随着全球变暖，区域气候信号逐渐显现。尽管气候科学的“标准方法”成功预测了部分现象（如陆地升温快于海洋、北极放大效应等），但越来越多的观测信号与模型预测不符，尤其是在区域尺度上。与此同时，计算方法的革新正在挑战传统范式。本文探讨了气候科学当前面临的“危机”，分析了标准方法的物理基础、积累的异常现象及其政策意义，并提出了未来研究的路径。
1 气候科学的“标准方法”及其成功
20世纪中叶，基于物理定律的气候模型首次成功预测了CO₂浓度倍增导致的全球变暖趋势，包括垂直温度结构、平流层冷却、北极放大效应等。这些预测的核心是“标准方法”——通过分离大尺度与小尺度过程，应用热力学和力学定律（如辐射对流平衡、角动量守恒）构建气候模型。这一方法的成功为2021年诺贝尔物理学奖的部分成果奠定了基础。
标准方法通过逐步增加物理复杂性（图2），实现了“复杂中的简洁性”（Held, 2014），其预测的稳健性源于对物理过程的清晰追溯。例如：
全球平均：辐射对流平衡（RCE）解释了CO₂增加导致的表面增温和平流层冷却。
经向平均：角动量守恒解释了哈德莱环流和风暴路径的极移。
经向偏差：局地加热和地形扭矩解释了静止涡旋（如欧洲冬季温和现象）和沃克环流。
2 危机的信号：观测与预测的背离 本+文+内/容/来/自:中-国-碳-排-放（交—易^网-tan pai fang . com
随着观测记录的延长，区域气候信号的异常逐渐显现（图3），可分为三类：
预期信号但幅度不符：
北极放大效应强于预期（Rantanen et al., 2022）。
上层对流层增暖弱于预期（Po-Chedley et al., 2022）。
与预期相反的信号：
热带西太平洋增暖快于东太平洋（Wills et al., 2022）。
沃克环流增强（Chung et al., 2019）。
陆地干旱区比湿下降（Simpson et al., 2023）。
无理论预期的信号：
雷暴直线风速增强（Prein, 2023）。
南极海冰骤减（Purich & Doddridge, 2023）。
这些异常可能源于标准方法的两个核心问题：
尺度分离假设（LSD）：忽略小尺度过程（如深对流）对大尺度环流的反馈。
分量耦合缺失：大气-海洋-陆地相互作用的简化导致热带和南大洋偏差。
3 新范式的挑战与机遇 內/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網-tan p a i fang . com
计算方法的革新
超大规模集合：量化初始条件和参数化不确定性，但缺乏机制解释（Maher et al., 2019）。
公里尺度模型：显式解析对流和海洋涡旋，缓解海温模式偏差（Yeager et al., 2023）。
机器学习：从数据中挖掘新规律，但可解释性受限（Watt-Meyer et al., 2023）。
理论框架的重构
填补分量耦合的空白：发展中尺度耦合理论（如ENSO振荡机制）。
多尺度渐进分析：量化小尺度通量（如水汽辐合）对大尺度的影响（Klein, 2010）。
4 未来路径：危机与否，科学如何前进？
以异常为指引：通过观测检验LSD假设，如热带对流与环流的耦合（Bony et al., 2020）。
发展可检验假说：例如南极融水对南大洋冷却的贡献（Roach et al., 2023）。
重建层次模型：平衡简单与复杂，避免“唯复杂性”预测（如临界点理论的不稳健性）。
5 政策启示 本*文`内/容/来/自:中-国-碳^排-放“交|易^网-tan pai fang . c o m
危机不否定减排的紧迫性——全球变暖的物理基础依然坚实。但区域预测的不确定性要求决策者：
区分“不确定性”与“无知”，采用适应性管理（Marchau et al., 2019）。
关注小尺度过程的突现风险（如极端天气）。
6 结语
气候科学正经历库恩（Kuhn, 1962）所述的“危机”阶段：异常积累催生范式变革。无论是通过改进标准方法，还是转向数据驱动的新范式，这一过程将深化我们对气候系统的理解。对学者而言，此刻正是重新审视基础假设、拥抱多学科交叉的契机。
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