地球工程的長期氣候衝擊：模型評估與政策啟示

前言

對於氣候變遷將快速突破 1.5 度界線的憂慮，科學界長期有一批人專注於探討地球工程的可行性。期望藉由大規模的工程方式減少升溫以及緩和極端氣候的成形。但地球工程本身因為尺度的規模非常巨大，實際的成效以及潛在風險也往往是最容易為人所詬病之處。

研究背景

在全球氣候變遷日益嚴峻、極端氣候事件頻繁發生的背景下，傳統的減緩氣候變遷措施可能不足以達成目標，因此大規模的地球工程介入似乎變得越來越不可避免。然而，地球工程面臨一個核心難題：由於我們對地球系統的觀測不夠完整，且對其運作機制和相關回饋的理解仍不夠完善，因此難以準確預測氣候介入的後果。

這份研究評估不同減緩和地球工程介入情境對地球系統動力學和氣候變異性的影響。研究團隊利用了多種數據來源和模型模擬，包括：

• 觀測數據：CRU TS4.08 觀測數據
• 再分析數據：ERA5 再分析數據 (1950-2022)
• CMIP6 模型模擬數據： 來自英國地球系統模型 UKESM0-1-LL 的模擬，包括減緩實驗和地球工程介入實驗

研究的時間跨度涵蓋了1850年至2149年，重點關注了地表溫度、總降水量以及大氣甲烷濃度的變化。

研究目標：

• 回顧性分析： 檢視1950年至2022年間的氣候變遷情況，並與模型模擬結果進行比較。
• 預測性分析： 模擬不同的減緩策略（如二氧化碳移除）和地球工程技術（如太陽輻射管理SRM，包括平流層氣溶膠注入SAI、太陽光減少和卷雲播種）的潛在影響。
• 評估風險與可行性： 分析這些策略可能帶來的風險、副作用和不確定性，以及實施這些策略的可行性。
• 探索改進方法： 探討如何利用現有的觀測系統和新興技術（如人工智慧）來更好地監測、理解和預測地球系統的響應。

研究的動機在於，儘管氣候模型發出了線性大氣暖化和非線性地表變化的警告，但人為溫室氣體排放量在過去十年仍達到創紀錄水平。目前的預測顯示，如果不採取顯著的減緩措施，全球溫室氣體累積濃度很可能在 2035 年超過 1.5°C 的氣候穩定目標。這種加速的趨勢以及 2023 年全球氣溫出乎意料的飆升，進一步加劇了對全球解決方案的需求，使得地球工程的部署似乎越來越難以避免。

研究方法

資料來源

• 觀測資料：研究使用了 CRU TS4.08 (Climatic Research Unit Time-Series version 4.08) 高解析度全球月平均氣候資料，時間範圍從1950年至2022年，用於驗證再分析資料的準確性.
• 再分析資料：主要採用 ECMWF ERA5 月平均氣候再分析資料集，涵蓋了1950年至2022年的地表變數，如2公尺地表溫度和總降水量。這些資料經過後處理，提供全球物理基礎的資料驅動的陸地表面觀測。研究中 ERA5 再分析資料被用作回顧性分析的基礎，並與模型模擬結果進行比較.
• CMIP6 模型模擬 (CMIP6 Model Simulations)：研究利用了英國地球系統模型 UKESM1-0-LL 的模擬結果，該模型參與了第六次耦合模式比較計畫 (CMIP6) 下的幾個專案。這些模擬包括：
• • 碳移除模式比對計畫 (CDRMIP) 的減緩實驗 (Mitigation Experiments)：
  • • 1pctCO2-cdr：在二氧化碳濃度突然增加四倍後，每年減少1%的二氧化碳，直到達到並維持工業化前的水準 (1990–2149)。
    • esm-1pct-brch-1000PgC：在 1pctCO2-cdr 實驗達到 1000 Pg 累積排放量閾值後，繼續零排放的模擬分支 (1950–2149)。
  • 地球工程模式比對計畫 (GeoMIP) 的介入實驗 (Intervention Experiments)：
  • • G1：大氣二氧化碳濃度突然增加四倍，同時減少太陽輻射 (太陽光調暗) (1850–1949)。
    • G6Solar：通過減少太陽輻射，將高輻射強迫情景 (SSP585) 降低至中等輻射強迫情景 (SSP245) (2020–2100)。
    • G6Sulfur：通過平流層硫酸鹽氣溶膠注入 (SAI)，將高輻射強迫情景 (SSP585) 降低至中等輻射強迫情景 (SSP245) (2020–2100)。
    • G7Cirrus：通過增加卷雲冰晶的形成速率，將高排放基準情景 (SSP585) 的淨輻射強迫減少 1 Wm⁻² (卷雲播種) (2020–2100)。

資料前處理

• ERA5 觀測資料被重新網格化，以匹配 CMIP6 模型模擬資料的解析度，提升資料的相容性和可解釋性。
• CMIP6 模型實驗產生的是日資料，研究將其重新採樣為月平均資料，以便與 ERA5 的月平均觀測資料對齊。
• 所有資料集（ERA5、CDRMIP、GeoMIP）在時間維度上被串聯和重塑為資料框，以便進行後續的分析。
• 研究還對 ERA5 再分析資料的內在偏差進行了處理，利用 CRU TS4.08 觀測資料進行偏差量化、校正和驗證，提高了 ERA5 作為觀測基準的可靠性。

分析方法

• 研究計算了全球加權平均地表溫度 (Tsurf) 和總降水量 (P)，以及大氣甲烷濃度 ([CH4]) 的變化。
• 分析了顯著的區域性 Tsurf 異常和 P 的不規則年際變異性，揭示了不同地區氣候變遷的差異。
• 比較了減緩和介入模擬結果與重新採樣的 ERA5 觀測記錄，以識別模型在重現歷史氣候模式和變異性方面的表現。
• 評估了模型模擬在估計 Tsurf、P 和 [CH4] 時的偏差和不確定性，包括全球性和區域性的差異。
• 利用統計指標（如均方根誤差 RMSE、平均絕對誤差 MAE、Nash-Sutcliffe 效率 NSE 和皮爾森相關係數 r）量化模型與觀測資料之間的差異，並評估模型的不確定性。
• 進行了敏感性分析，例如通過時間子集劃分 (temporal subsetting) 的方式，分離趨勢以進行驗證和敏感性分析，特別是針對降水等具有內在動態變化的變數。
• 研究還探討了不同減緩和介入策略對地球系統的潛在影響，包括短期和長期的氣候響應、區域差異以及可能的副作用和非預期後果。

研究成果

主要發現

• 歷史氣候變遷評估： 從 1950 年至 2022 年，全球加權平均地表溫度 (Tsurf) 和總降水量 (P) 顯著上升。研究揭示了顯著的區域性 Tsurf 異常和不穩定的 P 年際變異性，例如格陵蘭和西伯利亞北部異常升溫，而中非則出現降溫。南阿拉斯加降水增加，而哥倫比亞和東非降水減少。
• 模型表現評估： 總體而言，減緩與介入模擬傾向於高估 Tsurf 和 P 的變異性和幅度，並且在估計大氣甲烷濃度 ([CH4]) 時表現出顯著的區域差異和情境特定的異質性。儘管模型能捕捉到 Tsurf、P 和 [CH4] 的顯著變化，但在複製歷史降水遙相關和升溫的空間模式方面仍然存在挑戰。
• 減緩策略評估： 1pctCO2-cdr 實驗顯示，儘管短期內可能實現降溫和乾燥，但長期來看，全球 Tsurf、P 和 [CH4] 仍呈現上升趨勢，並觀察到顯著的北極放大效應。 esm-1pct-brch-1000PgC 實驗相較於前者展現了更平衡的氣候響應，全球 Tsurf、P 和 [CH4] 的增幅較小，但即使在積極的二氧化碳移除策略下，複雜的氣候回饋仍然不受限制。
• 地球工程介入策略評估： G1 實驗 (太陽光調暗) 顯示，儘管全球輻射平衡得以維持（輕微降溫），但 P 的變異性很大，[CH4] 持續增加，且存在顯著的區域性升溫熱點。 G6Solar 實驗 (太陽輻射減少) 在短期內促進了降溫趨勢，但仍存在 Tsurf 和 [CH4] 的區域熱點。儘管短期內全球平均 Tsurf、P 和 [CH4] 有所下降，但長期來看仍呈現上升趨勢。 G6Sulfur 實驗 (平流層氣溶膠注入) 在短期內顯示出緩解暖化和冷卻地球的潛力，但也導致全球 P 的變異性降低，並可能引發突發性的氣候變化和長期的穩定性問題。 G7Cirrus 實驗 (卷雲播種) 最初導致 Tsurf 和 [CH4] 增加，但觀察到區域性 Tsurf 變異性降低。長期來看，對 P 變異性的影響顯著。
• 模型與觀測的偏差： 研究發現模型模擬在不同區域和不同變數上存在系統性的高估和低估。例如，南阿拉斯加的 P 被高估，而東非的 P 被低估。這些偏差可能源於模型對海洋主導的氣候機制、地形效應、對流過程和季風動力學的不完善模擬。
• 氣候極端事件： 增加二氧化碳似乎加劇了極端天氣和降水的變化，可能導致區域氣候的轉變。

成果貢獻

• 綜合評估減緩與地球工程策略：通過統一的分析框架，系統性地比較了多種減緩和地球工程介入策略對地球系統的潛在影響，包括其短期和長期效果、區域差異以及潛在的風險和不確定性。
• 揭示模型局限性：研究清晰地指出了現有地球系統模型在準確預測氣候變遷和地球工程後果方面的局限性，特別是在重現歷史降水模式、區域性氣候變化和甲烷濃度動態方面。這有助於未來模型開發工作的重點方向。
• 強調區域差異和複雜性： 研究強調了氣候變遷和干預措施的區域性差異，以及地球系統各要素之間複雜的相互作用。
• 為地球工程決策提供科學依據：通過量化不同地球工程技術的潛在影響和風險，為未來關於何時以及如何部署地球工程解決方案的決策提供了重要的科學依據，並強調了在高不確定性下進行決策的必要性。
• 強調謹慎的政策制定：研究結果強調，儘管地球工程可能提供短期的氣候管理手段，但其伴隨著顯著的長期風險和不確定性，因此政策制定者應採取謹慎的態度，並優先考慮減緩和適應措施。

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