气候变化最糟糕的不确定性超出了气候模型的范围，但可以用其他方式来思考——特别是从过往的气候中学习。
地球未来的气候也许会——也许不会——出现像多米诺骨牌的一连串临界点，在尚不确定的多个世纪后，将地球气候系统转变为一座温室。海平面会上升大约70米，新的极端地表风暴很可能是人类从未经历过的。这些最糟糕的情况很可能只是推测。但在气候科学和气候建模的当前状况下，我们无法自信满满地排除这些可能性。因此，在人类历史中从未有过比这更有力的理由来支持应用预防原则。我们需要紧急且大幅地减少温室气体的净排放量，削减幅度得要远远超过通过所谓的碳抵消（譬如通过植树来抵消碳排放，但速度不够快）来削减的量，目前对此没有多少怀疑的空间。
我不是以一位主流气候科学家的身份，而是作为一名流体动力学专家——聚焦大气喷流和墨西哥湾暖流之类问题——来接触这些问题。我的研究团队从未得到气候科学的资助。然而，我在喷流流体动力学领域的工作使得我接近了主流气候科学。
可以说，气候问题是人类目前遇到的所有问题中最为复杂的难题。它不仅涉及人类行为和人类大脑的复杂性，也涉及一个巨大的多尺度拼图，包括很多相互作用的因素，从全球尺度的大气和海洋环流，到气旋和雷暴，再到森林林冠、土壤生态、菌根网络、浮游植物、细菌、古菌、病毒和分子的尺度。毫米尺度的海洋涡流塑造了全球尺度的深海结构和碳存储。深海翻转环流和浮游生物生态也对碳存储至关重要。冰盖以复杂的方式漂流、融化或碎裂，使得准确建模颇为不易。一些科学家无视这个“拼图”的一些因素，认为它们不重要，但我认为，我们无法这样确凿地认定任何一个因素不重要。
几乎所有气候系统的真正复杂性都超出任何一个模型的表达范围，无论它是一个旨在代表气候系统整体的全球气候模型，还是一个仅仅模拟碳循环、冰流或另一个子系统的模型。同样的道理也适用于纯粹基于数据的统计模型或机器学习模型。一个常见的错误概念是，真实气候系统的不确定性能够依据气候模型之间的差异来估判。当然，如果以重视模型局限之处的方式来使用模型时，模型可以很有价值。
我相信，为了得到对于任何问题的最佳科学认识，我们必须不断地从所有可行的视角和多条证据来看待问题。重要的是要保持一定的谦卑，抵制依赖单一视角（譬如基于某类特定模型的）的冲动。
本文放弃模型预测，转而探究用其他方式来考虑气候变化最令人烦恼的不确定性。这些不确定性包括在未来数十年和数百年里，气候和天气可能会怎样变化？而人类文明又会不会幸存下来？
来自过去的信息
对于真实气候系统的运作，古气候学是我们主要的信息来源。它充分考虑到气候系统的复杂性。研究人员对过去数万年的气候情况进行了详细的观察，那时的气候系统相当接近当前的气候状况。
那段时期内，出现了被称为丹斯加德-奥斯切尔变暖的突然气候变化，这种气候事件的发生间隔不一，大致在数千年左右。在北大西洋地区，气温上升至少好几摄氏度，甚至可能超过10摄氏度。在一些例子中，变暖事件只用几年时间，广泛出现在北半球大部分地区的古气候学记录中。从气候系统角度来看，仅用时几年的变化简直是转瞬即逝的。它们是一种警告，告诫要认真看待真实气候系统动态中出现临界点的可能性。这一警告很有必要，因为一些建模者早已主张说，与动态系统科研人员研究的简化、低阶的气候模型相比，真实气候系统中出现临界点的可能性较低。
然而，其他研究者已经提出，气候系统可能在未来几十年内的某个时候达到这样的临界点，甚至可能更早。它的一些机制酷似丹斯加德-奥斯切尔变暖，会突然加快北冰洋海冰的消失速度。据我所知，最大规模和最错综复杂的气候模型的行为中没有出现过这样的临界点。临界点的行为依赖于一些细节，而那些细节在模型中没有得到很好的解决，包括海冰和上层海洋分层的细节。
同样值得关注的是破坏性极端天气出现频率和强度上的增长。这样的增长早已在近些年被观察到。气候科学家提问，这种增长会到多高的幅度，它们会发展成怎样。当然，这个问题与临界点的问题密切相关。我们未能模拟出许多极端天气——尤其是洋面风暴的极值——必须被当作气候模型的另一个局限之处。原因与气候模型的分辨率约束有关。
气候变暖与海冰
我们如何知道丹斯加德-奥斯切尔变暖是几乎瞬息之间的事？答案来自格陵兰岛的冰芯记录，该记录有可数的年积层。正如冰芯专家理查德 · 阿利（Richard Alley）指出的：“这些记录为110 000年里的一些指标提供年度分辨率。”冰芯的指标是一些测量到的变量，譬如冰芯中、被捕获气泡中和不同来源的尘埃中的化学浓度和同位素比率。已知氧同位素和氢同位素与温度变化相关。精确的冰芯记录不仅为北大西洋温度跃变的极快速度和阶梯状性质提供证据，也为那些跃变的后果提供了证据。跃变的后果分布广泛，在北半球各地近乎同步。
在更加精细地审视之后可以发现，变暖事件似乎常常包括几十年内的不止一次急剧跃变，每次跃变只用几年时间，作用机制极度复杂。尤其是，变暖事件与全球尺度下海洋环流、大气环流、海冰盖有关，特别是在斯堪的纳维亚半岛和格陵兰岛之间的北欧海域。然而，一个例外是，我们考虑的机制拥有太长的时间尺度，从而无法产生急剧跃变。这种特殊的机制涉及北欧海冰和冰下上层海洋层的精细结构，这也是迄今为止提出的唯一一种足够快的机制。
这种特殊的机制依赖于海冰下面向北流入的、温暖的、含有盐分的大西洋次表面海水。在寒冷的间歇期，北欧海域的最上层被稳定地分层，形成一个强盐跃层——这道边界将温暖又盐分高的大西洋次表面入流与海冰覆盖下更冷、盐分更低、浮力更大的上层海水分开。来自北欧海域的海洋沉积物岩芯显示出浮游生物和海底生物物种、同位素丰度，该证据支持上述分层和海冰的存在。但如果次表面入流够温暖的话，海水可能变得有足够的浮力，突破盐跃层，到达洋面，并在那儿迅速融化海冰。当这种海冰突然消融的事件在一片庞大区域发生，或者在一连串区域逐步发生，大气能迅速做出响应，半球尺度上的天气模式发生巨大变化。
现在，北冰洋的一些区域也许在接近相似的状态，尽管仍然缺乏浮力突破。2003年至2018年进行的水下观测显示，北冰洋的盐跃层受到湍流混合的侵蚀，日趋弱化，进而使得越来越多次表面热能到达洋面，从2007至2008年之间的3至4瓦特/平方米增加到2016至2018年的大约10瓦特/平方米。随着上浮突破条件的趋近，当前的海冰消融速度——通过众所周知的冰反照率反馈，消融早已在加速中——很有可能会进一步加速，势头更加激烈。和丹斯加德-奥斯切尔变暖一样，随着不同区域的北极海冰逐步消融，未来可能出现好几次这样的加速。
未来到底会发生什么情况，这是极难预测的，因为在气候模型中，上层海洋以及盐跃层和海冰的精细结构，相关的上浮和湍流混合过程，次表面洋流和涡流没有得到足够详细的准确描述。但是，做出一个有一定依据的猜测的话，我们会预期在不久之后——或许在将来一二十年里——北冰洋海冰损失就会剧烈加速，带来一连串连带效应，可能包括格陵兰岛冰盖的加速消融。
2009年，一块冰体从智利灰色冰川中倒落。这样的倒坍可能因为多个复杂和相互关联的原因而发生，包括摩擦模式、水力压裂和海水侵入。为了提高对气候临界点的科学认识，所有复杂性和不确定性都需要作为一个整体来观察和建模
冰流的不确定性
1995年和2002年，南极半岛的拉森A冰架和拉森B冰架相继崩塌，这提醒科学家冰流的复杂性。这样的崩裂事件的后果并不局限于海洋。只要一片海上冰架在海湾中保持原状，它就能产生一种支撑作用，降低冰层从毗连陆地表面脱离的流速。这些作用和其他呈现冰流复杂性的方面受到冰川学家的密切关注。然而，无可避免的一点是，这些复杂性远远还没有在任何一个气候模型中得到准确的反映。
冰流建模尤其困难，这是因为它依赖于相关的崩裂和应力模式。其中包括冰崖失稳和冰盖中发现的冰川状冰流的摩擦特性和速度。冰流的流动速度比周围环境要快，这是因为崩裂和它们两侧减弱的摩擦力。此外，地面冰下的融水流动网络存在复杂的互相作用，它可能润滑了大块冰体的流动。
一个重要的过程是所谓的水力压裂，这是由表面融水凿穿冰盖造成的。融水的密度大于周围的冰，有时能迫使一条裂缝直抵冰盖底部。那就是拉森B冰架崩裂的方式。在格陵兰岛冰盖的部分地区，也观察到这种现象，那儿的冰川消融率在近些年已经加速。水裂作用也与冰崖失稳有关。
冰流建模的一个主要挑战——就我所知，这个挑战尚未被解决——再次来自回望过去。这个挑战是如何理解所谓的哈因里奇事件。在过去的8万年里，出现过6次哈因里奇事件。它们的印记明显存在于北大西洋沉积物岩芯中，岩芯中含有源自北美洲或欧洲陆块的多层冰筏岩屑。这些岩屑一定是由巨大的冰流携带的，这些冰流侵蚀了岩石，然后以冰山的形式扩散到海洋中。冰山消融时，这些岩屑落到海床上。开启这一过程的冰流也许是现今在格陵兰岛和南极冰盖观察到的冰流的大规模版本。由冰体底部的地热加温实现的润滑也许有所贡献，但细节依然晦暗不清。
在现今的情况下，南极西部的派恩岛和思韦茨区域冰川尤其值得关注。那些地点的观测指向许多复杂性，包括上文中提到的那些因素，如冰流和断裂、摩擦模式、可能的大规模不稳定性，后者又与西南极冰盖的底部在海平面以下的事实有关，其深度随着从边缘深入冰盖的距离而增加。这种不稳定性的特征是海水侵入冰体下更深更远的地方，使得大块区域的冰流速度加快。这种不稳定性是临界点行为的又一个例子。一些研究人员认为，在思韦茨区域，那种临界点早已经出现。
采用改进后的冰流模型（考虑了水裂作用和冰崖失稳）后，预测在未来100年里，海平面会上升大约3米。这个预测值远远超过迄今为止的任何一份政府间气候报告。
一些文章讨论了其他可能的临界点。譬如亚马孙雨林失控的毁林作业，来自海洋沉积物和消融冰盖之下甲烷水合物的融化。另一个不常讨论的机制是麻省理工学院的丹尼尔 · 罗思曼（Daniel Rothman）研究的碳循环不稳定性，它会突然降低上层海洋浮游植物去除大气中二氧化碳的速度。
根据改进后的冰流模型，不管有没有水裂作用和它引起的冰崖失稳，海平面都被预测将会上升
极端天气， 鲸和海豚
气候模型的另一个局限之处在于，它们过低地预测许多种毁灭性的极端天气。诚然，一些极端天气在模型中得到良好的反映。例如，2021年夏天横扫加拿大和美国西部地区的热浪和火灾风暴，大规模的冰冻天气大暴发——2021年2月和2022年12月暴发的由增强喷流蜿蜒而行引起的冰冻天气，最南波及得克萨斯州。然而，大多数极端行为依赖于远远小于气候模型可解析尺度的流体运动。
最简单，也最明白的例子是积雨云暴雨和雷暴，它能生成破坏性的暴洪和泥石流。吹往积雨云内的气流发生在如此小的空间尺度上，即便凭借今时今日的计算能力，甚至在计算成本最为昂贵的局部操作预报模型中，它们也几乎没有得到解决。
然而，吹进单个积雨云的气流可利用最简单的流体动力学来理解。积雨云就像高高的真空吸尘器，将空气从低海拔的周围抽上来。气流由水蒸气提供能量——可以把它想作一种天气燃料。因为水蒸气冷凝时释放的潜热能，水蒸气可以被合理地称作天气燃料。克劳修斯-克拉珀龙方程（Clausius-Clapeyron relation）说，温度每升高1摄氏度，空气就能多保存6%~7%的天气燃料。所以，全球变暖等于是全球加注燃料。
其他条件不变的情况下，碰巧被更多天气燃料包围的积雨云会更快地吸入燃料，更早达到更高的峰值。那是一个强健、有力的正反馈机制，能够生成更突然的倾盆大雨，造成更严重的山洪暴发。
众所周知，如今极端的风暴正变得更加频繁，更加强烈。在过去的气候中也可以找到极端气候的证据。最值得注意的例子来自始新世早期的温室气候。大约5 600万年前的古新世-始新世极热事件时，气温达到极值。那时的天气燃料供应远大于目前，同样强大的反馈使得以下情况可能发生：一些风暴比人类经历过的任何灾难更加猛烈，更具毁灭性。研究已经显示那时的暴风洪水事件造成的大量侵蚀的地质学证据。
此外，对于风暴的存在，还有一系列源自进化生物学的独立证据。根据化石记录，鲸、海豚和其他现存的水生哺乳动物源自居住在陆地上的祖先，它们大约在5 600万年前的同一时间开始走向海洋。
什么因素可能导致陆栖哺乳动物在那个时候寻求新的栖息地？为何其中一些动物在仅仅几百万年后，就变成完全的水生动物？来自地表风暴极端事件的选择压力能为那些不寻常进化事件的解释开个头。这些事件可能始于河马般的行为，在这种行为中，水只不过是躲避风暴的避难所。当然，这只是一个假设。今天的鲸和海豚在基因上与河马有联系。
气候的放大器比喻
长期以来，气候科学中的不确定性和气候模型的种种局限遭到气候信息行业的利用，他们借此宣称我们无需关心气候问题，除非有评估给出其他结论。前文提醒我们，那些不确定性和局限之处始终是我们要更加关心气候问题的理由。在我近期出版的书籍中，我讨论了那些不实信息行业使用的强大的心理学方法，譬如他们利用语言作为概念雷区。在气候方面，那本书包括一些对于极端气旋和它们在气象学上的复杂性（包括所谓的输送带，即把天气燃料远距离输送）的讨论。由于分辨率的限制，气候模型的局限之处包括模型不能准确地表现最极端的气旋。
书中的另一个主题是气候的放大器比喻概念。该比喻强调，气候系统的一些部分比其他部分更为敏感，不实信息行业一直都在努力隐瞒这一点。即便在科学共同体内，因为过度关注总能量预算，这一点有时也遭到掩盖。重要的是，气候系统对于人类输入的无凝结温室气体（如二氧化碳和甲烷）远远比它们面对人类输入的水蒸气时更加敏感。当然，气候放大器是高度非线性的，噪声非常大，在那方面和普通的音频放大器相当不同。
水蒸气充当了天气燃料，在这个比喻中可以被视为放大器供能电路的一部分。譬如说，从热带地区和亚热带地区输出水蒸气中潜热能的速度约等于1到2拍瓦。这个数值让人类输入的水蒸气量相形见绌。
对比之下，无凝结温室气体可以视作放大器灵敏输入电路的一部分。因此，当不实信息传播者说，大气中的二氧化碳不重要，因为大气中的二氧化碳比水蒸气少得多的时候，就好比是在说，放大器的输入电流不重要，因为它比供能电流小得多。此外，来自化石燃料燃烧的二氧化碳输入信号很难被认为是小的。如今，这种输入已经使大气中的二氧化碳远远超出了40万年里冰期-间冰期循环的自然变化范围。
二氧化碳体积分数的自然变化参数大约是100×10-6。目前和未来的大气中二氧化碳含量变化都应该与这个参数作比较。它是真实气候系统最明确的特性之一，源自对于南极冰芯的一系列有力研究。在冰期-间冰期循环中遇到的各种气候条件下，大气中二氧化碳体积分数变化量的峰对峰振幅为100×10-6。现在的大气中二氧化碳超过400×10-6，这个数值比冰期中发现的二氧化碳水平（那时的二氧化碳低于200×10-6）超出了200×10-6。
我们有新的理由去希望，制造不实信息的行业尽管依然强大，但也许能不再成为压倒性的政治影响力，不再像10年前那样。我在书中写道：“南极臭氧层空洞、吸烟和肺癌、气候变化问题，这三个案例都显示相同的模式——不实信息在一开始获胜，接着被强化巩固的科学和真实事件引起的公众关切击败。”另一个充满希望的原因是围绕可再生能源和储能电池的新经济现状。新能源比化石能源更为便宜、更加可靠，这在南澳大利亚州大规模应用中得到了证明。
经济力量和公众关切可以帮助对抗当今的行业的不实信息行动，其中包括他们欺骗大众的谎言——可以在没有碳捕集和封存的情况下，继续推进化石燃料的燃烧，通过所谓的“碳抵消”给予补贴。“抵消”一词很好地说明语言是如何作为概念雷区的，因为“抵消”包含一种无意识假设，即这些行动能够完全弥补化石燃料燃烧带来的影响。而在现实中，碳抵消只能做出部分的弥补，而且速度也不够快。然而，年轻一代人可以保持一定程度的乐观，因为随着未来几年里极端天气事件的增加，会有越来越多人看穿关于气候变化的谎言。
资料来源 Physics Today
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本文作者迈克尔·埃奇沃斯·麦金太尔（Michael Edgeworth McIntyre）是英国剑桥大学荣休教授，皇家学会会士。本文改编自他的著作《科学、音乐和数学：最深刻的联系》（Science，Music, and Mathematics：The Deepest Connections）和他在《气象学》杂志上发表的一篇论文
