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为解决气候模型敏感性不确定性影响预测准确性问题，研究人员开展基于全球变暖水平约束法的地球系统预测研究，结果显示该方法可提升预测可靠性，为气候适应决策提供依据。
在全球气候变暖的大背景下，气候风险日益加剧。气候模型作为预测未来气候的重要工具，却面临着诸多挑战。参与耦合模式比较计划第 6 阶段（CMIP6）的许多气候模型，其气候敏感性和瞬态气候响应比早期模型更高，这使得人们对 CMIP6 模型集合能否可靠地用于预测未来气候以制定适应和恢复计划产生了质疑。同时，设定全球气候政策目标时采用的全球变暖水平方法，虽然能在一定程度上规避模型气候敏感性的不确定性，但实际操作中，从业者在面对具体的气候变化适应责任时，发现该方法难以使用，因为它难以确定变暖的时间，也难以量化温度相关影响情景中的不确定性。工程师等从业者通常更倾向于传统的、以时间为导向的方法，这就需要对固定未来时间范围的排放路径进行尽可能可靠的预测，以满足实际需求。
为了解决这些问题，研究人员开展了一项关于利用全球变暖水平约束法优化地球系统预测的研究。这项研究对于应对气候变化、制定合理的适应策略具有重要意义。
在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先，利用既定的紧急约束方法，基于 1971 - 2020 年观测到的全球平均近地表气温变暖趋势，推导未来相对于 1850 - 1900 年的全球变暖预测。其次，运用简单的分层贝叶斯统计方法，获得受观测变暖约束的后验预测变暖分布。最后，通过分位数映射将原始变暖预测转换为符合约束变暖分布的预测，并确定模型达到约束变暖预测的时间窗口，将该时间窗口内的地球系统模拟视为观测变暖约束的地球系统预测。
研究结果如下：
- 整个地球系统预测的紧急约束策略：该策略分为两步。第一步，通过既定方法推导受观测变暖约束的未来全球变暖预测，其结果能很好地模拟政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估的变暖预测，且使预测变暖量的分布向较低水平移动并变窄，减少了高气候敏感性模型的影响。第二步，用未来时期变暖的后验分布或 IPCC 评估的相应变暖来约束整个地球系统的预测。这样得到的约束地球系统预测在全球范围内与观测约束的全球变暖一致，且地球系统变量之间的关系在单个模型模拟中保持不变，同时不同模型中这些关系的变化受相似程度的全球变暖影响，便于综合研究地球系统的不同维度。
- 联合约束时间导向地球系统预测的优点：该策略允许用户以传统的顺序方式处理影响和适应挑战，即先确定感兴趣的时间范围，再评估在假设排放情景下到该时间的变暖程度，最后确定相应的影响和适应措施。它还能通过一致处理模型，使各个群体对气候变化影响进行一致和可比的评估，有助于增强评估的整合性。此外，该策略不强制排除 “热” 或 “冷” 模型，比模型加权策略更具优势，并且可以灵活地对条件地球系统预测施加额外的观测约束，以提高其可靠性。
- 有效性评估：通过基于模型的评估发现，该约束方法能显著降低 “热” 模型影响。在全球平均和模型网格单元尺度上，约束后的预测偏差和不确定性明显小于未约束的 “热” 模型预测。在不同排放情景和预测时期下，全球平均偏差和误差方差分别降低了 40% 和 43%。不过，在北极地区仍存在一些热偏差，这是由于北极变暖放大与全球气候敏感性关系较弱，难以用单一全球温度约束来估计北极变暖，但对特定区域应用额外观测约束可进一步减少相关偏差和不确定性。
- 约束未来气候极端事件：应用该方法评估未来温度和降水极端事件的时间导向预测，发现在高排放情景（SSP5 - 8.5）下，约束后的预测显示温度和降水极端事件的变化比未约束的预测更为温和。到本世纪末（2071 - 2090 年），典型的最热天温度相对工业化前升高幅度更小，典型的最湿天降水量增加幅度也有所缓和，且约束后投影的方差显著降低，这对气候适应政策制定具有重要意义。
- 约束未来气候极端事件新常态的出现：研究发现，在高排放情景（SSP5 - 8.5）下，到本世纪末，历史上 50 年一遇的极端高温事件将在全球 88% 的地区成为相对常见的 5 年一遇事件，覆盖 94% 的有人居住陆地面积。这些极端高温事件在低纬度海洋和干旱陆地地区出现的时间更早。虽然约束后的极端高温事件出现时间比未约束的预测晚 2 - 8 年，但在一些地区差异不明显。由于内部变率的影响，未检测到极端降水事件（Rx1day）的局部出现，但基于约束预测，在高纬度和热带地区部分区域，历史上 50 年一遇的 Rx1day 事件发生可能性将增加两倍或更多。
- 约束未来气候极端事件的机制：通过对约束后的极端降水变化进行分解，发现其主要是由变暖导致的大气水汽增加引起的，而亚热带地区极端降水的减弱主要是由于极端降水发生时上升气流的减少。这一结果与之前使用 CMIP 模型未约束投影的研究结果一致，突出了整个地球系统约束策略在生成所有地球系统变量内部一致投影方面的优势。
研究结论和讨论部分表明，该研究提出的约束策略具有很强的灵活性，能够综合气候变化对不同变量、变化属性和潜在机制的影响，进行以时间为导向的可处理综合评估，同时保持评估维度之间的物理关系以及与全球变暖对温室气体增加响应的观测证据的一致性。这对于驱动影响模型（如作物、水文或经济模型）非常重要，有助于支持有效的适应、管理和决策。虽然该策略主要减轻了与模型相关的变暖不确定性，不能对所有气候要素、地球系统变量和地区普遍有效约束，但可以根据需要应用额外约束。此外，研究使用 1971 - 2020 年的变暖趋势作为约束未来气候变化的基础，具有坚实的物理基础，增强了对约束地球系统预测的信心。未来随着更有效观测约束的发展，该策略有望进一步提高地球系统模型预测的可靠性和可用性，加速全球适应气候变化的进程。
