Frontiers in Climate | Climate science for 2050

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Climate science for 2050

Guy Brasseur1,2*   Detlef Stammer3  Pierre Friedlingstein4,5   Gabriele Hegerl6   Tiffany Shaw7   Kevin Trenberth2,8   Jadwiga Richter2   Carolina Vera9   André Berger10  Helen Cleugh11   Steve Easterbrook12   Paul Edwards13   Daniela Jacob14  Michael Mann15  Valérie Masson-Delmotte16   Gavin Schmidt17   Mary Scholes18  Thomas Stocker19   Martin Visbeck20   Guoxiong Wu21

1 Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg, Germany
2 NSF National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO, United States
3 Center für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit, University of Hamburg, Hamburg, Germany
4 Faculty of Environment, Science and Economy, University of Exeter, Exeter, United Kingdom
5 Laboratoire de Météorologie Dynamique, Institut Pierre-Simon Laplace, CNRS, Ecole Normale Supérieure, Université PSL, Sorbonne Université, Ecole Polytechnique, Paris, France
6 School of GeoSciences, University of Edinburgh, Scotland, United Kingdom
7 Department of the Geophysical Sciences, The University of Chicago, Chicago, IL, United States
8 Department of Physics, University of Auckland, Auckland, New Zealand
9 Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera (CIMA)/Universidad de Buenos Aires-CONICET, Buenos Aires, Argentina
10 Georges Lemaître Center for Earth and Climate Research, Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium
11 Institute for Climate, Energy and Disaster Solutions, The Australian National University, Canberra, ACT, Australia
12 Department of Computer Science and School of the Environment, University of Toronto, Toronto, ON, Canada
13 Program in Science, Technology, and Society, Center for International Security and Cooperation, Stanford University, Stanford, CA, United States
14 GERICS Climate Service Center Germany, Helmholtz-Zentrum Hereon, Hamburg, Germany
15 Department of Earth and Environmental Science, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, United States
16 Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (UMR CEA-CNRS-UVSQ 8212), Université Paris Saclay et Institut Pierre Simon Laplace, Paris, France
17 NASA Goddard Institute for Space Studies, New York, NY, United States
18 School of Animal, Plant and Environmental Sciences, University of Witwatersrand, Johannesburg, South Africa
19 Climate and Environmental Physics, Physics Institute, Oeschger Centre for Climate Change Research, University of Bern, Bern, Switzerland
20 GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel and Kiel University, Kiel, Germany
21 Laboratory of Atmospheric Science and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Knowledge of the functioning of the climate system, including the physical, dynamical and biogeochemical feedback processes expected to occur in response to anthropogenic climate forcing, has increased substantially over recent decades. Today, climate science is at a crossroads, with new and urgent demands arising from the needs of society to deal with future climate change, and the need for the climate science community to refine its strategic goals to meet these demands rapidly. All possible—but currently unknown—worlds in 2050, with a larger global population, unprecedented climate conditions with higher temperatures, more frequent extreme weather events, sea level rise, disrupted ecosystems, changes in habitability and increased climate-induced displacement and migration, and the emergence of new geopolitical tensions, will require limiting society’s vulnerability both through mitigation measures to minimize further warming and through the implementation of innovative adaptation initiatives. The development of a skillful climate information system, based on the most advanced Earth system science, will be required to inform decision-makers and the public around the world about the local and remote impacts of climate change, and guide them in optimizing their adaptation and mitigation agendas. This information will also help manage renewable resources in a warmer world and strengthen resilience to the expected interconnected impacts of climate change. In this paper, we summarize the major advances needed to understand the multiscale dynamics of the Earth system. We highlight the need to develop an integrated information system accessible to decision-makers and citizens in all parts of the world, and present some of the key scientific questions that need to be addressed to inform decisions on mitigation and adaptation. Finally, we speculate about the values and ethics of climate science and the nature of climate research in a world that will be increasingly affected by global warming in a geopolitical context very different from that of recent decades.
全文：https://doi.org/10.3389/fclim.2025.1554685

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2050 年的气候科学：挑战与前沿

Figure 1. Schematic diagram showing the relations between fundamental climate research, the use of new technologies to develop climate products in support of societal requirements to respond to the challenge posed by present and future climate change.

研究背景

过去一个多世纪，气候科学不断发展，最初是为了观测和理解大气、陆地表面、海洋和冰冻圈，解释从年际到冰期循环等不同时尺度上的自然变率。1896 年，阿伦尼乌斯发现向大气中释放二氧化碳会导致地球表面温度上升，为现代气候科学奠定了基础。此后，通过精确测量大气中二氧化碳浓度等工作，进一步明确了二氧化碳浓度上升与全球变暖之间的关系，这一成果也得到了 2021 年诺贝尔物理学奖的肯定。

随着气候变暖加剧，人们越发认识到气候科学对于应对气候变化、减少社会脆弱性的重要性。当前全球正面临着一系列严峻的气候挑战，如海平面上升、极端天气事件频发、生态系统受损等，预计到 2050 年，全球人口将进一步增加，气候条件将更加恶劣，这些都迫切要求气候科学能够提供更精准的信息和更有效的解决方案，以指导社会的适应和减缓行动。

Figure 2. Representation of the flow linking fundamental research to the provision of information for climate services including observation and model prediction tools and “artificial intelligence factories” to local and societal relevant information. Adapted from Bjorn Stevens, Max Planck Institute for Meteorology.

研究意义

本研究旨在为 2050 年的气候科学研究提供一个全面的框架和方向，其意义重大。一方面，它能够帮助科学界更好地整合资源，集中攻克气候科学领域的一系列关键难题，推动气候科学理论和技术的进一步发展，从而更深入地理解气候系统的运行机制、反馈过程以及气候变化的影响和风险。另一方面，通过为决策者和公众提供基于先进地球系统科学的精准气候信息服务，可以有效地指导政策制定和社会行动，优化适应和减缓气候变化的议程，提高社会对气候变化的应对能力和韧性，减少气候变化对人类社会和生态系统造成的潜在危害，为实现全球可持续发展目标提供有力支撑。

Figure 3. Representation of the Earth system, including the physical and biogeochemical processes affecting planet Earth, as well as the internal dynamics of the human system (anthroposphere) described by a system of production and consumption. This system is “forced” by energy systems and is modulated by human societies, which are in turn influenced by their cultures, values, institutions and level of education. Interactions within the Earth system are two-way, with anthropogenic emissions of greenhouse gases and other pollutants, and resource extraction leading to impacts that reverberate through the geosphere-biosphere system. Feedbacks to the anthroposphere are also important, including the direct impacts of climate change and biosphere degradation, as well as psychosocial feedbacks from the rest of the Earth system and within the anthroposphere. Source: Steffen et al. (2020); https://www.nature.com/articles/s43017-019-0005-6 . Reproduced with permission.

研究方法与数据

文章主要基于以下几个方面的研究方法和数据来源：

• 气候观测 ：依赖于全球气候观测系统（GCOS）、全球海洋观测系统（GOOS）、自主测量网络（Argo）等从地面、船舶和卫星等平台获取的丰富气候观测数据，这些数据涵盖了大气、海洋、陆地和冰冻圈等多个领域，为量化气候变化信号提供了基础，如全球平均变暖、北极放大效应、北极海冰减少和海平面上升等。
• 理论和模型 ：利用层次化的物理复杂性气候模型，从早期的简单模型到如今的先进气候模型，模拟气候系统对不同强迫的响应，例如温室气体浓度升高所带来的影响，并通过与历史观测和重建气候的模拟对比来评估气候模型的性能和可靠性。同时，结合地球系统模型（ESMs）对碳循环等过程进行研究，以探究碳循环过程对气候变化条件的响应。
• 气候服务 ：强调将气候知识应用于实践，通过气候服务来支持社会的适应和减缓策略，这需要将气候观测和模型数据转化为对决策者和公众有用的信息，如气候预测、区域脆弱性评估、经济影响分析等。
  

研究结果

文章总结了当前气候研究的一些主要成果和进展：

• 气候系统基本过程理解加深 ：在世界气候研究计划（WCRP）的协调和推动下，气候研究界在过去几十年中取得了巨大进步，对地球系统多尺度动力学的基本过程，特别是大气、海洋、水文、陆地生物圈和冰冻圈之间的物理和生物地球化学相互作用有了更深入的理解。例如，通过开展热带海洋 / 全球大气项目（TOGA）和世界大洋环流实验（WOCE）等国际气候研究项目，揭示了自然变率和海洋在其中的作用。
• 气候变暖证据确凿 ：通过多种观测手段和气候模型的结合，进一步确认了人类活动导致的气候变化信号，包括全球平均温度上升、极地放大效应、海平面上升等，这些证据为国际气候政策的制定提供了科学依据。
• 气候模型性能提升 ：气候模型的不断发展和改进使其能够更好地模拟气候系统的变化和反馈机制，为预测未来气候变化提供了更可靠的工具。例如，WCRP 的气候模型比较计划（CMIP）对气候模型的性能评估和人为强迫气候变化的预测在计算科学中是一项重要的方法创新。
  

结论与不足

文章得出了以下结论：

• 气候科学已取得显著进展，但面对 2050 年的挑战，仍需进一步深化对气候系统多尺度动力学的理解，发展基于先进地球系统科学的精准气候信息系统，以满足社会对气候变化信息的需求。
• 气候变化的影响已在全球范围内显现，且未来将进一步加剧，因此必须采取有效的适应和减缓措施来降低社会的脆弱性，实现可持续发展。
  

然而，研究也存在一些不足之处：

• 尽管气候模型在不断进步，但仍存在一定的局限性，例如对云反馈、气溶胶相互作用等过程的模拟还不够准确，对于区域气候预测的不确定性仍然较大，需要进一步改进模型的物理过程和参数化方案。
• 在将气候科学知识转化为实际决策支持方面，还存在一些障碍，需要加强气候服务的开发和应用，提高气候信息的可及性和可用性，促进科学界与决策者、公众之间的沟通和互动。
  

讨论

文章围绕多个关键议题展开了深入讨论：

• 气候动力学与可预测性 ：强调了理解海洋、大气、冰冻圈和陆地表面之间复杂且通常是非线性、多尺度相互作用的重要性，这对于预测区域气候变化、极端事件频率和强度的变化至关重要。同时，指出了当前在模拟一些关键气候现象（如罗斯贝波行为）方面存在的不足，并探讨了如何提高气候预测的分辨率和准确性。
• 气候强迫与反馈机制 ：分析了温室气体浓度、气溶胶排放等气候强迫因素对地球能量变化的影响，以及云反馈、冰 - 反照率反馈等反馈机制在气候系统中的作用，强调了全面理解和量化这些反馈机制对于准确预测气候变化的必要性。
• 碳循环与生物地球化学 ：讨论了陆地、海洋和永久冻土碳汇的变化以及它们对气候变化的响应和反馈，指出了当前对碳循环过程（如野火排放、土壤微生物过程）的理解仍存在不足，需要进一步改进地球系统模型中的碳循环模拟。
• 极端事件与复合风险 ：探讨了热浪、干旱、洪水、飓风等极端天气气候事件在气候变化下的频率和强度变化趋势，以及这些极端事件之间可能存在的复合风险，强调了提高对极端事件的预测能力和风险管理的重要性。
• 临界点与不可逆变化 ：分析了地球系统中可能存在的临界点（如冰盖崩塌、洋流转变、永久冻土融化等）及其潜在的不可逆变化，探讨了这些临界点的触发条件、相互作用以及可能对全球气候和生态系统造成的严重影响，提出了发展早期预警系统的需求。
  

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（接上篇）

未来工作方向

文章对未来几十年的气候研究工作提出了以下主要方向：

• 进一步深化对地球系统多尺度动力学的理解，包括提高对非线性和多尺度相互作用的认识、增强对内部变率和人类活动强迫的长期气候响应的理解、推进高分辨率耦合地球系统模型的发展等。
• 加强气候动力学与可预测性研究，更好地描述海洋 - 大气 - 冰冻圈相互作用及其在气候变异性中的作用，提高对季风系统、极端风暴等的模拟和预测能力，解决区域气候预测中的不确定性问题。
• 深入研究气候强迫与反馈机制，量化云反馈、气溶胶相互作用等过程，评估土地覆盖变化、城市化等对气候的影响，分析短寿命气候强迫因子和温室气体在塑造未来变暖情景中的作用。
• 提升碳循环与生物地球化学研究水平，改进陆地、海洋和永久冻土碳汇的模拟，评估生态系统在气候胁迫下的弹性，开发能够捕捉野火排放、土壤微生物过程等的模型。
• 强化极端事件与复合风险研究，提高对热浪、干旱、洪水等极端事件的预测能力，研究多灾害复合风险的级联影响，改进高分辨率模型以捕捉局地天气极端事件和风险预测。
• 加大对临界点与不可逆变化的研究力度，识别冰盖崩塌、洋流转变等临界点的阈值，评估临界要素之间的相互作用和级联效应，开发基于物理的早期预警系统。
  

此外，文章还强调了发展气候技术、产品和信息服务的重要性，包括建设更完善的气候观测系统、提高气候和地球系统模型的分辨率和精度、开发地球系统的数字孪生模型、应用人工智能和机器学习技术等，以更好地支持气候适应和减缓决策。

以上是对文章的详细解读，如有不当之处欢迎批评指出！

摘自：公众号“EarthAi”
          https://mp.weixin.qq.com/s/I6hrhwB0Zf05BtfS9E9JSQ