预估的增暖不确定性要小，说明了新方法的可靠性和普适性。

图3. 新框架与18个CMIP6模式对全球地表温度变化的预估对比。（a）CMIP6模式历史模拟预测的2000-2014年相对于1980-1994年的全球平均温度变化的图，其中红色和玫红色虚线分别表示2000-2020年相对于1980-2000年，以及2000-2014年相对于1980-1994年的全球平均温度变化。（b）新框架基于CMIP6模式工业革命前的气候态对突增4倍CO₂和1%逐年递增CO₂强迫下全球增暖的预测箱线图，以(yǐ)及(jí)CMIP6模(mó)式(shì)模(mó)拟(nǐ)的(de)CO₂突(tū)增(zēng)4倍(bèi)强迫下和CO₂逐年递增1%强迫下第(dì)70年(nián)和(hé)140年(nián)的(de)全球平均温度变化的箱线图。

该研究合作者包括佛罗里达州立大学Jie Sun研究员、Guosheng Liu和Zhaohua Wu教(jiào)授(shòu)，北(běi)京(jīng)大(dà)学胡永云和丁峰教授，麻省理工学院Wanying Kang教授，研究获得国家自然科学基金项目（42222502，42075028和42488201）的资助。

了解详情，请阅读原文

Ming Cai, Xiaoming Hu, Jie Sun, Yongyun Hu, Guosheng Liu, Zhaohua Wu, Feng Ding, Wanying Kang. Principles-based adept predictions of global warming from climate mean states. National Science Review, doi: 10.1093/nsr/nwae442