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解讀聯合國最新氣候變遷報告(4)海平面上升預測的方法論:模型選擇

聯合國氣候變遷小組(IPCC)匯集了全球頂尖科學家的努力,9月30日發佈最新氣候變遷評估報告(AR5 WGI),預測2100年以前海平面將會大幅上升最高達82公分。就在AR5發佈不久之前,科普作家Nicola Jones在《自然》期刊撰文,介紹了海平面上升預測的方法與歷史演進,讓大眾更瞭解IPCC報告的科學基礎。

Nicola Jones指出,IPCC在2007年發佈他們當時的最佳預測結果(AR4)時,預言海洋在暖化下會以多快的速率擴大,曾掀起一陣風暴。

IPCC當時預測在21世紀最後一個十年上升18~59公分;然而,根據格陵蘭融冰的速率與其他變化,此預測的上限在其他科學家眼中看來,似乎嚴重低估。AR4作者之一、在美國國家大氣研究中心(US National Center for Atmospheric Research,位於波爾德市)負責氣候模擬的Jerry Meehl表示,「我們因過度保守而受到抨擊。」

IPCC曾預測過遠高於此的上升速度,但在2007年的評估中,他們也承認還無法處理全部的問題:預測結果並沒有包含格陵蘭或南極快速變動的覆冰,因為當初認定,無法用當時既有的知識與模型來預測這些覆冰快速變動的現象──不過,很快地在2009年已明顯可知,海平面上升速度已經超過2007年的預測了。

然而,就上升速度而言,全球各地的上升模式有所不同、最高水位等問題還是有極大的不確定性。以下內容將探討幾個海平面上升的重要議題:

海平面上升的速度會有多快? 「程序式模型」有缺陷

德國波茨坦氣候影響研究所物理海洋學家Stefan Rahmstorf對一般用來預測海平面上升的方法極不滿意,這些方法稱為「程序式模型」(process models),也就是試著將每個貢獻因子的物理現象都納入計算。

當研究學者將所有造成海平面上升的個別程序加總起來的時候,結果竟然只涵蓋了於1961年到2003年間已觀察到海平面上升的六成。澳洲科學暨工業研究組織(CSIRO) 海洋學家、AR5報告負責海平面上升的共同主筆John Church表示,「整體觀察到的結果,比個別拆分部分模型加起來的總和結果,還要大」。如圖所示:

兩個最大的效應各佔約全部海平面上升的1/4,第一個效應是暖化的水發生膨脹現象,第二個效應是融化的冰山為海洋帶來新的水,此外還有一小部份的海平面上升是由南極與格陵蘭的冰層造成。以上加總的研究結果跟實際觀察結果一比之下,出現了一個極大的差距。

半經驗式模型預估偏高 信心度低

Rahmstorf決定要採用一種截然不同的模型,他檢視了自1880年以來的海平面上升年均速度,然後跟當時的氣溫配對。他發現了一個簡單的關係,氣溫越暖,海平面就上升越快。他的模擬結果預測到2100年以前,海平面上升最多將達到1.4公尺之多,這數字超過IPCC預估結果的兩倍。只是,這在2007年報告產出時已來不及納入考量。

如上述的「半經驗式」模型(semi-empirical models )有其優點,一如其名,這個方法可以準確地模擬出已經上升的海平面高度,並且並不需要完全了解現象如何發生,以及為何發生。但尤其是在融化的冰層影響力漸漸變大的情況下,沒有人真的知道這些模型所仰賴的氣溫與海平面上升關係有效性會持續多久。 Rahmstorf表示,「這些模型也許可以繼續用50或100年,我們無從得知。」

進行預測時,選擇不同的模擬方法對結果至為關鍵。

「程序式模型」預測出的結果通常是在2100年前海平面將上升1公尺。而「半經驗式模型」的模擬結果則是介於1~2公尺之間,若海平面上升2公尺,將足以淹沒1.87億人口所居住的家園。後者偏高的數值極具爭議性,IPCC對此也不太有信心。在布魯塞爾自由大學負責模擬冰凍圈的Philippe Huybrechts表示,「這些模型唯一的好處就是計算容易,我認為它們是錯的。」

掌握海洋熱能、地下水抽取量 模式差距漸縮小

因為對流入海洋的熱能已有進一步的認識,程序式模型自2007年起又有相當大的進展,包括:進一步掌握到流入海洋的熱能導致水的擴張,以及,由於人類無止盡需索淡水而抽取的地下水、地下水再流入海洋的量。因此,研究模型的人員們現在已經能為所有觀察到的海平面上升現象提出解釋,特別是在最近數十年中觀察到的現象。

但這樣還是無法保證有正確的預測結果。每個人都承認程序式模型仍有很大的問題,說白了,就是科學家對格陵蘭與南極的冰層大小只有粗略的概念,如大量冰層會發生什麼現象,是否這些冰會融化、大量流入海中釀災等。整體而言,格陵蘭與南極的冰層有足夠的水可以讓海平面上升超過65公尺,而全世界的冰川與冰帽就算全部融化,也只會讓海平面升高0.4公尺。

格陵蘭。陳維滄攝。

在德州大學奧斯丁分校研究海平面的Don Chambers表示,儘管有這些問題,IPCC認為研究者對格陵蘭冰所的表現行為已有足夠認識,雖對於南極的冰瞭解較少,但至少,暫時應足已預測冰層會如何反應。

AR5比AR4預測的世紀末海平面上升最高值還多了22公分──儘管兩次報告採用的時間軸與排放情境都不同,很難進行兩者的直接比較。AR5的預估並未高於「半經驗式模型」的預測結果,不過,「程序式模型」的預估值逐漸增大,兩種模型的結果差異越來越小,Rahmstorf表示,「我認為,這就是某種證據。」(系列報導,未完待續)

【參考資料】《自然》(Nature)(2013年9月18日),Climate science: Rising tide

【轉載自2013年10月3日環境資訊中心報導】