实现年度更新的强迫变暖估算与约束气候预测新方法

《Nature Communications》：Towards annual updating of forced warming to date and constrained climate projections

本刊推荐一项关于气候预测方法学的重要研究。为解决当前气候变暖估算滞后和预测不确定性问题，Ribes等研究人员开展了"年度更新强迫变暖估算与约束预测"主题研究。通过Kriging for Climate Change (KCC) 统计方法，证明每年整合最新观测数据可提高预测准确性，1年估算器比10年平均更能准确表征当前强迫变暖水平。该研究为实时监测气候系统状态和更新气候预测提供了方法论支持，对政策制定和气候变化评估具有重要意义。

　　

随着人类活动导致的气候变化加速演进，科学界和政策制定者对实时了解气候系统状态的需求日益迫切。当前全球变暖已接近《巴黎协定》设定的1.5°C下限，如何准确评估当前气候状态并预测未来变化趋势成为亟待解决的科学问题。尽管多个机构开展全球气候监测，但观测到的温度变化是强迫响应与内部变率叠加的结果，需要分离出人类活动导致的强迫变暖成分，才能准确评估气候变化的真实状态。

在IPCC第六次评估报告中，采用过去10年或20年的平均变暖来表征气候系统现状，但在快速变暖背景下，这种方法存在明显滞后性。例如，2023年全球表面温度(GST)比2014-2023十年平均值高出约0.1°C，这引发了一个关键问题：哪种估算方法能更准确表征当前的强迫变暖水平？

为解决这一问题，来自法国气象局、英国利兹大学等机构的A.Ribes团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员采用"完美模型"框架，系统评估了不同估算方法的准确性和稳定性，为年度更新气候预测提供了科学依据。

研究采用的关键技术方法包括：Kriging for Climate Change (KCC) 观测约束方法，该方法基于贝叶斯估计框架，结合CMIP6多模型先验分布和观测数据（使用HadCRUT5全球温度数据集及法国气象局区域温度数据），通过三步骤程序（估计模型强迫响应、构建高斯先验分布、推导后验分布）实现过去和未来强迫变暖的无缝估计。

Forced warming to date

研究发现，在表征当前强迫变暖时，1年估算器相比10年平均具有明显优势。完美模型框架下，1年估算器的标准偏差仅为0.044°C，与10年估算器（0.045°C）相当，但偏差显著减小。1年估算器几乎无偏（-0.02°C），而10年平均存在约-0.13°C的偏差。在均方根误差方面，1年估算器明显优于10年估算器，能更准确表征气候系统的当前强迫变暖。

研究还发现，由于内部变率导致的特别寒冷年份通常会引起1年估算器在年份N和N+1之间的稳定化，即估算器的向下修正被平均变暖趋势所抵消。而2022年至2023年间，由于观测到异常高的GST，1年估算器增加了0.05°C，这一增幅接近当前变暖速率（0.25°C/十年）的两倍。

区域尺度分析显示，由于信噪比较低，1年估算器仍比10年估算器更准确，但偶尔会出现估算值向下修正的情况，这支持使用1年估算作为当前区域变暖的最相关估计。

Constrained projections

在约束预测方面，研究证明每年更新观测数据能持续提高未来变暖估计的准确性。随着新观测数据的加入，约束范围逐渐接近每个模型的"真实"响应，尽管对于CMIP6范围内的异常模型，收敛性较差。对于给定日期的约束预测变暖范围，即使在该日期之后继续使用观测数据，不确定性范围仍会缩小。

研究发现，增加单个年份的观测数据对预测的改进相对有限：在21世纪初，增加一年观测数据会使2100年变暖的最佳估计通常偏移±0.07°C，相应置信区间缩小1.5%。这种逐年修订的适度性表明约束估计相对于年际观测变率相对稳定，没有对最后观测值的过拟合。

区域尺度的分析在定性上得出类似结果，约束预测的准确性逐步提高，但由于信噪比较低，收敛速度较慢，即使过了特定日期（如2050年），强迫变暖量的不确定性仍然很大。

讨论与结论

该研究为每年更新当前和未来（观测约束）变暖估计提供了有力支持，证明使用当前年份的强迫变暖估计具有足够的稳健性，可避免任何时间滞后。这对于提供强迫全球变暖的最新情况特别相关。

研究还指出了面临的挑战，包括近期数值模拟中使用的外强迫可能与现实世界存在差异，如Hunga-Tonga火山喷发、航运气溶胶排放减少等短期气候强迫因子的不确定性。此外，方法假设"模型在统计上与真实情况无法区分"，如果所有模型存在一致性偏差，可能产生有偏结果。

在机遇方面，定期整合观测数据类似于数据同化，但不需要重新运行模拟。约束气候预测的更新可轻松扩展到更新气候敏感性估计，并可受益于许多其他变量的预测，如海洋热含量、海平面、北极海冰范围等。

这项研究反映了在一个变暖的世界中，观测正在为气候变化特征提供越来越准确的信息。在此背景下，物理气候系统响应的定期更新可有效补充人类影响本身的指标，推进对未来几年/几十年预期变暖或剩余碳预算的估计。这些更新也将为IPCC第七次评估报告的作者提供极大帮助，通过整合多线证据提供可靠的近实时信息。

该研究方法的最大优势在于能够使用观测约束方法提供过去、现在和未来变暖的一致、无缝估计，同时考虑CMIP建模不确定性，且不需要定期更新气候模拟即可更新估计，确保可追溯性。随着气候变化加剧，这种方法学进展将为理解和管理气候变化影响提供重要科学支持。