2014 年 3 月，馬來西亞航空公司 MH370 航班失蹤的訊息傳出時，喬納森·杜爾加杜 (Jonathan Durgadoo) 和我們其他人一樣震驚地關注著。這架波音 777-200ER 飛機從吉隆坡起飛前往北京，然後在馬來西亞和越南之間大約一半的航程處意外向西轉彎。起飛一個半小時後，飛機在泰國西南部的安達曼海上空從雷達上消失。機上有 239 人。
大約 16 個月後，在西印度洋的留尼汪島上發現了一塊飛機殘骸——一塊鉸鏈狀襟翼，從機翼上脫落。杜爾加杜是德國基爾亥姆霍茲海洋研究中心 GEOMAR 的海洋建模師，他很快意識到自己能夠為搜尋工作做出貢獻。如果他的團隊能夠描述從飛機失蹤到殘骸被衝到留尼汪島期間印度洋的水流運動，他們或許能夠追蹤其路徑，並引導調查人員找到墜機地點。
杜爾加杜說：“從海洋學的角度來看，問題既直接又難以回答。” “我們能否及時追蹤襟翼，以確定飛機墜毀地點？如果是這樣，該位置是否與優先搜尋區域重合？”
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為了追蹤襟翼，杜爾加杜的團隊需要一個印度洋在 16 個月期間的洋流資料集，該資料集在空間或時間上沒有間隙。在如此廣闊的區域和如此長的時間內，觀測資料是不可用的；相反，該團隊決定使用高解析度海洋模型。
海洋模型使用流體運動的數學方程來描述水的運動，並在強大的超級計算機上進行計算。這些模型將海洋劃分為 3D 體積元素網格，並計算研究人員選擇的每個時間步長立方體之間的水運動。杜爾加杜的團隊選擇了一個水平網格長度為十二分之一度（大約每方向 9 公里）的模型。
杜爾加杜說：“海洋模型為我們提供了整個時間段以及整個印度洋的持續資料。” 然後，他們使用這些資料將虛擬物體從 2015 年 7 月及時回溯到 2014 年 3 月飛機失蹤時。杜爾加杜和他的團隊總共投放了近 500 萬個虛擬襟翼，並追蹤了它們從島嶼返回的可能路徑。模擬產生了近 500 萬條可能的軌跡，但透過做出某些假設，例如飛機可能從其最後已知位置行駛了最多 500 公里，研究人員能夠將結果縮小到大約 80 萬個可能的起點。
這些點仍然覆蓋了印度洋東南部的數千平方公里，但這在很大程度上與搜尋隊正在尋找的區域不同。根據模型，襟翼在其旅程中從澳大利亞西南部海岸附近的海洋區域開始的可能性不到 1.3%，而墜機調查人員正在那裡進行搜尋。杜爾加杜說，襟翼更可能的來源——因此也是墜機地點（假設襟翼在與水面撞擊時斷裂，這已被普遍接受）——更偏北。
如果沒有海洋模型空間解析度的顯著進步，杜爾加杜追蹤跨越海洋的兩米長襟翼的工作是不可能實現的。過去幾十年計算能力的提高推動了使用更密集網格的模型的發展，因此可以捕獲中尺度（100 公里或更小）的海洋運動。在這個尺度上，可以模擬旋轉、迴圈的水流。解析度足夠高以表示這些渦流的海洋模型可以解釋體積流量、溫度和鹽度等引數，因此可以比解析度較低的模型更真實地再現海洋行為。
高解析度海洋模型的出現引發了關於使用解析度較粗的模型的問題，特別是對於未來幾十年及以後的氣候預測。每個氣候預測都是使用世界各地各個研究中心開發的模型進行模擬的結果。這些模型旨在整合和耦合地球系統的每個組成部分，從冰凍圈（地球的冰覆蓋區域）和生物圈到大氣和海洋。由於氣候預測的準確性取決於模型的每個組成部分代表現實的程度，因此將更高空間解析度的海洋模型納入氣候模擬應該可以更好地瞭解未來幾十年氣候可能發生的變化（參見問答）。但以更高的解析度進行建模會帶來成本，並且可能不是改進海洋模擬的唯一方法。
當前模擬
佛羅里達州邁阿密大學的物理海洋學家麗莎·比爾 (Lisa Beal) 說：“氣候模型並未正確模擬全球海洋的許多方面。” 她尤其對西部邊界流系統感興趣，這些系統是海洋盆地西側深、窄、快速流動的洋流。這些洋流將大量熱量從熱帶輸送到兩極，對全球氣候產生重大影響。但她說，到目前為止，政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 報告的氣候預測中，尚未正確模擬這些洋流。
該小組的最新報告通常使用解析度約為 1 度的海洋模型。這是因為這些模型必須模擬海洋、大氣、陸地和冰作為相互反饋的耦合系統，並且必須模擬 200 年期間的變化。即使在 1 度的解析度下，這兩個目標在計算上也很昂貴。但在這個解析度下，西部邊界流的整個空間尺度都被單個數據點覆蓋。
比爾說：“這是我們的前沿陣地。” “我們需要能夠在用於預測 21 世紀氣候的全球氣候模型中解決渦流和西部邊界流系統等關鍵海洋特徵。”
解決當前問題
政府間氣候變化專門委員會使用的典型氣候預測模型顯示，阿古拉斯洋流從南非海岸自由流入南大西洋（上圖），而解析度高十倍的模擬（下圖）則揭示了更符合真實世界觀測結果的漩渦狀洋流。
圖片來源：邁阿密大學-RSMAS 的本·基爾特曼 (Ben Kirtman)
2016 年，比爾和她的同事首次在氣候模型1中解析了位於南非海岸附近的阿古拉斯西部邊界流系統。他們使用了一個全球海洋解析度為十分之一度的耦合氣候模型。然後，他們研究了與低解析度模型相比，哪些海洋行為發生了變化，並觀察了對南大西洋熱量和鹽含量的影響。他們還計算了所謂的阿古拉斯洩漏進入南大西洋的水輸送率。在這兩種情況下，模擬結果都比低解析度模型更接近真實世界的觀測結果（參見“解決當前問題”）。
將於 2022 年釋出的下一份 IPCC 報告將使用一些解析度為四分之一度的海洋模型。比爾認為，在全球氣候模擬中使用更高解析度的海洋模型可能會改變熱量從赤道輸送到兩極的方式的表示。今天的氣候模型模擬的西部邊界流系統比實際情況更寬更慢。因此，它們可能低估了熱量從赤道向真實海洋中的兩極輸送的效率——更快的洋流邊界系統向大氣中散發的熱量更少，因此向兩極輸送的熱量更多。模型在海洋和大氣之間交換熱量的方式出現這種錯誤可能會導致全球氣候模擬不準確。
圖片來源：波茨坦氣候影響研究所/LINDENHAN
萊夫克·凱撒 (Levke Caesar)：不確定的氣候
2018 年，愛爾蘭梅努斯大學的氣候科學家萊夫克·凱撒使用高解析度模型和海洋環流觀測結果表明，大西洋經向翻轉環流 (AMOC)——一個在熱帶和北大西洋之間移動熱量的複雜洋流系統——正在減弱。這種減弱可能會極大地改變北半球的氣候。在 2019 年林道諾貝爾獎獲得者會議上，凱撒向《自然》雜誌談到了海洋模型在氣候科學中的作用。
為什麼氣候科學家需要對海洋進行建模？
海洋環流將碳和熱量移動到深海，並在全球範圍內輸送熱量——就 AMOC 而言，從熱帶到兩極輸送的熱量高達 1.3 千萬億瓦。這相當於約 100 萬個平均規模的核反應堆的功率。因此，當您將海洋包括在內時，氣候模型會得到很大改進。而且您觀察的時間尺度越長，海洋就變得越重要。
現在的海洋模型有多準確？
有句諺語說，所有模型都是錯誤的，但有些是有用的，這是真的——每個模型都是一個近似值。AMOC 的觀測強度約為每秒 1600 萬立方米。但一些氣候模型將其定為接近每秒 3000 萬立方米。因此，它們肯定不是完美的，但它們仍然可以幫助我們瞭解驅動海洋環流的機制，以及海洋的變化如何反饋到大氣中。
如何驗證模型？
海洋洋流模型差異如此之大的一個原因是，我們不完全確定什麼是真實的。但是，正在建立更多的觀測系統，我們可以使用這些系統透過真實資料來驗證我們的模型。一個橫跨大西洋（北緯 26 度，從摩洛哥到佛羅里達州）的繫泊陣列向我們展示了自 2004 年以來 AMOC 在現實生活中的表現。觀測工作對於構建海洋的廣泛圖景非常重要。
是什麼讓 AMOC 如此難以建模？
一個問題是難以對小尺度發生的流程進行建模。在表面，您可以將空間解析度降至僅幾米，但解析度會隨著深度而增加。我們的高解析度模型具有大約 10 公里的水平尺度。因此，總會有一些過程必須透過編碼在其物理數學描述中來表示。
模型中的不確定性是個問題嗎？
是的，當然是。模型中難以實現的一些事情可能會對我們的預測產生重大影響。大多數模型表明，AMOC 將繼續減速，但不會在本世紀崩潰。但這些模型沒有考慮到來自格陵蘭冰蓋的淡水。省略這種不穩定的力量可能會使 AMOC 看起來比實際更穩定。結果的不確定性也使人們更難相信正在發生的事情。當科學家進行交流時，我們力求儘可能誠實，這意味著包括所有不確定性。問題是，當非科學家聲稱氣候變化沒有那麼糟糕時，他們不會說“但我們可能錯了”——他們說得很有說服力。
可以對此做些什麼？
我們可能應該更多地強調成本。如果發生某件事的負面影響很大，那麼無論風險百分比是多少，您都應該採取行動來預防它。一些氣候模型表明，隨著 AMOC 減弱，風暴路徑可能會變得更加突出，並朝著英國方向移動。我們對此並不確定，但有跡象表明。我們真的想測試一下嗎？
採訪者：理查德·霍德森 (Richard Hodson)
本次採訪已編輯，以使其篇幅更短且更清晰。
混合起來
即使解析度不足以對小規模過程進行建模，也可以採取步驟透過替代方法來表示它們。對於中尺度海洋過程，可以透過引數化來完成——一種透過編碼在其物理數學描述中來表示海洋過程的方法。
珍妮弗·麥金農 (Jennifer MacKinnon) 是加利福尼亞州聖地亞哥斯克裡普斯海洋研究所的物理海洋學家，她研究在海洋深處振盪的內波。這些波對海洋中的中尺度湍流混合過程具有重要影響，而中尺度湍流混合過程已知會影響整個海洋的運作方式，從而影響全球氣候。
她說：“由於海洋模型具有一定的解析度，這些解析度往往是許多公里或數十公里，因此它們無法解析和模擬海洋中的許多過程。” 即使對於更高解析度的模型，這些“次網格尺度過程”也可能太小而無法顯式解析。
2017 年，麥金農與他人合著了一篇關於內波驅動的海洋混合2的論文，這篇論文是氣候與海洋：變率、可預測性和變化 (CLIVAR) 專案五年研究的成果。“模型以前將混合率設定為常數，或者至少是空間上不變的東西，”她說。但麥金農已經看到情況並非如此。“我們的觀測結果向我們展示了模型尚未納入的內容，”她解釋道。研究人員調整了模型以表示這些湍流混合過程，然後研究了與將海洋混合視為常數的模型相比，海洋模型在數十年時間尺度內的行為有何不同。
結果表明，深水混合引數化對海洋的翻轉環流產生了顯著影響，而翻轉環流又影響大氣，進而影響全球氣候。因此，麥金農認為，為了獲得真實的氣候預測，對於那些過於粗糙而無法包含這些內部混合過程的模型，至少應包含一個引數化來表示它們。
超越解析度
儘管更高的解析度和引數化為氣候建模者帶來了好處，但使用它們並不總是可行的。計算模擬所需的時間隨著解析度的提高而增加，生成的資料量也是如此。杜爾加杜說：“對於您希望模擬執行的時間越長，這個問題就越大。”
由研究生和博士後組成的研究隊伍的臨時性質意味著沒有時間以越來越高的解析度執行海洋模型。而且至關重要的是，尚不清楚不斷提高模型解析度是否總是會帶來更大的好處。比爾說，在非常高的解析度下，模型的效能可能會變得不穩定。
研究人員還需要考慮解析度以外的其他因素。一項研究表明，將海洋與大氣耦合可以比僅提高模型解析度3更真實地模擬墨西哥灣暖流。“如果你不斷提高解析度，就會出現一個你真的無法改進的點，”比爾說。
杜爾加杜對此表示贊同。“解析度絕對是一個限制因素，但只是在一定程度上，”他說。例如，他和他的同事為追蹤失蹤的馬來西亞航空公司航班而進行的模擬具有高解析度，但他們的研究還有許多其他侷限性。“這不僅是海洋表面和時間上的模型解析度問題——還有其他未知因素，”他說。例如，研究人員對流體 mechanics 的物理學理解有限。如果基本物理學缺乏細節，那麼模型無論空間解析度有多高都無關緊要。克服這個問題的唯一方法是進一步的觀測研究。
科學家們都認為，更好的模型需要觀測海洋的人員和嘗試模擬海洋的人員之間的合作。但這種跨學科的溝通可能不足。比爾和麥金農是物理海洋學家，他們領導海洋考察，將測量裝置部署到深海深處，而杜爾加杜等海洋建模者幾乎總是在辦公室工作，並且經常在不同的研究所工作。如果不努力，他們可能永遠不會見面。
比爾說，像 CLIVAR 和全球海洋觀測系統 (GOOS) 這樣的專案對於將研究人員聚集在一起非常有用，而麥金農的氣候過程團隊就是該過程的一個積極成果的例子。麥金農說，透過將觀測科學家和建模者組合在一起，社群可以提高對物理海洋的理解，並改進模型的效能。
隨著模型的改進，人們對可以從中得出的結論的信心也可能會提高。這種提升可能對杜爾加杜的團隊在搜尋 MH370 航班時有所幫助。儘管他們認識到其研究的侷限性，但他們在 2015 年聯絡了搜尋當局，指出他們可能找錯了地方。當局承認收到了他們的信函，但沒有就轉移搜尋地點進行討論或採取行動。“最近，我們對這個問題進行了進一步研究，但決定不將其傳送給當局，”杜爾加杜說。他解釋說，他們目前的工作重點是改進方法。
目前，飛機的失蹤和下落仍然是一個謎。
Cheng, Y., Putrasahan, D., Beal, L. & Kirtman, B. J. Clim.29, 6881–6892 (2016).
MacKinnon, J. A. et al.Bull. Am. Meteorol. Soc.98, 2429–2454 (2017).
Renault, L., Molemaker, M. J., Gula, J., Masson, S. & McWilliams, J. C. J. Phys. Oceanogr.46, 3439–3453 (2016).