去年我写了一篇《气候岩石》的帖子,里面有很多关于气候变化的歌曲。到了第二部分的时间了,还有更多的歌曲!

1) G.T.,《你有多大勇气》

去年的帖子以《1975》和一首将格塔·桑伯格的演讲作为一种口语诗的歌曲结束。但《1975年》并不是唯一一部让格雷塔·桑伯格(Greta Thunberg)的歌词成为音乐的作品。这是约翰·梅雷迪斯(John Meredith,又名G.T.)的精彩作品,他是Suaka乐队的鼓手。他把格蕾塔的“你怎么敢”演讲变成了一首瑞典死亡金属歌曲…

是的,我知道,但听我说。它起作用了。值得一听!有关此歌曲的更多信息,请参阅这篇文章发表在滚石杂志上。

2) Delusion Squared,《在我垂死的时代》

格雷塔·桑伯格并不是唯一一位将自己的言论付诸实践的青年气候活动家。早在1992年,Severn Suzuki 12岁时就在里约地球峰会上发表了演讲。这首歌是由Delusion Squared(他也曾在最后一篇《气候岩石》帖子)把这个演讲变成音乐。

这是一首关于否认的歌:“他们真的很可怕/我们否认的事情/在我死的时候”

塞文的演讲成为世界各地的头条新闻尤其是“如果你不知道如何修复它,请停止破坏它。”这句话被誉为是让世界沉默的演讲。 

“父母应该能够安慰他们的孩子,说:“一切都会好起来的;这不是世界末日,我们正在尽最大努力。”但我认为你不能再这样对我们说了。我们甚至在你的优先事项清单上吗?”

3) 孩子气的甘比诺,《感觉像夏天》

接下来是一个微妙的问题。这是《孩子气的甘比诺》(Childish Gambino),有一首听起来无伤大雅的歌曲,名为《感觉像夏天》(Feels Like Summer)。起初,这听起来像是一首欢快的地球风与火之歌,歌颂着美好的事物。视频真的播放了这一点。但要仔细听歌词,并注意视频中是否有错误的小线索…

《感觉像夏天》的歌词一开始就很无害:
“你可以在街上感受到/
在这样的一天,炎热/
感觉像夏天”

然后它不间断地换档:
“70亿灵魂围绕太阳旋转/
滚得更快,更快,没有机会放慢速度”

直到我们达到:
“每天都比以前热/
水用完了,马上就要倒了/
下去“
仍然以同样乐观的语气。 

残酷的。视频真的抓住了这种并置。它描绘了唐纳德·格洛弗在他的街区漫步,但每个角色都是名人:他们都是著名的说唱歌手或黑人人物。所以视频分散了你对歌词的注意力:我们都太专注于名人八卦,忽视了我们周围环境崩溃的小迹象。

顺便说一句,如果你想全面了解视频中的所有角色,维基百科已经为你提供了:https://en.wikipedia.org/wiki/Feels_Like_Summer网站_(儿童_冈比诺_歌)

大多数的文化参考都直接从我脑海中掠过,但我确实嘲笑了一个戴着MAGA帽子的坎耶·韦斯特,他在米歇尔·奥巴马的安慰下哭得目瞪口呆…

4) 阿诺尼,“4度”

接下来是Anohni,有“4度”。当我第一次听到这个消息时,我不确定:
“我想燃烧天空,我想燃烧微风/我想看到动物们死在树上/
哦,走吧,走吧。现在只有四度。”。

这首歌是在2015年《巴黎协议》签署之前写成的,当时气候预测表明,到本世纪末,世界将变暖4度。这首歌似乎在说:加油…

真的,这是一种逆反心理。在关于这首歌的采访中Anohni描述了她对气候变化的深切关注,以及她努力接受自己的碳足迹。这首歌是关于负责任的:它表达了我们行为的含义,而不是我们的意图。

这是一首非常有力的歌曲。

5) 保罗·麦卡特尼(Paul McCartney),“尽管一再发出警告”

接下来是保罗·麦卡特尼(Paul McCartney)于2018年创作的一首歌,名为《尽管一再发出警告》(Whiled Repeated Warnings),这首歌的灵感来源于一篇关于气候变化的报纸文章,其中包含这句话。

在采访中,麦卡特尼证实他在考虑特朗普:
“队长疯了/
但他不让他们知道/
他会带我们一起去的/
如果我们不做点什么/
很快就会放慢速度”

6) 坏宗教,“京都现在!”

现在是一些朋克的时候了:坏宗教的歌曲“京都现在!”,2002年发布

当然,《京都议定书》是有史以来第一个减少温室气体排放的国际协议。该法案于1997年12月签署,直到有足够多的国家批准该法案,覆盖全球55%的二氧化碳排放量,该法案才生效。这一直持续到2005年

也许这是一首朋克歌曲的不同寻常的主题,但它抓住了人们当时的愤怒。很多愤怒都是针对美国的。虽然克林顿在1997年签署了《京都协议》,但他从未将其提交美国参议院批准,因为参议院已经通过了一项决议(95-0),表示除非发展中国家也被要求减少排放,否则美国不应签署任何协议。乔治·W·布什(George W Bush)在当选后明确表示,他永远不会同意这项法案。因此,美国从未批准过这项协议。

不甘示弱的是,保守党首相史蒂文·哈珀(Steven Harper)领导下的加拿大最终于2011年退出了《京都议定书》(Kyoto protocol)。尽管在那一点上,考虑到加拿大的排放量自1990年以来实际上上升了17%,而不是下降,但退出的决定基本上无关紧要。作为一个巨大的石油国家,加拿大无论如何都不会采取行动。

这首歌很好地捕捉了所有这些政治策略:
“媒体游行/
脱节的政治/
建立在石化掠夺之上/
我们是它的人质”

因为这是朋克,这首歌甚至承认自己是徒劳的:
“你现在可能觉得这无关紧要/
但如果你错了怎么办/
你可能认为没有什么智慧/
在一首糟糕的朋克摇滚歌曲中“

7) 戈吉拉,“戈巴尔变暖”

让我们继续探索不同的音乐流派。这一个可能被称为渐进死亡金属(它当然有咆哮声)。这首歌是法国乐队Gojira的《全球变暖》,是2005年为他们的环保主题概念专辑《从火星到天狼星》创作的。又一次,这首快速而愤怒的歌曲表达了人们对地球状况的愤怒。值得一听,即使你从未听过死亡金属。

标题很明显,歌词可能就不那么明显了。这位歌手正在引导人们观看行星本身:
“当我看到周围的烟雾/
我觉得我不是人类/
我觉得冰川就是我的眼睛/
山是我的头,我的心是海洋”

但这首歌并没有沦为愤世嫉俗,而是转向了希望:

“我有一个梦想,我们的星球能够生存”,并以一句重复的话结尾:
“我们将看到我们的孩子成长”。

8) 钢铁脉冲,“全球警告”

继续我们的音乐流派之旅,这首是《钢铁脉冲》中的雷鬼曲,名为《全球警告》。这是来自他们2004年的专辑《非洲大屠杀》,该专辑围绕种族压迫、非洲民族主义和拉斯塔法里主义等一系列主题展开。这首歌聚焦于殖民主义和环境破坏之间的联系,以及支持变革的必要性。 

有趣的是,这首歌并不是专门关于气候变化(注意标题的拼写),而是对野生动物灭绝、酸雨、水污染和森林砍伐进行了命名。它将森林砍伐与政治抵抗的需要完美地联系在一起:
“站起来,数一数/别让他们把我们砍倒,嘿。”

它传达了拉斯塔法里主义的全部信息:
“摧毁地球不是Jah的计划/
这是人类的工作”

相关性:这篇关于雷鬼音乐中“巴比伦”的象征意义的文章巴比伦被视为殖民压迫者腐朽文化的象征,也是泛非意识的目标,如“打败巴比伦”一词。还有一种尖锐的批评,认为西方民主是一种骗局(一种“反嘲弄”),政客们是骗子,假装是人民的代表,而实际上只是在充实自己。

9) 斗牛犬,“全球变暖”

继续我们的流派巡演,这首歌是皮特布尔2012年专辑《全球变暖》中的一首说唱歌曲,名为“全球变暖”。这是一首很短的歌曲(1:24),是对这张专辑的介绍。所以即使你平时不喜欢说唱,也要听听…

歌曲以一个非常清晰的信息开始:
“第六类是风暴”/
把这个当作一个警告/
欢迎来到,欢迎来到全球变暖”

然后,他开始批评说唱歌手所唱的东西的选择,并(也许太微妙了)批评对魅力和富人的生活方式的痴迷,以及他们的私人飞机:

“这都是关于他们的亿万富翁/
我他妈的是认真的/
看,我喜欢它们零,它们看起来像Cheerios”

有趣的是,Pitbull的歌曲很少包含环境信息,他只是这样命名他的专辑:
2012年:“全球变暖”
2014年:“全球化”
2017年:“气候变化”

在采访中,他说“如果我录制了一张关于[气候变化]的唱片,没有人会听。我录制唱片是为了让人们玩得开心,[……]但随着标题的出现,他们开始把这些点联系起来,就像我为他们收集的寻宝一样。”

10) 阿玛洛克,“英雄”

这是一首可爱的旋律摇滚歌曲,名为“英雄”,来自波兰乐队Amarok。它以格蕾塔·桑伯格(Greta Thunberg)演讲中的片段开始:
“现在世世代代的目光都盯着你
这个星球正在消亡,被摧毁,厌倦了消费主义。 
大多数人甚至都没有注意到”。

这不是真正的格蕾塔,但她的风格几乎是完美的。配音是玛塔·沃伊塔斯(Marta Wojtas),她为乐队做伴唱,并为乐队写下所有歌词。

这首歌是关于我们对英雄的需要,以及我们视之为英雄的气候运动中那些人所面临的内部斗争。

到目前为止,这可能是整个帖子中我最喜欢的歌曲。听一听——这是一首美妙的歌…

11) Ela Minus,“超级朋克”

为了纪念另一场毫无用处的缔约方会议的结束,我们需要一首抗议歌曲:Ela Minus with Megapunk,出自她2020年的专辑《叛乱行动》。

在专辑版本中,除了Ela自己的歌词(“你不会让我们停下”)之外,没有其他声音,但当她现场演奏时,她混合了其他声音样本,所以我分享这个版本,其中包括Greta Thunberg演讲的样本。令人惊讶的是,格蕾塔激发了这么多气候歌曲的灵感!

Ela的音乐通常被描述为电子流行音乐,但我更喜欢我在一篇评论中看到的DIY techno-punk这个词。或者,正如她所描述的:“黑暗时代的明亮音乐”。

Megapunk是一首非常乐观的抗议歌曲:
“我们似乎找不到/
保持沉默的理由
我们担心时间会用完”


“你不想理解/
你选择把我们分开/
但不顾一切/
你仍然不会让我们停下”

12) 梅西·格雷(Macy Gray),《我想要的圣诞节礼物》(All I Want For Christmas)

是时候听Macy Gray的节日曲调了,名为“圣诞节我想要的一切”。里面装满了明智的圣诞祝福:
“圣诞节我想要的只是一大堆东西/
但你能给我买的东西都不够/
因为我所希望的一切都是无形的/
比如免费医疗和枪支管制”

让我想知道为什么没有更多这样的季节性歌曲。太认真了?

梅西关于气候变化的诗句相当直白:

“圣诞节我只想有机会/
所以请爱护环境/
认真对待戈尔先生/
尽你所能阻止全球变暖”

戈尔先生的提法有点过时了,但随后赞扬了“巴拉克”,并且:

“我希望你的继任者
做他或她应该做的事/
特朗普先生,他是个有趣的人/
但让我们面对现实,他真的合格吗?

也许是言过其实了?

13) 午夜石油,“上升的海洋”

最后#气候岩石用于此帖子。在经历了一年创纪录的气温和无用的气候政策谈判之后,还有什么比《午夜石油》2022年专辑《Resist》(封面上有暖条)中的《Rising Seas》更合适呢。

“每个孩子都放下你的玩具/
然后进来睡觉/
我们必须直视你的眼睛,说我们廉价卖给了你/
让我们承认我们没有采取行动
非常紧急/
所以打开闸门
向上升的海洋致敬”

我在中收录了一首《午夜石油》歌曲我以前的气候岩石帖子:床在燃烧,这通常被认为是关于气候变化,但实际上是关于土著土地权利。鉴于他们留下的抗议歌曲,乐队将全部注意力转向气候变化也就不足为奇了。 
几乎新专辑中的所有歌曲以某种方式应对气候危机,所以请仔细听一听。 

这是多伦多学期的第一周,我正忙于开设一门新课程。这是一门小规模的本科一年级课程,对文理学院的任何学生开放,名为应对气候危机我今年将它作为一个试点项目作为一个小型研讨会课程推出,目的是明年我们要做大,把它变成一个更大的讲座课程,面向数百(甚至数千)名学生。我必须考虑如何使其规模化。

这门课的想法是为了回应巴塞罗那大学关于开设气候危机必修课的倡议对于所有本科生来说,这是为了满足2022年秋季大规模学生抗议的要求之一。巴塞罗那大学预计将在今年晚些时候开设这样的课程。我们的学生越来越多地要求大学对气候紧急情况的宣布做出回应(例如,由联邦政府和多伦多市),重新思考我们的项目是如何让他们具备未来几十年将被气候变化彻底重塑的世界所需的复原力和技能的。

这门课程的设计直接回应了巴塞罗那大学提出的挑战:如果要求每个学生(至少!)修一门关于气候危机的课程,那么这样的课程会是什么样的?气候变化是一个复杂的跨学科问题,需要从多个角度来看待,以综合理解我们是如何到达历史上的这个时刻的,以及我们作为一个社会目前面临的稳定气候系统和实现向可持续社会的公正过渡的道路。本课程需要让学生清楚地了解危机的严重性和紧迫性,同时也需要为他们提供从心理、政治和社会学角度处理这种理解的工具。因此,它需要平衡大局观和非常个人化的回应:一旦你明白了,你该怎么做才能避免陷入绝望。

我不清楚,考虑到北美第二大大学复杂且权力下放的治理结构,在任何合理的时间内,我们能否让多伦多大学同意对每个学生强制开设此类课程。但我们可以通过自下而上的方式取得很大进展:通过现在开设这门课程,我们打算在整个大学范围内引发更广泛的回应:我们如何为我们所有的学生做好应对气候变化世界的准备?不同的部门和项目需要做什么来应对?如果其他部门想在本科生课程中增加这门课程,我会很高兴的。或者,如果他们想创建更适合自己学生需求的课程版本,我也会同样高兴。

好了,足够的预习了。以下是教学大纲条目:

本课程是一门关于气候危机的综合性、跨学科的入门课程,适合于任何一位在T大学就读的本科生。本课程从科学、社会、经济、政治和文化的角度,从自然科学基础到我们现在面临的稳定气候系统的选择,来研究气候危机。本课程综合运用讲座、实践活动、小组项目、在线讨论和特邀演讲者,让学生更深入地理解气候变化这一复杂、相互关联的问题,同时为他们提供一个评估我们作为一个社会所面临的选择的框架,面对充满挑战的未来,培养希望的文化。

这是我为12周课程制定的大纲:

  1. 我们知道多久了?
    • 课程简介和气候科学史概述
  2. 气候变化的原因是什么?
    • 温室气体——它们从哪里来,它们做什么
    • 气候变化数据来源
    • 科学家如何使用模型评估气候敏感性
  3. 情况有多糟?
    • 气候变化的未来预测
    • 了解目标:350ppm、1.5°C和2°C;净零
    • 不可逆性、超调、长期影响和应急措施(地球工程)
  4. 它会影响谁?
    • 主要影响:极端天气、海平面上升、海洋酸化、生态系统崩溃等
    • 气候影响和适应的区域差异以及气候移民的增加
    • 责任和影响方面的不平等——气候正义的作用。
  5. 我们有修复它的技术吗?
    • 脱碳途径
    • 部门分析:能源、建筑、运输、食品系统、废物等
    • 气候解决方案之间的相互影响
  6. 我们能同意修理吗?
    • 国际决策:UNFCC、IPCC、京都、巴黎等。
    • 政策工具:碳税、碳交易、补贴、直接投资等。
    • 政治行动的障碍
  7. 修理它要花多少钱?
    • 气候经济学导论
    • 适应和缓解的成本和效益
    • 生态现代主义vs.衰退
  8. 是什么阻止了我们?
    • 气候传播与气候虚假信息
    • 政治游说的作用
    • 我们如何谈论气候变化和框架的作用
  9. 我们害怕什么?
    • 气候变化心理学
    • 对气候变化的情感反应:生态焦虑、末日论、否认等。
    • 在气候危机中保持心理健康
  10. 我们如何才能让人们听到我们的声音?
    • 抗议运动和气候激进主义
    • 变革理论
    • 激进主义模式与破坏性抗议的伦理
  11. 是什么给了我们希望?
    • 建设性希望作为对生态焦虑的回应
    • 世界观、文化和语言的作用
    • 与大自然重新联系
  12. 我们从这里要去哪里?
    • 系统思考和多重解决的重要性。
    • 讲故事在创造希望叙事中的作用
    • 让你的研究发挥作用:大学在气候紧急情况下的作用。

这学期我教一门新课程,叫做应对气候危机这是自最新一波AI聊天机器人出现以来,我第一次执教。以下是我想到的:

本课程的作业经过精心设计,旨在为你提供有意义的经验,帮助你积累知识和技能,我希望你能本着这种精神参与其中。如果你决定使用任何人工智能工具,你必须附上注释,解释你使用了哪些工具以及如何使用这些工具,并反思它们是如何影响你的学习过程的。如果没有这样的说明,使用人工智能工具将被视为学术犯罪,惩罚与你要求其他人(而不是机器人)为你完成工作一样。

本政策的基本原理:在过去几年里,所谓的人工智能(AI)工具已经变得司空见惯,尤其是使用生成性AI创建文本和图像的工具。底层技术使用典型单词序列(和图像元素)的复杂统计模型,可以立即对各种提示做出非常合理的反应。然而,这些工具无法理解我们人类赋予单词和图像的含义,也无法体验这些含义所在的世界。结果是,他们擅长模仿人类表达自己的方式,但他们往往在事实上是错误的,他们的输出反映了训练模型的数据中固有的偏见(种族、性别、社会经济、地理)。如果您选择使用AI工具帮助您创建本课程的作业,您仍将对生成内容中的任何不准确和偏差负责。

更重要的是,这些人工智能工具提出了关于高等教育中学习性质的重要问题。不幸的是,我们已经建立了一个高等教育体系,它过分强调截止日期和成绩,而不是学习和反思。简而言之,我们建立了一个鼓励学生作弊的制度。人工智能行业将其产品推广为有用的工具,这可能与在数学中使用计算器或在写作时使用文字处理器没有什么不同。这是有道理的——例如,如果你患有写作障碍,人工智能工具可以快速生成大纲或初稿,让你开始写作。但是,决定何时以及如何使用这些工具的关键因素是一个问题,即您到底要向机器上卸载什么。如果有一个工具可以帮助你克服一些枯燥、低级的步骤,这样你就可以更快地进入重要的学习体验,那就太棒了!另一方面,如果该工具为你完成了所有的工作,所以你永远不必思考或反思课程材料,那么你从这门课程中获得的除了(也许)一个好成绩之外,几乎没有什么收获。从这个意义上说,你在课堂作业中使用人工智能工具的大多数方式与其他形式的“作弊”没有什么不同:它们提供了一条获得好成绩的捷径,跳过了你自己动手学习的过程。

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本课程政策根据知识共享许可证授权抄送:n-c-SA 4.0。您可以出于非商业目的自由使用和改编,只要您信任我,并分享您所做的任何改编。

计算气候封面由于我的书已经出版,现在是时候提供更多细节了。我写这本书的目的是解释气候模型的作用,它们是如何建立的,以及它们告诉我们什么。它旨在让大众在科普领域非常容易阅读。标题是“计算气候:我们如何知道我们对气候变化的了解”。

你可以在这里订购.

这本书的前半部分集中于气候模型的历史。

第1章,引言首先,我从气候建模的一个关键时刻开始:1979年由吉米·卡特总统委托的查尼报告,该报告开发了一个新的框架来评估气候模型。关键的想法是可以在每个气候模型中运行一个基准实验,以研究它们的一致点和差异,并提供对不确定性所在的见解。

第2章,第一个气候模型,讲述了斯万特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)于19世纪90年代在斯德哥尔摩开发的气候模型的故事。我详细解释了阿伦尼乌斯的模型是如何工作的,他是从哪里获得数据的,以及他的结果有多可靠。一路上,我解释了温室效应,它是如何首次被发现的,以及为什么增加更多的温室气体使地球变暖。

第三章预测工厂,讲述了1949年在第一台电子可编程计算机ENIAC上运行的第一个数值天气预报程序的故事,并追溯了它所基于的思想的历史。然后,我探讨了这是如何导致“全球环流模型”的发展,该模型模拟了大气的动力学。

第4章,平息混乱,描述了天气预报模型的实验如何导致混沌理论的发现,这对天气和气候的可预测性具有重大意义。天气是一个混乱的过程,因此随着天气模型的运行,初始测量的不准确度呈指数级增长,很难预测超过一两周的天气。气候预测并没有遇到这个问题,因为它关注的是整体天气模式如何变化。

本书的后半部分描述了我对一些不同气候建模实验室的访问,并重点介绍了我在这些实验室遇到的科学家的工作。

第5章,机器的核心,解释了现代气候模型核心的关键设计思想,以英国气象局的统一模型为案例研究,考察了影响模型的设计选择和计算限制。

第六章,装备精良的物理实验室,探索气候科学家用他们的模型所做的实验,以及这些实验在历史上是如何改变的。它以科罗拉多州博尔德NCAR开发的社区地球系统模型为例。

第7章,即插即用,探讨了为什么很难将地球系统不同部分的模型——海洋、大气、冰盖、植被等——结合在一起。我描述了气候模型如何在正确的架构下,通过共享模型支持地球科学中的新型跨学科合作,我使用巴黎Pierre-Simon Laplace研究所开发的地球系统模型作为案例研究。

第八章声音科学,探讨了现代气候模型是如何测试的,以及建模者如何保持软件质量。我还探索了它们模拟最近气候变化以及遥远过去气候的能力,并讨论了我们如何知道模型的正确性以及它们在哪里仍然存在问题。汉堡马克斯·普朗克研究所开发的地球系统模型是一个案例研究。

最后一章,选择未来书的结尾总结了气候模型告诉我们的关于未来可能发生的气候变化的信息,剩余的不确定性在哪里,以及我们可以选择哪些途径来避免灾难性的气候变化。我还探讨了为什么应对气候变化的行动如此缓慢,我们还能做些什么,以及为什么有理由抱有希望。

去年,我发布了一个定期的星期五推特帖子#气候岩石以过去几年我一直在听的歌曲为特色,这些歌曲在某种程度上解决了气候变化问题。因为我不再在推特上,所以我把所有事情都放在这里。享受吧!

首先必须

1) Marillion,季末

令人难以置信的是,这首歌写于1988年,是我第一次听到歌曲中提到气候变化。喜欢吉他独奏,但歌词才是真正崇高的原因:
“我们会告诉孩子们为什么……”。
这里还提到了臭氧空洞:
“我们长得那么高,爬得那么高/我们在地上留下了脚印/在天空中打了一个洞”。

2) Billie Eilish,“所有好女孩都下地狱”

我星期五的下一个条目#气候岩石系列剧必须是比莉·埃利什(Billie Eilish)所有好女孩下地狱乍一看,这似乎与气候变化无关。但要注意歌词。这是对人类对地球所做一切的谴责,被认为是善与恶的辩论。这与上周的歌曲形成了鲜明的对比。在80年代末,在上一代人中,玛丽莲写下了气候变化对未来的威胁,这是一条奇怪的新闻(“我听到有人说……”)。快进到2019年,埃利什抓住了她这一代人的焦虑——他们都是在气候变化的影响下长大的:“现在没有什么可以挽救的了”。这首歌既华丽又虚无,是对我们当前困境的颂歌。

当我们观看的时候,视频中的视觉效果也很贴切:艾丽斯打扮成一个堕落的天使,从一池油中升起,在身后拖着黑色油流的贫瘠景观中挣扎,而她周围的世界正在燃烧。

3) Buffy Ste Marie,《继续》

下一个#气候岩石歌曲必须是Buffy Ste Marie和继续摘自她2015年的专辑《血中的力量》。与上周的Billie Eilish相比,这首歌充满了希望,号召人们采取行动。《继续》只是巴菲一系列抗议歌曲中的最新一首,这些歌曲涵盖了土著权利、和平和环境正义,一直追溯到她60年代的反战歌曲《环球战士》。巴菲将这首歌曲捐赠给了全球气候运动,它作为我们需要的抗议歌曲发挥了出色的作用,邀请我们振作起来,共同采取集体行动保护地球。这都是关于希望的。

4) Neil Young,《绿色就是蓝色》和《关闭它》

由于巴菲·斯特·玛丽自20世纪60年代以来一直在唱环保抗议歌曲,所以将她与尼尔·扬配对似乎是正确的。尼尔·杨2019年专辑《科罗拉多》中的两首歌明确地谈到了气候变化,所以我将把它们都包括在内。第一首是“绿就是蓝”,这是一首华丽的歌曲,它哀悼了我们不顾警告没有做的所有事情:
“我们听到了警告电话,没有理睬他们
我们观察了天气变化,看到了火灾和洪水
我们看到人民起义,分裂
当我们失去了我们梦寐以求的奖品时,我们互相争斗
我们有太多事情没有做
我们知道我们必须这样做”

紧接着是一首低沉的抗议歌曲《Shut it Down》,这首歌真正触及了问题的核心:
“他们都穿着气候变化/尽可能凉爽/不得不关闭整个系统”

有趣的是,Neil Young发布了关机的新视频2020年,在流感大流行的第一波浪潮中,这首歌巧妙地被重新定位为平缓疫情曲线的集体努力。实际上,看这段视频几乎让人怀旧。早在反vaxxer和封锁抗议者摧毁了我们都有责任保护彼此的集体意识之前,就已经很久了。 

作为奖励,这里有一篇完整的文章尼尔·杨在其漫长的职业生涯中如何应对气候变化和环境问题。

5) 麦莉·赛勒斯,《唤醒美国》

好的,接下来当然是麦莉·赛勒斯,她2008年的歌曲《唤醒美国》。在我开始这个帖子之前,我还没有意识到这首歌,但它对这个系列来说是完美的。令人难以置信的是,麦莉写这本书时只有16岁,但它完美地捕捉到了一个21世纪青少年发现气候危机时的困惑:
“我想了解这一切,但
我读到的所有内容都是全球变暖,变绿
我不知道这意味着什么
但它似乎在说……”
Miley是在阿尔·戈尔(Al Gore)发表《难以忽视的真相》(Inconvenient Truth)前后,在气候变化激进主义的一次大潮中,以及2009年哥本哈根会议的前夕,写下这篇文章的。哥本哈根会议本应带来一项新的全球协议,但却被化石燃料资助的虚假信息彻底破坏。当然,今天的青少年成长在一个完全不同的世界。他们确实知道这一切意味着什么,并且(理所当然地)对此更加愤怒。

6) 梅丽莎·埃瑟里奇(Melissa Etheridge),《我需要醒来》

这篇文章与上周的主题相同。我是梅丽莎·埃瑟里奇我需要醒来”,写于2006年,专门为电影《难以忽视的真相》创作,并获得奥斯卡最佳原创歌曲奖。这首歌是在麦莉·赛勒斯的《唤醒美国》之前几年写的,我认为这首歌更有说服力,因为它专注于内心深处,让自己摆脱否认,而不是斥责别人这样做。实现联系至关重要:
“我不是一个岛屿/我并不孤单”。 
哦,我在90年代听了很多梅丽莎·埃瑟里奇的歌,所以我很喜欢她的声音。 

7) 午夜石油,“床在燃烧”

接下来,三首歌似乎是关于气候变化的,但事实并非如此。有趣的是,每一个都是关于一个不同的全球问题,它在重要方面与气候危机相关。第一个是1987年的Midnight Oil床在燃烧。合唱团一下子就熟悉了:
“当我们的地球在转动时,我们怎么能跳舞?/当我们的床在燃烧时,我们如何睡觉?”
但《床在燃烧》实际上是写给提高对将被盗土地归还土著社区的必要性的认识在这种情况下,澳大利亚的伊鲁鲁(Iluru)(以前叫艾尔斯岩(Ayers Rock))被归还给阿南古(Anangu)人,阿南古是阿南古人的圣地。

与气候变化的联系是深刻的:殖民主义传播了这样一种观念,即我们可以买卖(和窃取)土地,拥有自然资源的权利,并从中获利,而不对长期后果承担责任。殖民者致力于根除土著文化绝非巧合。这些文化提供抽象主义的激进替代方案土地应该属于社区而不是个人,为了后代的利益,必须加以保护。 

当然,在2009年,一大批名人重新调整用途的床正在燃烧,作为一首气候抗议歌曲,更新了歌词。在这个过程中,他们根除了歌曲中所描述的土著土地问题。

8) 彼得·加布里埃尔,《洪水来了》

我们的第二个例子是彼得·加布里埃尔1977年的歌曲洪水来了.
“上帝,洪水来了/我们将告别血肉之躯/如果大海再次沉默/在任何还活着的地方……”
这可能与全球变暖下极端天气事件导致的海平面上升和山洪暴发有关。它不是。 加布里埃尔在梦后创作了这首歌“在这种情况下,通常阻止我们了解彼此想法的心理障碍被完全侵蚀,导致了精神洪流”。这样的洪水会冲走那些宁愿把自己作为孤岛割裂开来的人,掩盖他们内心深处的想法,就像那些开放和诚实的人一样。他可能还描述了社交媒体的精神洪流,尤其是它扫除理性争论并引发分歧的方式,因为每个人的内心想法都在向世界传播。具有讽刺意味的是,社交媒体上的虚假信息泛滥,正是在历史上我们最需要齐心协力应对气候危机的时刻,占据了公众话语的主导地位。
“方向没有意义/我们甚至无法选择一方”

9) Chris Rea,《通往地狱之路》

我们的第三个例子是Chris Rea地狱之路自1989年起:
“嗯,我站在河边,但水不流动/你能想到的每一种毒药都沸腾了[……]这不是技术故障,噢,不,这是通往地狱的路”
这首歌的灵感来源于Rea被困在伦敦M25轨道高速公路的交通中,而这条路无路可走,并且以拥堵著称。当地人称之为M25停车场。这是歌曲第一行中的“不流动的河流”。但这首歌比糟糕的交通状况要暗得多。

这是关于被困在一条不可避免地导致我们毁灭的技术道路上,以及我们对此无能为力的感觉。M25体现了城市规划师们所经历的艰难历程:修建更多的道路只会加剧交通拥堵。因此,作为气候变化的隐喻,它确实起到了很好的作用。问题是:通往地狱之路的出口是什么?我们会选择其中任何一个吗?

10) 缪斯,“第二定律:不可持续”

这一点也不微妙:这是缪斯用“第二定律:不可持续“。这首歌的所有内容都太夸张了,所以如果你以前从未听过,那就调大音量听……从音乐上来说,这首歌融合了缪斯标志性的夸夸其谈的体育场摇滚乐和dubstep(显然是受Skrillex乐队的启发)。它不应该奏效,但确实奏效了

当然,我们在这里是为了歌词。由一个虚假的新闻阅读器发布,它们从热力学第二定律开始:
“所有自然和技术过程的进行方式都会导致剩余能量的可用性降低”
然后用这个比喻气候变化和环境破坏:
“热力学的基本定律将对技术创新和人类进步设置固定的限制。[……]一个不断增长的物种是不可持续的”
我已经写过了这首歌如何将1972年的“增长极限”研究与生态经济学家关于我们对经济增长的痴迷的最新研究联系起来。

另外,专辑中的下一首歌是一首令人难忘的歌曲,名为“第二定律:孤立系统”,将前一首歌的歌词与记录经济崩溃的新闻报道片段交织在一起

11) 错觉平方,“厄运降临”

接下来是一支名为Delusion Squared的法国乐队,歌曲是“厄运降临“。就像MUSE以前的歌曲一样,它将新闻和演讲片段编织到音乐中。这首歌是来自他们的专辑《人类世》前几首歌曲涉及气候变化、战争、粮食危机和生物圈的崩溃。在专辑的中途,它进入了一个后世界末日的荒原,伴随着关于幸存者的歌曲。甚至有一首歌《在控制之下》,讲述了拯救地球的绝望地球工程计划:
“我们有一个治愈生物圈的计划/没有什么是无法设计的/失去阳光的代价太小了/你会看到一切都会好起来的”

我几乎可以从这张专辑中挑选出任何一首歌曲,但《一条不祥的路》是第一首让我着迷的歌曲,因为它的声音样本。我已经找到了其中的一些人。这真是一个收藏品! 

  • “即使是现在,人类可能正在无意中通过其文明的废物改变世界气候”,这句话出自1958年弗兰克·卡普拉的电影《无链女神》是的,1958年!
  • “如果你真的相信全球变暖是我们面临的最大问题……你就是这个星球上最愚蠢的狗娘养的。”格伦·贝克在2015年谈到当时的总统奥巴马时说道。在这首歌中,这句话有助于解释为什么我们让世界末日降临。 
  • 迈阿密市长莱文(Levine)表示:“海洋不是共和党人,也不是民主党人。它只知道如何崛起。”国家地理纪录片《洪水前》(莱昂纳多·迪卡普里奥配音)
  • “再多的技术和人类的创造力也无法推翻物理学定律”纪录片《崩溃》中的迈克·鲁珀特
  • 罗纳德·里根(Ronald Reagan)在其就职演说中表示:“我们当时和现在都相信:只要男女都能自由追求梦想,增长和人类进步就没有极限”,他无视“增长极限”研究的警告,开创了新自由主义时代。 

所有这些引言都是通过一首可爱而温柔的歌曲编织而成的,这首歌讲述了拯救一棵雄伟橡树的斗争,结局是:
“那里有一棵巨大的老橡树/我们答应它会重新生长/当我们庆祝时/整个森林都被摧毁了”。 
只见树木不见森林。 

12) 1975年,“1975年”

最后,1975年与他们的歌曲“1975年”,将格蕾塔·桑伯格的演讲置于背景音乐中。它充满了冲击力。这首歌有一个维基百科页面,所以我不会解释背景,只想说乐队的目的是在流行文化中记录葛丽塔的话。作为一件艺术品,我认为它的作品非常出色——它肯定会让你停下来思考。

本周,我一直在思考大学在气候危机中的作用。我计划在这方面写更多,但首先,这是我在疫情前的一次研讨会上在餐巾上潦草写的一篇文章将人类价值观引入计算机科学,却从未抽出时间分享…

我们谈到研究议程、课程改革、与从业者合作等,就好像未来世界(在未来十年左右)将与当今世界一样。不会的。

下一个十年将以争取全社会迅速变革为标志,这场斗争的结果将决定人类文明的未来。然而,我们制定的每一项计划都说明了渐进式的变化。这是一个渐进式的议程,谈论与现有的公司、现有的课程、现有的研究实验室合作,促使他们在工作中更加认真地对待人类价值观。

但如果你认真对待(至少)三次严重而紧迫的危机的汇合,很明显我们没有时间采取渐进主义的方法:

1) 气候危机,数字技术深陷其中。计算的碳足迹正在急剧增长,因为我们将互联网应用于一切事物,它正在放大我们这个可支配的消费主义社会的所有最坏趋势。硅谷的创新模式(“快速行动,打破局面,让别人来收拾烂摊子”)长期以来一直专注于寻找新的方法来将我们的数据货币化,以至于我们忘记了创新到底是什么样子。提醒:在未来十年左右的时间里,我们需要彻底改造我们的能源基础设施,以实现全球净零排放。当硅谷继续吸纳所有可用的投资资本时,我们无法做到这一点。

2) 自动化和人工智能,这可能会破坏社会广大阶层稳定工作的任何观念,并取代人类对算法监管的冷酷、难以逾越的不公正的同情(作为一个社会,我们如何对这些技术说“不”?)。

3) 通过独裁者和社团主义者使用无处不在的数字监控来摧毁民主,并利用(上瘾的)社交媒体作为极端主义宣传的载体,旨在使我们相互对立。

因此,我们应该努力制定一个更为激进的议程,设想计算机行业的大规模转型,终结硅谷的技术解决方案,将其转变为一个谦逊的企业,将人类尊严放在首位。我们需要解除五大科技公司的束缚,打破数字技术与消费主义之间的关系,并赋予自己完全禁止某些技术的权力。我们不应该把激进主义放在盒子里。作为学者,激进主义应该注入我们所有的教学、研究和社区参与。如果我们不致力于变革,我们就在强化现状。

简而言之,我们需要认识到我们所处的独特历史时刻,以及计算机在我们当前的生存危机中所起的作用。

为了纪念今天宣布的Syukuro Manabe、Klaus Hasselmann和Giorgio Parisi获得诺贝尔物理学奖为了感谢他们对理解和建模复杂系统的贡献,我在这里发布了我即将出版的书《计算气候》的一些摘录,该书描述了Manabe在气候系统建模方面的早期工作。我们将从普林斯顿大学高级研究所(IAS)的诺曼·菲利普斯(Norman Phillips)的突破开始,我在上一篇文章中写过.

大循环模型的诞生

菲利普斯于1955年建立了我们现在公认的第一个大气环流模型(GCM)。它非常简单,将地球表示为一个圆柱体而不是地球仪,大气状态用一个单一的可变气压表示,在两个不同的高度,在地球周围272个点的每个点(16 x 17个点的网格)。尽管很简单,菲利普斯的模型还是做了一些引人注目的事情。当从均匀大气(每个网格点的值都相同)开始时,模型在描述太阳热量和地球自转影响的方程的影响下,逐渐形成了自己的稳定射流。该模型被誉为一个显著的成功,并激励了一代大气科学家开发自己的全球环流模型。

在大气静止的情况下启动模型,看看出现了什么模式,这是一个关键特征,使这种建模风格与模型在天气预报中的使用方式截然不同。数值天气预报发展迅速,到1960年,美国、瑞典和日本这三个国家已经开始提供可操作的数值天气预报服务。因此,气象界,尤其是这三个国家,在数值方法和计算模型方面已有大量专业知识。 

但是,虽然天气模型仅从当前条件的数据开始模拟几天,但大气环流模型必须模拟长期稳定的模式,这意味着早期天气预报模型中对运动方程的许多简化在GCM中不起作用。20世纪50年代的天气模型都忽略了与短期天气预报无关的快速波动。但这些简化使模型在较长时间内不稳定。大气会逐渐失去能量,有时空气和水分也会失去,以至于无法形成现实的气候模式。对大气环流建模感兴趣的少数科学家开始与更大的数值天气预报团体产生分歧,选择专注于内置质量和能量守恒的方程和数值算法版本,以提供稳定的长期模拟。

1955年,美国气象局成立了一个普通环流研究实验室,专门以菲利普斯的成功为基础。它由Joseph Smagorinsky领导,他是ENIAC气象建模团队该实验室最初位于华盛顿特区郊外,经历了多次更名和搬迁,现在是普林斯顿大学的地球物理流体动力学实验室(GFDL),目前仍是普林斯顿大学主要的气候模拟实验室。

1959年,Smagorinsky从东京招募了年轻的日本气象学家Syukuro Manabe,他们开始研究原始方程模型。像菲利普斯一样,他们从一个只代表一个半球的模型开始。Manabe专注于模型的数学结构,而Smagorinsky则雇佣了一支庞大的程序员团队来开发代码。到1963年,他们开发了一个九层大气模型,在大气和表面之间交换水分而不是热量。然而,这颗行星的表面是平坦的,毫无特色——这是一个连续的沼泽,水可以从中蒸发,但它本身没有内部动力。该模型可以模拟穿过大气层的辐射,与水蒸气、臭氧和二氧化碳相互作用。像大多数早期的全球气候模型一样,该模型捕捉到了现实的全球模式,但许多细节是错误的。 

与此同时,在加州大学洛杉矶分校(UCLA),气象系副主任耶鲁·明茨(Yale Mintz)招募了另一位年轻的日本气象学家荒川昭夫(Akio Arakawa),帮助他建立自己的大气环流模型。自1961年起,明茨和荒川开发了一系列模型,由明茨提供理论指导,荒川在该系研究生的帮助下设计模型。到1964年,他们的模型用两层大气和真实的地理描述了整个地球。

计算上的局限性决定了这两个团队必须做出的选择。例如,GFDL团队仅对北半球进行了建模,其表面没有特征,因此他们可以在大气层中放置更多层,而加州大学洛杉矶分校团队则选择了相反的路线:一个完整的全球模型,具有真实的大陆和海洋布局,但只有两层大气。

早期预警信号

与此同时,20世纪50年代初,加利福尼亚斯克里普斯海洋学研究所的海洋学家在新任所长罗杰·雷维尔(Roger Revelle)的领导下,正在调查核武器试验产生的放射性沉降物在海洋中的扩散情况。他们的工作得到了美国军方的资助,他们需要知道海洋吸收这些污染物的速度,以评估对人类健康的风险。但Revelle还有许多其他研究兴趣。他读到了化石燃料中的二氧化碳可以使地球变暖的想法,并意识到放射性碳年代测定可以用来测量海洋吸收二氧化碳的速度。Revelle理解社区努力的重要性,因此他说服了许多同事进行类似的分析,并在1957年发表的三篇论文(Craig,1957;Revelle&Süess,1957和Arnold&Anderson,1957)中,该小组展示了他们的结果。

他们都发现了一个一致的模式:海洋表层不断地从大气中吸收二氧化碳,所以平均来说,一个二氧化碳分子在大气中只停留了大约7年,然后才溶解到海洋中。但地表水也会释放二氧化碳,尤其是当它们在阳光下变暖时。因此,大气和地表水不断交换二氧化碳分子,任何额外的二氧化碳最终都会在它们之间共享

这三篇论文都证实了表层海水与深层海洋的混合程度不高。因此,任何额外的碳都需要数百年才能进入更深的水域。其影响是显而易见的——海洋吸收二氧化碳的速度远不及我们产生二氧化碳的速度。

这些发现在地球科学界敲响了警钟。如果这是正确的,气候变化的影响将在几十年内显而易见。但如果没有数据,很难测试他们的预测。在斯克里普斯,Revelle聘请了一位年轻的化学家David Charles Keeling开始详细测量。1958年,基林在夏威夷的莫纳罗亚建立了一个观测站,并在南极建立了第二个观测站。这两个观测站距离任何主要排放源都足够远,可以对大气中的二氧化碳进行可靠的基线测量。几年后,南极站的资金被削减,但基林设法让这些录音在莫纳罗亚继续进行,今天仍在那里定期收集。两年内,基林有足够的数据证实了博林和爱立信的分析:大气中的二氧化碳水平正在急剧上升.

基林的数据有助于在海洋和大气科学研究界迅速传播对这一问题的认识,尽管其他领域的科学家仍然不知道这一问题。一些科学家对二氧化碳水平上升速度的影响感到担忧,并提醒该国政治领导人。1964年,当林登·约翰逊总统委托编写一份关于环境状况的报告时,总统科学咨询委员会邀请了一个小型小组委员会,其中包括Revelle、Keeling和Smagorinsky,为该报告编写附录,重点关注气候变化的威胁。因此,1965年2月8日,约翰逊总统在国会演讲中成为第一位提及气候变化威胁的世界主要领导人:“这一代人通过化石燃料燃烧产生的二氧化碳的稳定增加,改变了全球范围内的大气成分。”

气候建模起飞

因此,就在大气环流模拟社区建立之际,对二氧化碳问题的认识正在科学界迅速传播。然而,还不清楚全球环流模型是否适合这项任务。计算能力有限,尚不可能长时间运行这些模型来模拟气候变化将发生的几十年或几百年。此外,第一代GCM进行了如此多的简化,它们似乎不太可能模拟出增加CO2的效果,这不是它们设计的目的。

为了正确地做到这一点,模型需要包括地表、大气层和空间之间的所有相关能量交换。这意味着一个模型能够准确地捕捉到大气的垂直温度分布,以及辐射、对流、蒸发和降水的过程,所有这些都是垂直移动能量的。这些过程都没有在原始方程中得到充分的捕捉,因此它们都需要作为参数化方案添加到模型中。

GFDL的斯马戈林斯基(Smagorinsky)和马纳贝(Manabe)是唯一准备在全球循环模型中进行二氧化碳实验的小组。他们的九层模型已经捕捉到了大气的一些垂直结构,在来访的德国气象学家Fritz Möller的帮助下,Suki Manabe从一开始就建立了详细的辐射代码。到1967年,Manabe有了一个大气全高度相关热交换的模型,并与他的同事Richard Wetherald一起出版了现在公认的第一个精确的气候变化计算实验[Manabe和Wetherald1967年]。

为这个实验运行一般循环模型的计算成本仍然太高,所以他们忽略了所有的水平热交换,而是建立了一个仅包含单个大气柱的一维模型。该模型可分为9层或18层,包括通过塔的上下辐射、对流换热以及水的蒸发和冷凝潜热的影响。Manabe和Wetherald首先在当前大气条件下测试了该模型,以检查它是否能够再现大气中正确的温度垂直分布,这一点做得很好。然后,他们将模型中的二氧化碳含量增加了一倍,并再次运行。他们发现整个低层大气的温度都上升了,地表温度上升了约2°C,而平流层则出现了相应的降温。这种模式在低层大气中升温,在平流层中降温,在所有现代全球气候模型中都能看到,但直到2000年代才被卫星读数证实。

到了20世纪70年代中期,一大批科学家在各种简化模型中复制了Manabe和Wetherald的实验,尽管要在全三维GCM中运行该实验需要将近十年的时间。但社区开始使用这个词气候模拟1975年,两位NCAR科学家Steven Schneider和Robert Dickinson将这一术语用作该领域综合调查的标题,这一术语得到了更大的推动。值得注意的是,他们的论文[Schneider和Dickinson,1974年]列举了150多位作者的工作,他们发表了1967-1975年期间的气候建模工作,这是在Manabe和Wetherald的原始实验之后。

然而,要使大气环流模型达到同样可以运行全球的气候变化实验。也许不足为奇的是,1975年,Manabe和Wetherald也是第一个这样做的人。他们的GCM对二氧化碳倍增实验产生了更高的结果,即平均表面变暖3°C,他们将此归因于雪地反馈,该反馈包含在GCM中,但不包含在他们最初的单柱模型中。他们的实验[Manabe和Wetherald 1975]也显示了Arrhenius首先注意到的一个重要影响:极地的变暖比赤道的变暖大得多,因为极地温度对热量逃逸到太空的速度变化更敏感。他们的模型预测,另一个效应——全球变暖将加速蒸发和降水,从而产生更强烈的降雨。这一预测已经在2010年代极端天气事件的快速上升中得到了证明。

事后来看,Manabe的简化模型对未来气候变化做出了非常准确的预测。Manabe利用他的早期实验预测,到2000年,温度将上升约0.8°C,假设20世纪的二氧化碳含量增加了25%。马纳贝关于二氧化碳增加速率的假设几乎是正确的,他对由此引起的温度升高的计算也是正确的。二氧化碳含量从1900年的约300ppm上升到2000年的370ppm,上升了23%。这一时期的温度变化,在HadCRUT5数据集中计算为十年平均值的变化,为0.82°C。【Hausfather等人2020年】。

工具书类

Arnold,J.R.和Anderson,E.C.(1957年)。碳-14在自然界中的分布.泰勒斯,9(1), 28–32.

Craig,H.(1957)。放射性碳的自然分布和二氧化碳在大气和海洋之间的交换时间.泰勒斯,9(1), 1–17.

Hausfather,Z.、Drake,H.F.、Abbott,T.和Schmidt,G.A.(2020年)。评估过去气候模型预测的性能.地球物理研究通讯,47(1) ,2019GL085378。

Manabe,S.和Wetherald,R.T.(1967年)。给定相对湿度分布的大气热平衡.大气科学杂志.

Manabe,S.和Wetherald,R.T.(1975年)。CO2浓度加倍对大气环流模式气候的影响.大气科学杂志,32(1), 3–15.

Revelle,R.和Suess,H.E.(1957年)。过去几十年大气和海洋之间的二氧化碳交换与大气二氧化碳增加问题.泰勒斯,9(1), 18–27.

Schneider,S.H.和Dickinson,R.E.(1974年)。气候建模.地球物理学评论,12(3), 447.

气象学家Norman Phillips上周去世,在95岁的高龄当我在即将出版的书《计算气候》(Computing the Climate)中描述他的工作时,我从手稿中摘录了这篇文章,以纪念他对气候建模的贡献——他不仅创建了第一个全球环流模型,而且他的模型中的思想引发了我们如何使用计算机模拟气候系统的一场革命。 1940年代末,朱尔·查尼(Jule Charney)和他的气象学家团队在普林斯顿大学(Princeton)开发了第一个数值预报模型,该模型获得成功后不久,我们加入了这个故事。团队中有一位年轻的诺曼·菲利普斯…

20世纪50年代,普林斯顿高等研究院(IAS)的朱尔·查尼(Jule Charney)领导的一个气象学家团队将运动方程转化为一个可以计算天气的程序。1950年3月,他们的预测模型在ENIAC上成功试行,这让他们欣喜若狂,他们急于想办法扩大预测范围。在几年内,他们对24小时,有时甚至36小时做出了一些相当好的预测,尽管在20世纪50年代初,他们还不能始终如一地做到这一点。为了更好的预测,他们需要更好的模型和更好的数据。

由于计算能力有限,观测数据有限,他们的早期模型仅设计用于覆盖全球的一部分——北美地区。这意味着他们正在模拟一个“开放”系统。在真实世界中,模型中包含的大气部分与模型外部的部分相互作用,自由交换质量和能量。如果其他地方的风暴系统进入该地区,该模型无法模拟这种情况,因为它没有关于其边界以外正在发生什么的信息。

在最初的模型中,Charney忽略了这个问题,并将边界条件视为固定的。他在模型主网格的每个边缘添加了一条额外的网格点,其中的条件被视为常量。当模拟计算网格内每个点的下一个大气状态时,这些边缘点只保留其初始值。这种简化大大限制了天气预报的准确性。随着模拟的进行,这些边缘点的值将越来越不符合实际情况,这些误差将通过网格向内传播。要获得更长的预测时间,比如说几周,而不是几天,需要更好的解决方案。对于长期预测,计算机需要跳出常规思维。

最明显的方法是将电网扩展到覆盖全球,使其成为一个“封闭”系统。这将只留下两个更简单的边界。在大气层的顶部,能量来自太阳,然后被释放回太空。但没有气团越过该边界,这意味着没有明显的边界扰动。在底部,大气与地球表面接触,情况更为复杂,因为热量和水分都越过了边界,水从陆地和海洋蒸发,最终以雨和雪的形式返回。但与大气中的运动相比,这种影响很小,因此可以忽略不计,至少对于20世纪50年代后期的粗粒度模型来说,在模拟中会直接纳入地表和大气之间的这种交换。

在普林斯顿大学的团队中,诺曼·菲利普斯是第一个创建全球工作模式的人。由于可用的计算机功率仍然相对较小,为现有的预测模型扩展网格是不可行的。相反,菲利普斯采取了不同的方法。他删除了真实行星的许多特征,模型几乎与地球完全不同。

为了简化事情,他将地球表面视为光滑无特征的。他使用了一个17×16的网格,与最初的ENIAC模型没有什么不同,但将东部边缘的单元与西部边缘的单元连接起来,因此网格没有固定的东西边界,而是围绕在周围,就像是一个圆柱形行星[1]。在网格的北部和南部边缘,该模型的表现就像是有坚固的墙一样——大气对墙的运动会再次反射回来。这种整体形状简化了事情:通过连接东边缘和西边缘,模型可以模拟环绕地球的气流,但菲利普斯不必计算出网格单元在两极交汇的复杂几何形状。

这个模拟的圆柱形行星的尺寸与查尼最初的天气模型相似,因为它使用了相同的方程。菲利普斯的网格点东西方向相距375公里,南北方向相距625公里。这就产生了一个虚拟行星,其周长小于地球周长的1/6,但其高度几乎与地球从极点到极点的高度相同。一个又高又薄的圆柱形地球。

为了进一步简化,菲利普的圆柱模型只代表了地球的一个半球。他包括了网格南端的加热效应,代表赤道从太阳接收最多的能量,以及模型北端的冷却效应,代表北极向太空散热时的冷却[2]。大气被表示为两层空气,每一层都是Charney最初的单层模型的一个版本。因此,网格总共有17x16x2个单元,它运行在一台具有5KB RAM和10KB磁鼓内存的机器上。选择这个网格并不是偶然的:IAS机器的内部内存可以存储1024个数字(它有1024个字,每个40位长)。菲利普选择的网格意味着全球大气的单一状态可以用大约500个变量来表示[3],因此只占用了机器一半的内存,剩下一半用于计算下一个状态。

为了初始化模型,菲利普斯决定根本不用考虑观测数据。无论如何,这将是很困难的,因为模型的几何形状与地球不相似。相反,他在休息时以均匀的氛围开始。换句话说,每个网格点都以相同的值开始,就好像任何地方都没有风一样。在大气静止的情况下启动一个模拟模型,并希望这些方程能够开始生成真实的天气模式,这是一个大胆的想法,也许也是一个疯狂的想法。

这也是对模型中方程的最终测试:如果它们能够使虚拟大气以真实的方式运动,这意味着没有遗漏任何重要的内容。今天,我们称之为加速跑。今天全球气候模型中的海洋和大气成分是以这种方式开始的。然而,今天的模型的旋转运行是昂贵的,因为它们需要在超级计算机上花费大量时间,并且在模型稳定下来之前,模拟结果是无法使用的。特别是海洋具有巨大的惯性,因此现代海洋模型可能需要数百年的模拟时间才能产生稳定而逼真的洋流,这通常需要在超级计算机上运行数周。因此,螺旋上升通常只运行一次,螺旋上升结束时的状态用作要在模型上运行的所有科学实验的开始状态。

到1955年,菲利普成功运行了他的全球仿真模型。运行开始后,模拟的大气并没有静止。模型的基本方程包括移动大气的力:重力、科里奥利力、空气升温和降温时的膨胀和收缩,以及空气从高压区向低压区的移动。当热量向南边进入大气层时,模型中的方程使空气膨胀、上升并向北移动,就像现实生活中一样。在科里奥利力的作用下,这个移动的气团慢慢地向东卷曲。该模型形成了自己稳定的射流。
在他的早期测试中,Phillips能够运行该模型一个月的模拟时间,在此期间,该模型生成了一个真实的喷气流,并为月度和季节性天气统计提供了良好的结果。不幸的是,由于算法中的数值错误会累积,使模型运行时间超过一个月被证明是困难的。在后来的工作中,菲利普斯解决了这些问题,但到那时,整整一代更现实的全球气候模型正在出现。

菲利普斯的模型并不是一个预测模型,因为它并没有试图与地球大气层的任何实际条件相匹配。但事实上,它可以模拟现实模式,这使它成为一个令人兴奋的科学模型。它为使用计算机模型提高我们对气候系统的理解打开了大门。由于该模型可以根据第一原理生成典型的天气模式,因此这样的模型可以开始回答有关影响气候和驱动区域差异的因素的问题。显然,对于那些对一般模式——气候——而不是某一天的实际天气——感兴趣的科学家来说,远程模拟模型是可能的。

尽管菲利普斯的模型过于简单化,但它被视为向前迈出的一大步,现在被誉为第一个大循环模型。IAS负责人约翰·冯·诺依曼(John von Neumann)非常激动,在几个月内,他说服美国气象局、空军和陆军联合资助一项重大的新研究项目,以进一步发展这项工作,目前每年的资金为200万美元。这项新的研究项目最初被称为一般环流研究科[4],位于马里兰州气象局的计算设施内,最终发展成为今天的地球物理流体动力学实验室(GFDL),是全球领先的气候建模研究实验室之一。冯·诺依曼随后于1955年10月在普林斯顿召开了一次会议,讨论环流模型的前景。菲利普斯的模型是会议的亮点,但主题也包括数值算法的稳定性,如何改进降水(雨雪)预测,以及在模型中纳入温室气体作用的必要性。

冯·诺依曼(von Neumann)在会议开幕词中将天气预报分为三个不同的问题。他认为,短期天气预报在几天内完全由初始值决定。更好的数据将很快提供更好的预测。相反,像菲利普斯模型一样,长期预测在很大程度上不受初始条件的影响。冯·诺伊曼(Von Neumann)认为,通过对全球大气环流模式进行建模,“无限预测”是可能的——一种可以无限期重现气候系统大规模模式的模型。但他认为,最困难的预测问题在于这两者之间:中期预测,这是由初始条件和总环流模式决定的。他的评估是正确的:短期天气预报和全球环流模型在接下来的几十年里都发展迅速,而中期预报(以月为单位)仍然是当今的一大挑战。

不幸的是,冯·诺依曼活得不够长,没能看到他的预言。同年,他被诊断出患有癌症,两年后于1957年2月去世,享年53岁。气象队在普林斯顿大学的教员中不再有冠军。查尼和菲利普斯前往麻省理工学院任职,菲利普斯很快将担任该学院气象系主任。IAS气象项目为启动计算机化天气预报做了大量工作,但很快就关闭了。然而,它的影响一直存在,整整一代年轻气象学家在世界各地建立了新的研究实验室来开发这项技术。


笔记:

[1] 虽然网格的几何形状可以被视为圆柱体,但菲利普斯使用了一个适用于球形行星的可变科里奥利因子,这意味着他的人造行星不会像圆柱体一样旋转——科里奥利力会变得更强,你越往北移动。这对于形成喷射流至关重要。严格地说,圆柱形行星,如果它可能存在的话,就不会有科里奥利力,因为这种影响来自于朝向两极的曲率。菲利普斯(Phillips)把它包括在方程式中,看看它是否还会产生喷射流。有关详细信息,请参见:Lewis,J.M.(1998)。阐明大气环流的动力学:菲利普斯1956年的实验。美国气象学会公报,79(1), 39–60.

[2] 这是在模型中使用加热参数作为纬度的线性函数来实现的,最大加热在南部边缘,最大冷却在北部边缘,中间的点相应缩放。正如菲利普斯指出的那样,这与真实的行星不太相似,但它足以产生与真实大气相似的稳定循环模式。见Phillips,N.A.(1956年)。大气环流:一个数值实验.英国皇家气象学会季刊,82(352), 123–164.

[3] 实际上,网格只有17×15,因为它是环绕的,最西的网格点与最东的网格点相同。因此,两个大气水平面中的每一个都可以表示为一个由255个元素组成的位势阵列。(见Lewis,1998)

[4] 约瑟夫·斯马戈林斯基(Joseph Smagorinsky)是负责ENIAC预测的团队的另一名成员,被任命为该项目的负责人。参见Aspray,W.(1990)。约翰·冯·诺依曼和现代计算的起源麻省理工学院出版社。请注意,冯·诺依曼(von Neumann)的原始提案全文转载于Smagorinsky,J.(1983)。数值天气预报和大气环流模拟的起源:早期记忆.地球物理学进展,25,3–38。

以下是我即将出版的《计算气候》一书的草稿摘录。

地球的温度可以作为一个数学问题进行分析的想法是由法国数学家首先提出的,傅立叶19世纪20年代。傅里叶研究了昼夜、夏季和冬季之间温度的升降周期,并测量了这些加热和冷却周期到达地面的深度。事实证明,他们没有深入到很深的地方。在地表以下约30米处,温度全年保持不变,没有任何每日或每年变化的迹象。如今,傅立叶最为人所铭记的可能是他在此类循环数学方面的工作,以及傅里叶变换一种在复杂数据序列中发现循环波形的技术,以他的名字命名。

任何物体的温度都是由进入和离开它的热量的平衡决定的。如果有更多的热量进入,物体就会变暖,如果有更多热量离开,物体就会冷却。傅里叶指出,就整个行星而言,只有三种可能的热源:太阳、地核和来自太空的背景热。他的测量表明,地核的热量不再使地表变暖,因为热量通过岩层的扩散速度太慢,无法产生明显的差异。他认为,太空本身的温度可能与地球上最冷的温度大致相同,这可以解释为什么在漫长的极地冬季,两极的温度会达到如此之高。在这一点上,他错了-我们现在知道空间接近绝对零度比地球上任何地方都冷几百度。但他认为太阳是地球表面的主要热源是正确的。

傅里叶还意识到,故事中肯定有更多的东西,否则太阳的热量会以同样快的速度逃逸到太空,导致夜间温度下降到太空的温度,但事实并非如此。我们现在知道这就是月球上发生的情况,月球日落后,温度下降了数百度。那么,为什么地球上不会发生这种情况呢?

解决办法在于“暗热”的行为,这一概念对十九世纪初的科学家来说是新的和神秘的。今天我们称之为红外线辐射。傅里叶将其称为“辐射热”或“暗光线”,以区别于“光热”或可见光。但实际上,它们只是电磁频谱的不同部分。任何比周围环境温度更高的物体都会不断向周围环境辐射部分热量。如果物体足够热,比如说炉子,如果你把手放在它附近,你就能感觉到这种“暗热”,尽管在我们感觉到它发出的红外线之前,它必须变得相当热当你加热一个物体时,它所散发的热量将光谱从红外线扩展到可见光,它开始发出红色的光,然后,最终发出白热的光。

傅里叶的理论非常简单。由于太阳很热,它的大部分能量以可见光的形式到达,相对来说,可见光更容易通过大气层并使地球表面变暖。由于地球表面是温暖的,它也会辐射能量。地球比太阳冷,所以地球辐射的能量是以暗热的形式存在的。暗热量不像光热那样容易通过大气层,因此这减缓了能量返回太空的速度。

地球表面的温度是由太阳辐射进来的热量(短波射线,主要是可见光和紫外线)和从地球向各个方向辐射出去的红外线之间的平衡决定的。入射的短波射线比射出的长波红外线更容易穿过大气层。

为了解释这个想法,傅里叶用了一个与热箱的类比,一种由探险家发明的太阳能烤箱霍勒斯·贝内迪克特·德·索绪尔热箱是一个隔热性很好的木箱,里面漆成黑色,盖子里有三层玻璃。德索绪尔(De Soussure)曾证明,太阳会将盒子内部加热到100°C以上,而且即使在勃朗峰(Mont Blanc)的顶部,这个温度也保持了显著的一致性,因为那里的外部空气要冷得多。玻璃可以让阳光透过,但会减慢热量逸出的速度。傅立叶认为,大气中的空气层通过捕获散发的热量,发挥着与热箱内的玻璃板类似的作用;就像热箱中的空气一样,地球会比周围环境温度更高。一个世纪后,傅里叶的理论被称为“温室效应”也许是因为大多数人对温室比对热箱更熟悉.

虽然傅里叶已经观察到空气确实会吸收一些来自地面的暗热量,但直到这位英国科学家之前,还不清楚为什么会这样约翰·廷德尔19世纪50年代进行了一系列实验,以测量这种“暗热”在不同气体中的传播情况。廷达尔的实验使用了一个四英尺高的铜管,两端用透明的盐晶玻璃圆盘密封,但效果并不好,因为它还能阻挡黑暗的热量。这个管子可以装满不同种类的气体。一端的一桶沸水提供了热源,另一端的电流计将通过管子接收的热量与第二桶沸水的热量进行了比较。

廷德尔的实验设备,用于测试不同气体的吸收特性。首先排空铜管,通过移动屏幕校准设备,直到两个热源的温度读数相等。然后将待测气体泵入铜管,并记录电流计的偏转变化。(图改编自廷达尔,1861年)

当廷达尔用干燥空气、氧气或氮气填充管子时,变化很小。但当他把乙烯充入烃类气体时,管端的温度急剧下降。这是如此令人惊讶,以至于他首先怀疑设备出了问题——气体与盐发生反应,使末端不透明?在重新测试了设备的各个方面后,他最终得出结论,是乙烯气体本身阻挡了热量。他继续测试了数十种其他气体和蒸汽,发现更复杂的化学物质,如酒精和油的蒸汽,是最强的吸热器,而纯元素,如氧气和氮气,效果最小。

为什么有些气体允许可见光通过,但阻挡红外线?事实证明,每种气体的分子都会对不同波长的光做出反应,这取决于分子的形状,类似于合适波长的声波可以引起酒杯共振的方式。每种类型的分子都会在特定波长的光照射到它时发生振动,使其拉伸、收缩或旋转。所以分子获得了一点能量,而光线失去了一些能量。科学家们利用这一点来确定遥远恒星中的气体,因为每种气体都会在经过它的白光的光谱中形成不同的黑线图案。

廷达尔注意到,由一种以上元素组成的气体,如水蒸气(H2O)或二氧化碳(CO2),从红外线中吸收的能量往往比由单一元素(如氢或氧)组成的气体要多。他认为这提供了原子键的证据:如果水只是氧原子和氢原子的混合物,这就不会发生。在这一点上,他是部分正确的。我们现在知道,重要的不仅仅是分子键的存在,而是分子是否不对称——毕竟,氧气分子(O2)也是键合在一起的原子对。分子结构越复杂,不对称性就越强,键的振动和自旋模式也越多,这使得它们能够吸收更多不同波长的能量。今天,我们把吸收部分红外光谱的气体称为温室气体甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)等化合物比二氧化碳吸收更多波长的能量,使其成为更强的温室气体。

廷德尔的实验表明,即使温室气体只存在很少量,它们也能吸收红外线。增加气体浓度会增加吸收的能量,但只会达到一定程度。一旦浓度足够高,添加更多的气体分子就没有进一步的影响——气体吸收带中的所有光线都被阻挡了,而其他波长的光线则不受影响地通过。今天,我们称之为饱和。

廷达尔的结论是,由于大气中含有丰富的水蒸气,水蒸气是大部分热量聚集的原因,其次是二氧化碳。他测试的其他一些蒸汽具有更强的吸收效果,但在大气中非常罕见,对整体效果影响甚微。廷德尔清楚地理解了他的实验对地球气候的影响,他认为这解释了为什么沙漠等干旱地区的气温一夜之间的下降幅度远大于潮湿地区。1861页在描述他的实验结果时,廷达尔认为,水蒸气和二氧化碳水平的任何变化“都会导致气候变化”。他推测,“事实上,这种变化可能产生了地质学家研究揭示的所有气候突变”。

我最近正在对加拿大的气候目标进行研究,发现了这张图表,作为加拿大的预期国家决定贡献(INDC)根据《巴黎协议》:

加拿大-印度中央银行承诺

看起来不错吧?当然,它传达了一个信息,即加拿大正沿着正确的轨道前进,2030年的目标雄心勃勃(与一切照旧的道路相比)。气候变化解决了,嗯?

但这张图表是一个误导的史诗般的例子。这是另一张图表,它采用了同样的技巧,这次是从政府气候变化网站显然是为了使2030年的目标看起来雄心勃勃:

ghg任务趋势_2016_en

所以我下载了数据制作了我自己的图表,增加了一点视角。我想谈谈上述图表代表宣传而非证据的几种方式:

  • 通过切断5亿吨的Y轴,图表隐藏了气候政策真正的长期循证目标:零排放;
  • 加拿大过去一直未能实现任何气候目标,而图表似乎表明我们做得相当好;
  • 该图表合并了两种不同的度量。显示实际排放量的曲线不包括林业净排放量(官方称为土地利用、土地利用变化和林业土地利用的变化和林业变化),而加拿大完全打算将其纳入实现2030年目标的核算中。因此,如果你将目标与排放量绘制在同一张图表上,诚实的原则是你应该相应地调整目标。

这是我的“全视角”图表。请注意,这里用灰色显示的第一个目标是20世纪90年代初一度的自由党政策;剩下的是联邦政府的官方目标。每一项都与他们首次提出的年份有关。加拿大的“公平努力”来自ClimateActionTracker的分析:

加拿大气候目标2

当然,正确的长期碳排放目标是零。 每排放一吨二氧化碳就会使问题变得更糟一旦我们排放出这些温室气体,就没有魔法仙女能将其从大气中清除。因此,在我们实现零排放之前,我们正在使问题变得更糟,地球也在不断变暖。更糟糕的是,要使我们保持在联合国规定的2°C变暖上限以下,唯一可行的途径就是让我们做得更好:我们必须在本世纪末之前实现碳负排放。

误导加拿大政府的图表不会帮助我们走上正确的轨道。

这是我即将出版的书《计算气候》(Computing the Climate)初稿的摘录。

虽然模型在整个科学中都有使用,但“模型”一词对于不同领域的科学家来说可能意味着非常不同的东西。这可能会引起很大的混乱。我经常遇到气候科学以外的科学家,他们认为气候模型是观测数据的统计模型,这些模型的未来预测必须只是对过去趋势的推断。为了进一步混淆,气候政策分析中使用的一些模型是这样的。但是,支持我们了解气候变化发生原因的物理气候模型与统计模型有着根本的不同。

科学哲学家作出的一个有用的区分是现象模型、和数据模型前者包括物理学家和工程师为捕捉因果关系而开发的模型。这些模型来源于理论和实验解释力:模型捕获了事情发生的原因。另一方面,数据模型描述了观测数据中的模式,如随时间变化的相关性和趋势,而不考虑它们发生的原因。例如,统计模型描述了数据中的常见模式(分布),而没有说明是什么导致了这些模式。这简化了描述和分析模式的工作:如果你能找到一个与你的数据相匹配的统计模型,你可以将数据减少为几个参数(有时只有两个:平均值和标准偏差)。例如,任何一大群人的身高都会遵循正常的分布——钟形曲线——但这个模型并不能解释为什么高度会这样变化,也不能解释将来是否总是这样。近年来,来自机器学习的新技术扩展了这类模型的功能,允许通过“训练”算法来发现更复杂的模式,从而找到更复杂的类型。

统计技术和机器学习算法擅长发现数据中的模式(例如“A和B似乎总是一起变化”),但无法解释为什么会出现这些模式。为了克服这一点,许多科学分支使用统计方法和受控实验,因此,如果我们在仔细操纵条件后发现数据中的模式,我们可以认为我们在实验中引入的变化引起这种模式。在对照实验中识别因果关系的能力与所使用的统计模型无关——它来自实验设计的逻辑。只有当实验设计得当,对结果的统计分析才能提供对因果关系的任何见解。

不幸的是,对于一些科学问题,实验是困难的,甚至是不可能的。气候变化就是一个很好的例子。尽管有可能控制气候(正如我们目前正在做的那样,通过增加更多的温室气体),但我们无法建立一个仔细控制的实验,因为我们只有一个星球可以使用。相反,我们使用数值模型来模拟因果因素,这是一种虚拟实验。在因果模型中进行的实验不一定能告诉我们现实世界中会发生什么,但它通常会提供一条非常有用的线索。如果我们在因果模型中多次运行虚拟实验,在稍微不同的条件下,我们可以返回到统计模型来帮助分析结果。但是,如果没有建立实验的因果模型,统计分析不会告诉我们很多。

传统的统计模型和现代机器学习技术都是脆弱的,因为它们在面对模型数据中没有捕捉到的新情况时会挣扎。预测到未来的观察到的统计趋势只有在未来与过去相似时才可用作预测;如果导致趋势变化的条件发生变化,这将是一个非常糟糕的预测。特别是气候变化可能会把我们所有的统计模型搞得一团糟,因为未来将与过去大不相同。相比之下,只要物理定律仍然成立,基于物理定律的因果模型将继续给出良好的预测。

现代气候模型包含这两种模型的元素。气候模型的核心要素从基本物理中捕捉因果关系,例如大气的热力学和辐射特性。但这些元素被云等现象的统计模型所补充,而云等现象还没有被很好地理解。在很大程度上,我们对气候模型未来预测的信心来自于基于物理定律的因果模型部分,而这些预测中的不确定性来自于对不太了解的现象进行统计总结的部分。多年来,气候模型的许多改进都来自于删除了一个基于统计模型的组件,并将其替换为因果模型。我们对这些模型中因果成分的信心来自于我们对物理定律的了解,也来自于我们在模型中进行了大量的虚拟实验,以检查我们是否在模型中正确地捕捉到了这些定律,以及它们是否真的解释了过去观察到的气候模式。

理解气候变化的最大挑战之一是,所涉及的时间尺度远远超过了大多数人习惯思考的时间尺度。加维指出这使得气候变化不同于任何其他道德问题,因为其原因和后果都是跨越时间和空间的:

“有一种感觉,我的行为和我现在同伴的行为与我父母、祖父母和曾祖父母过去的行为联系在一起,我们的行为所产生的影响在未来数百年甚至数千年都会被感受到。在某种程度上,我们仍然坚持我们现在的生活,这也是事实,因为我们的过去。我所采取的让我温暖、干燥和吃饱的小小行动,部分是因为那些早已死去的人所做的选择。即使我不想燃烧化石燃料,我也深植于这样一种文化中。”(加维,2008年,第60页)

部分问题在于,物理气候系统对我们额外的温室气体排放反应迟缓,同样也反应迟缓减少排放量。第一部分是对气候变化基本理解的核心,因为它是平衡气候敏感性(粗略地说是大气中CO2浓度每增加一倍的预期温度上升)。随着时间的推移,额外的温室气体吸收的额外热量逐渐增加,地球变暖缓慢,但海洋的热质量如此之大,这一变暖过程需要几十年才能完成。

不幸的是,第二部分,即地球需要很长时间来应对排放量的减少,这很难解释,主要是因为人们普遍认为二氧化碳会像其他污染物一样,一旦我们停止排放,这些污染物就会很快从大气中冲走。这种假设是对气候变化常见的观望反应的基础,因为它引发了一种神话,即一旦我们认真对待气候变化(例如,因为我们开始看到重大影响),我们就可以很快解决问题。不幸的是,这根本不是真的,因为二氧化碳是一种长寿命的温室气体。在几十年的时间里,大约一半的人类二氧化碳排放被海洋和土壤吸收。剩余的二氧化碳留在大气中有几个自然过程可以从大气中去除剩余的二氧化碳,但它们需要数千年的时间这意味着,即使温室气体排放为零,我们也可能会在几个世纪里一直承受着地球变暖带来的生命后果。

因此,物理气候系统向我们呈现了两种形式的惯性,一种是由于温室气体排放而延迟变暖,另一种是因为排放减少而延迟变暖的减少:

  1. 热惯性行星表面的热量(主要是由于海洋),通过这些热量,行星可以在数年内持续吸收额外热量,然后对表面温度产生重大影响。(规模:几十年)
  2. 碳循环惯性通过这种方法,二氧化碳只会很缓慢地从大气中清除,并且只要存在,就会持续变暖。(规模:几十年到几千年)

有关这些形式的惯性如何影响未来变暖情景的更多信息,请参阅我关于承诺战争的帖子g、。

但这些并不是唯一重要的惯性形式。社会经济体系中也存在各种惰性,减缓了我们应对气候变化的速度。例如,戴维斯.试图量化所有现有能源基础设施(发电厂、工厂、汽车、建筑等,已经存在并正在使用)的排放量,因为即使在最乐观的情况下,用清洁能源替代所有这些基础设施也需要几十年的时间。这是他们分析的一个例子,假设我们已经构建的东西不会提前退役。这一假设是合理的,因为(1)我们很少愿意承担基础设施过早退役的成本,(2)在满足日益增长的需求的同时,要快速建造足够的新清洁能源基础设施来替换已经磨损的材料将非常困难。

基础设施惯性

现有基础设施的预计持续二氧化碳排放量。仅包括初级基础设施,即直接释放二氧化碳的基础设施(例如汽车和卡车),但不包括鼓励持续生产排放二氧化碳的设备的基础设施。(例如,美国州际公路网)。摘自Davis等人,2010年。

这就是惯性的第三种形式:

  1. 基础设施惯性从现有的能源基础设施,因为温室气体的排放将继续从我们过去建造的一切,直到它可以被取代。(规模:几十年)

几十年来,我们已经知道气候变化的威胁,各国政府和国际谈判都试图应对,但进展甚微。这表明我们应该能够命名和量化更多形式的惯性。要做到这一点,我们需要审视更广泛的社会经济体系,它应该使我们作为一个社会能够应对气候变化的威胁。以下是该系统的示意图,作为系统动态模型:

社会地球物理系统。标有“+”的箭头表示积极的影响链接(“X的上升会导致Y的上升,X的下降会导致Y下降”)。标有“-”的箭头表示负链接,其中X的上升往往导致Y的下降,反之亦然。标有水龙头的箭头是堆积链接:即使X下降,Y也会继续上升,直到X达到净零。

从广义上讲,脱碳既需要技术的改变,也需要人类行为的改变。但在我们这样做之前,我们必须认识到并同意存在一个问题,制定一套商定的协调行动来解决这个问题,然后实施政策转变和行为改变,以实现我们的目标。

首先,这个图表看起来很有希望:一旦我们意识到气候变化的严重性,我们就会采取相应的行动,从而减少排放,解决问题。换言之,碳排放量增加越多,他们就越应该推动社会反应,而这反过来(最终)又会减少排放。但该图表包含了一个微妙但重要的转折点:碳排放与大气浓度之间的联系是一个累积联系。即使排放量下降,大气中的温室气体数量也在继续上升。只有当碳排放量达到零时,后者才会停止上升。想想水龙头浴缸–如果减少进水量,浴缸中的水位仍会上升,直到你完全关闭水龙头。

更糟糕的是,图中隐藏着更多形式的惯性,因为每个因果联系都需要时间来操作。我给出了这些额外的惯性源名称:

社会-地球物理气候系统中的惰性来源

社会-地球物理气候系统中的惰性来源

例如,有些形式的惯性会延迟温度升高对生态系统和人类社会的影响。大多数受气候变化影响的系统可以吸收较小的气候变化,而没有太大的差异,但随后会达到一个阈值,使其不再能够持续。我在这里描述了两种形式的惯性:

  1. 自然变化(或“信号到噪声”)惯性这是因为最初,由于气候变化导致的温度升高比每日和季节性天气模式的内部变化要小得多。因此,气候变化的“信号”需要很长时间才能从自然变化的噪音中显现出来。(规模:几十年)
  2. 生态系统恢复力.我们倾向于弹性作为一件好事,非正式地定义为系统在受到冲击后“反弹”的能力。但弹性也可以掩盖潜在的变化,这些变化会将系统推向一个无法恢复的阈值。因此,这种形式的惯性通过掩盖这种变化的影响而起作用,有时直到为时已晚。(规模:几年到几十年)

然后,一旦我们确定了气候变化的影响(无论是事前还是事后),就需要时间让这些影响成为公众关注的焦点,以便就行动的必要性达成共识:

  1. 社会弹性。人类社会适应性很强。当暴风雨摧毁我们的建筑时,我们只是把它们重建得更坚固一些。当干旱摧毁我们的作物时,我们只是发明了新的灌溉方式。就像生态系统一样,当受到持续变化的影响时,这种韧性是有限的。但是,我们耸耸肩、继续做事的能力,进一步推迟了公众对气候变化的关注。(规模:几十年?)
  2. 拒绝也许比人类的适应力更强的是,我们有能力愚弄自己,以为没有发生什么不好的事情,并寻找最符合证据的其他解释。否认是一种强大的惰性。否认阻止上瘾者承认他们需要寻求帮助来克服上瘾,也阻止我们所有人承认我们有化石燃料上瘾,需要帮助来解决它。(规模:几十年到几代?)

即便如此,公众的担忧也不会立即转化为有效的行动,因为:

  1. 个人主义对气候变化讨论的一个常见反应是鼓励人们在生活中做出个人改变:更换灯泡,少开车,少乘飞机。虽然这些事情在个人发现过程中很重要,通过帮助我们了解我们个人对世界的影响,它们是一种只有特权阶层才能采取的自愿行动,因此并不构成气候变化的系统解决方案。当我们生活在的系统驱使我们走向某种消费模式时,选择低碳生活方式需要花费大量时间和精力。因此,这种规模扩大的唯一途径是通过集体政治行动:让政府改变影响建筑和消费的法规和价格结构,并让政府和企业对减少温室气体排放负责。(规模:几十年?)

当我们认真对待协调行动的必要性时,还会有其他形式的惯性发挥作用:

  1. 缺少治理结构我们根本没有国家或国际层面的治理方式,无法制定有意义的政策工具来应对气候变化。京都进程之所以失败,是因为有权采取行动的国家政府的短期个人利益往往超过气候变化的长期集体威胁。巴黎协议是严重不足出于同样的原因。同样,国家政府也因需要对特殊利益集团(尤其是大公司)作出回应而受到阻碍,这意味着立法改革是一个缓慢而痛苦的过程。(规模:几十年!)
  2. 官僚主义.阻碍新政策工具的实施。制定和商定立法需要时间,建立必要的机构以确保其得到执行也需要时间。(规模:年)
  3. 社会阻力人们不喜欢改变,一些团体竭力抵制与自身直接利益相冲突的改变。社会规范的每一次变化都伴随着抵制。即使当我们欢迎改变并相信它时,我们也经常会重新养成旧习惯。(规模:年?代?)

最后,清洁能源解决方案的开发和部署经历了大量延迟:

  1. 研发滞后。 由于缺乏合格的人才,大学等研究机构运作的缓慢速度,以及研究人员(尤其是学术界)继续从事他们过去一直从事的工作的趋势,加大新的研究和开发力度需要时间,而不是解决社会上重要的问题。气候解决方案的研究本质上是跨学科的,现有的研究机构往往是非常糟糕支持跨越传统界限的工作。(规模:几十年?)
  2. 投资滞后:从化石燃料向清洁能源和能源效率的全面转变将需要巨额前期投资。有资金支持这种转变的机构(政府、投资组合经理、风险资本家)往往非常规避风险,因此更喜欢他们知道能够提供投资回报的东西,例如更多的油井和管道,而不是新的清洁技术替代品(规模:几年到几十年)
  3. 创新扩散:继经典技术之后,新技术往往需要很长时间才能实现大规模部署s形曲线由于早期采用者数量较少,如果进展顺利,采用曲线将稳步上升,随着落后者抵制新技术,采用曲线会逐渐减少。想想电动汽车:尽管这项技术已经问世多年,但它们仍然只构成小于1%今天新车销量的增长。这是一项研究预计到2040年,这一比例将升至35%。想一想——如果我们遵循预期的创新扩散模式,2040年三分之二的新车仍将使用内燃机。(规模:几十年)

所有这些形式的惯性都减缓了应对气候变化的进程,使变暖稳步增加,同时我们也在想办法克服它们。因此,关键的问题不是如何通过从当前的化石燃料经济转向碳中和经济来应对气候变化,我们今天可能已经拥有了实现这一目标的所有技术。问题是如何做得足够快。保持温度低于2°C到2030年,世界需要将温室气体排放量减少50%,并在本世纪后半叶实现碳中和。如果我们要做到这一点,我们必须找到克服许多不同类型惯性的方法。

我一直在探索加拿大减少温室气体排放的承诺与现实的背道而驰,特别是考虑到政府最近决定坚持上届政府设定的排放目标。

曾几何时,加拿大被认为是气候和环境问题的世界领导者。关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书该协议于1987年签署,被广泛认为是有史以来最成功的国际环境保护协议。一年后,加拿大主办了一次关于不断变化的气氛:对全球安全的影响这有助于将气候变化纳入国际政治议程。这次会议是第一次确定具体目标以避免危险的气候变化的会议之一,建议到2005年全球温室气体排放量减少20%。这并没有发生。

又过了十年,才达成国际减排协议:1997年的《京都议定书》。当时被誉为成功的协议,在随后的几年里,人们清楚地看到,由于目标不具约束力,该协议基本上是一个骗局。根据《京都议定书》,加拿大同意在2008-2012年期间将排放量降至1990年水平以下6%。这并没有发生。

在2009年的哥本哈根会议上,加拿大提出了一个更弱的目标:比2005年的水平低17%(相当于1.5%在上面1990年的水平)。考虑到自那时以来排放量一直在稳步上升,这可能不会发生。到2011年,面对《京都议定书》目标与现实之间令人尴尬的差距,哈珀政府正式退出了《京都》,这是唯一一个这样做的国家。

去年,为了筹备巴黎谈判,哈珀政府提交了一项新的承诺:到2030年,将比2005年的水平低30%。乍一看,这似乎比之前的目标要好。但由于加拿大将土地利用、土地利用变化和林业(LULUCF)纳入其碳核算,因此它包括了预期国际信贷和木材产品固碳的很大一部分。就温室气体排放的实际削减而言,目标代表约8%在上面1990年的水平。

2015年10月当选的新政府鼓吹了应对气候变化的新方法,认为加拿大应该再次成为世界领导者。在2015年的巴黎会谈上,特鲁多政府自豪地支持联合国将全球气温保持在2°C以下的承诺(与工业化前的平均值相比),并表示强烈支持更严格的1.5°C限制。然而,政府选择坚持哈珀政府最初的巴黎目标。

很明显,巴黎协议下的全球承诺远远低于保持在2°C以下所需的温度,加拿大的承诺被评为最弱的一个根据IPCC的评估,为了将全球温室气体排放限制在2°C以下到2030年需要削减约50%最终实现全球零净排放(这可能意味着零化石燃料使用,因为关于负排放的假设似乎很不可信). 由于加拿大比大多数国家拥有更多的财富和资源,人均排放量比除少数几个国家外的所有国家都要大得多,而且对排放的历史责任比大多数国家都要重得多,因此“公平”的努力将使加拿大的减排速度大大超过全球平均水平,让较贫穷国家有空间增加排放量,至少在最初是这样,以减轻贫困。碳行动追踪建议到2030年,加拿大的排放量比1990年减少67%,这是一个公平的目标。

这就是所有这些看起来的样子——点击查看更大的版本。注:排放数据来自加拿大政府; 1988年多伦多目标从未被正式采纳,而是90年代初自由党的政策。全球2°C路径2030年目标软件工程研究所; 排放预测、土地利用的变化和林业调整以及2030年“公平”目标CAT公司.

加拿大的气候目标

从这个图表中,有几件事突然向我袭来。首先,完全没有执行本可以让我们实现任何这些目标的政策。2008-2010年的排放量下降,在一段时间内看起来很有希望,这是由于金融危机和经济下滑,而不是任何实际的气候政策。第二,每一目标的直线斜率相似,表示从提出目标到应该实现目标的预期下降率。在每一个失败的目标之后,从来没有人试图弥补失地。最后,就温室气体绝对排放量而言,每个目标都比以前的目标更糟糕。将基线从1990年改为2005年,这在很大程度上掩盖了这一点,并表明历届政府对光学的兴趣大于对气候变化的认真行动。

加拿大从未采纳过能够兑现其将气温保持在2°C以下的承诺的基于科学的目标。

今天我一直在追查“温室效应”一词的由来。这个术语本身就有问题,因为它只是一个微弱的隐喻:大气和温室都让太阳光线通过,然后吸收一些产生的热量。但机制不同。温室通过防止热空气逸出来保持温暖。换句话说,它阻止了对流。大气层通过防止(某些波长的)红外辐射逃逸来保持地球温暖。“温室效应”实际上是多层空气的结果,每层空气都从下层吸收红外线,然后再向上向下传播。行星随后散热的速度由最顶层空气的平均温度决定,红外线最终在那里逃逸到太空。所以一点也不像温室。

那么效果是如何获得这个名称的呢?19世纪法国数学家傅立叶通常被认为是19世纪20年代这一思想的创始人。然而,事实证明他从未使用过这个术语,正如詹姆斯·弗莱明(1999)指出的那样,大多数关于温室效应历史的作者仅引用了这方面的第二来源,而没有真正阅读傅里叶的任何著作。傅里叶在1822年的经典著作《热量分析理论》中提到温室,但与行星温度无关。这本书是用法语出版的,所以他使用了法语“lesserres”,但它只在一篇关于封闭空间中热特性的文章中出现过一次。相关段落翻译为:

一般来说,关于封闭空间中空气加热的定理扩展到了各种各样的问题。当我们希望精确预测和调节温度时,不妨重新考虑这些因素,例如温室、干燥室、羊圈、车间,或许多民用设施,如医院、营房、集会场所”[Fourier,1822;出现在亚历山大·弗里曼(Alexander Freeman)翻译的版本第73页,1878年出版,剑桥大学出版社]

在他的其他著作中,傅里叶确实假设大气在减缓从行星表面到太空的热量损失速度方面发挥了作用,从而使地面比其他地方更温暖。然而,他从未确定一种机制,因为我们现在所称的温室气体的性质直到之前才确定约翰·廷德尔19世纪50年代的实验。在解释他的假设时,傅里叶提到了一个“热盒”,一个由探险家发明的装置索绪尔,以测量太阳光线的强度。加热箱的盖子上有几层玻璃,允许阳光进入,但阻止了热空气通过对流逸出。但这只是一个比喻。傅里叶明白,无论大气中的热量捕获机制是什么,它实际上并没有阻止对流。

阿伦尼乌斯1896年,他首次尝试详细计算大气中二氧化碳含量变化的影响,以验证冰期是由二氧化碳含量下降引起的假设。因此,他有时也被认为是发明了这个术语。然而,他也没有在论文中使用“温室”一词,尽管他使用了与傅里叶相似的隐喻,使用了瑞典语单词“drivbänk”,意思是温床(更新:或者可能是“温室”——见评论).

因此,“温室效应”一词直到20世纪才被创造出来。我接触到的几篇论文表明,“温室”一词在这方面的首次使用是在1909年伍德的一篇论文中。然而,这似乎很不可信,因为这篇论文实际上只是一篇简短的评论,解释了“温室效应”的概念没有任何意义,因为一个简单的实验表明,温室无法通过捕获传出的红外线辐射来起作用。这篇论文显然是对之前发表的关于温室效应的文章作出反应,而伍德似乎太过字面化了。

一个小小的挖掘产生了一份1901年的论文尼尔斯·埃克霍姆他是瑞典气象学家,是Arrhenius的亲密同事,Arrheneus确实使用了“温室”一词。乍一看,他似乎使用这个术语的字面意思比所保证的更为真实,尽管在随后的段落中,他相当清楚地解释了关键机制:

大气对地球表面的温度起着非常重要的双重作用,其中一个是傅里叶首先指出的,另一个是廷达尔指出的。首先,大气层可能像一个绿色洞穴的玻璃,相对容易地穿透太阳的光线,吸收大部分从地面发出的黑暗光线,从而可能提高地球表面的平均温度。其次,大气在相对温暖的地面和寒冷的空间之间起着蓄热作用,从而在很大程度上减少了温度的年度、日变化和局部变化。

产生这些影响的大气有两种性质。一是大气温度通常随着地面以上或海平面的高度而降低,部分原因是下降气流的动态加热和上升气流的动态冷却,这在热的力学理论中得到了解释。另一种是大气吸收了很少的日晒和大部分来自地面的辐射,通过辐射、接触、对流和传导,从地面接收了相当大一部分热量储存,而地球表面主要是由太阳通过透明空气的直接辐射加热的。

由此可知,从地球到太空的辐射不是直接从地面发出的,而是平均从海拔相当高的大气层发出的。该层的高度取决于大气的热质量,并将随该质量而变化。空气对地面发出的热射线的吸收能力越大,该层的温度就越高,但该层越高,其相对地面的温度就更低;由于从该层到空间的辐射越低,其温度越低,因此地面温度越高。”[Ekholm,1901,p19-20]

在这一点上,它仍然不被称为“温室效应”,但这个比喻似乎已经成为引入这一概念的标准方式。但在1907年,这位英国科学家,约翰·亨利·坡印廷在他对珀西瓦尔·洛威尔对行星温度的分析。他在整篇文章中用惊恐语录引用了这个词,这表明这个词是新造的:

洛厄尔教授在《哲学杂志》7月号上发表的论文标志着在评估行星温度方面取得了重要进展,因为他比以往任何文章都更详细地考虑了行星大气的影响。但他几乎没有注意到大气层的“覆盖效应”,或者我更喜欢称之为“温室效应”。”【坡印廷,1907年,第749页】

他接着说:

如果我们首先考虑一个温室,其水平屋顶的范围与地面高度相比过大,以至于边缘的影响可以忽略不计,那么大气的“温室效应”可能会更容易理解。让我们假设它暴露在垂直的阳光下,玻璃下的地面是“黑色”的,或者说是完全吸收的。我们将忽略温室内空气的传导和对流。[波因廷,1907年,第750页]

然后,他继续探索这个理想化温室中的传热数学。不幸的是,他忽略了Ekholm的重要观察结果,即高层大气的热损失率很重要,所以他的计算大多是无用的。但他对该机制的描述似乎已成为主流解释。第二年,弗兰克非常在同一期刊上发表了一篇回应,在论文标题中使用了“温室理论”一词。他批评坡印廷理想化的温室过于简单,但建议一个稍微好一点的比喻是一组温室叠在一起,每个温室都能吸收下面温室的一点热量:

诚然,洛厄尔教授并没有从分析和显而易见的角度考虑温室效应,但它隐含在他对通过昼夜平均法获得的蓄热的推论中。该方法没有规定热量是通过辐射还是通过一些更迂回的过程损失的;因此,如果不对这个名称进行更广泛的解释,将大气层的保持力标记为“温室效应”是不准确的。如果允许扩展该术语的含义,使其涵盖导致相同结果的各种过程,那么通过比较昼夜温度来推算表面热量损失与这种更广泛的“温室效应”直接相关[非常,1908年,第477页]

在他们之间,Poynting和Very试图确定“温室效应”是否是一个有用的隐喻,以及行星大气的传热机制实际上是如何工作的。但这样做有助于确定这个名称。伍德1909年的评论显然是对这一讨论的回应,但它未能理解所讨论的内容。这让人联想到任何现代关于温室效应的讨论:每当任何两位科学家讨论温室效应如何工作的细节时,你可以肯定迟早会有人声称会通过完全误解来揭穿这个观点。

总之,我认为认为波因廷是“温室效应”这一术语的创始人是公平的,但特别提到了Ekholm之前使用的“温室”一词,以及他对温室效应的更好解释。(除非我错过了其他人?)

工具书类

Arrhenius,S.(1896年)。空气中碳酸对地面温度的影响.哲学杂志和科学杂志,41(251).doi:10.1080/14786449608620846

Ekholm,N.(1901)。论地质历史时期气候的变化及其原因.英国皇家气象学会季刊,27(117), 1–62. doi:10.1002/qj.49702711702

Fleming,J.R.(1999)。约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier),“温室效应”,以及对地球温度普遍理论的探索.奋进号,23(2), 72–75. doi:10.1016/S0160-9327(99)01210-7

傅里叶,J.(1822)。Théorie Analytique de la Chaleur(“热分析理论”)巴黎:Chez Firmin Didot,Pere et Fils。

傅里叶(1827)。关于地球球体和星际空间的温度。皇家科学博物馆,7, 569–604. (Ray Pierrehumbert翻译)

波印廷,J.H.(1907年)。洛厄尔教授估算行星表面温度的方法;试图代表昼夜对地球温度的影响.哲学杂志,14(84), 749–760.

非常,F.W.(1908)。温室理论与行星温度.哲学杂志,16(93), 462–480.

伍德·R·W(1909)。温室理论注释。哲学杂志,17, 319–320. 检索自http://scienceblogs.com/stoat/2011/01/07/r-w-wood-note-on-the-theory-of/

本周,我正在阅读三本传记,其中巧妙地记录了为现代气候建模奠定基础的三位关键科学家的工作:阿伦尼乌斯、比肯内斯和卡伦达。

阿伦尼乌斯-图书适当的天气CallFull夹克#3.indd

Crawford,E.(1996)。阿伦尼乌斯:从离子理论到温室效应《科学史出版物》。
瑞典科学家斯万特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)的传记,他于1895年创建了第一个计算气候模型,并花了将近一整年的时间手动计算全球可能的温度变化,以增加和减少二氧化碳水平。“温室效应”一词当时还没有出现,阿伦尼乌斯更感兴趣的问题是,冰期是否可能是由二氧化碳水平降低引起的。但尽管如此,他的模型还是一次非常好的首次尝试,并首次对人类持续使用化石燃料所带来的变暖做出了定量估计。
弗里德曼,R.M.(1993)。恰当的天气:维尔姆·比肯内斯和现代气象学的构建康奈尔大学出版社。
1904年,挪威科学家维勒姆·比杰克内斯(Vilhelm Bjerknes)的传记确定了原始方程,这是一组微分方程,构成了现代计算天气预报和气候模型的基础。这些方程本质上是流体流动和热力学方程的改编,适用于将大气表示为重力场中旋转球体上的流体。当时,这些方程只不过是一个理论练习,我们不得不等待半个世纪,等待早期的数字计算机出现,才有可能将其用于定量天气预报。
Fleming,J.R.(2009年)。卡伦达效应:盖伊·斯图尔特·卡伦达(1898-1964)的生活和工作芝加哥大学出版社。
英国科学家盖伊·S·卡伦达(Guy S.Callendar)的传记,他于1938年首次将长期温度观测值与大气中二氧化碳上升的测量值进行比较,以证明阿伦尼乌斯(Arrhenius)理论预测的变暖趋势。几十年后,他的工作才受到科学界的重视。一些人现在认为,我们应该使用“卡伦达效应”一词来描述二氧化碳排放量增加导致的变暖,因为“温室效应”这个词太令人困惑了——在我们开始增加二氧化碳排放量之前,温室气体使地球保持温暖,无论如何,与玻璃在温室中蓄热方式的类比有点不准确。

这三个要素不仅构成了一个简洁的ABC,而且还代表了现代气候建模所需的三个关键要素:一个确定哪些物理过程可能重要的理论框架,一组详细的方程,允许您量化影响,并与观测值进行比较,作为验证计算的第一步。