雷暴的狂怒之美令計算機模擬也相形見絀。在一個被劃分為 10,000 平方公里網格的世界中，以便計算機能夠處理 5.1 億平方公里的地球，一場降雨面積僅為 2 平方公里的雷雨雲仍然太小，無法在氣候模擬中進行正確計算——即使是像 2012 年蔓延超過 280 公里海洋和陸地的颶風桑迪也是如此。
雲控制著氣候。即使它們能夠在計算機模擬中得到正確地解釋，雲的型別、它們在大氣中的高度，甚至雲中液滴的組成和形狀都存在各種複雜性。氣候模型很難模擬颶風，即一些最大的雲系統，更不用說孤零零的捲雲或濃密的積雨雲了。隨著氣候變暖，低層冷卻雲可能會如何形成，或者這種雲是否可能完全消失，這些都對整體全球變暖產生重大影響。
在所有關於全球變暖的常用數字中，氣候變化中最重要的數字不是400（大氣中二氧化碳的百萬分比濃度）、2攝氏度（全球平均氣溫升高）、一萬億噸（碳預算），甚至不是 1000 億美元（每年氣候適應資金）。它甚至不是一個單獨的數字，而是一個範圍：根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（獲得諾貝爾和平獎的 IPCC）最近的努力，這個範圍是 1.5 攝氏度到 4.5 攝氏度。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
這是基於大約 40 個行星尺度海洋和大氣模擬（稱為全球氣候模型）的輸出，大氣二氧化碳濃度加倍後，預計在幾個世紀內發生的全球變暖。每個模型，例如位於科羅拉多州博爾德市國家大氣研究中心的社群地球系統模型，都在大型超級計算機上執行。這個最重要的數字的正式名稱是“平衡氣候敏感度”，它旨在表示地球表面溫度在太陽能量的變化量被地球捕獲而不是輻射回太空之後的新平衡。這個數字是對變暖範圍的估計，因為科學家和計算機模型都無法就地球的生物地球化學迴圈對越來越厚的無形溫室氣體毯子捕獲更多熱量的敏感程度達成一致。
事實上，儘管進行了數十年的更好觀測和模擬，但自 1979 年美國國家研究委員會一份由氣象學家朱爾·格雷戈裡·查尼領導的關於氣候變化的報告評估了氣候敏感度在二氧化碳濃度加倍導致 2 到 4 攝氏度變暖的範圍內以來，氣候敏感度的這個範圍並沒有太大變化。“我們可能和以前一樣不確定，”美國宇航局戈達德空間研究所的氣候建模師兼主任加文·施密特說。“但我們是在更堅實的基礎上不確定。”
地球是一個複雜的系統，一種不可簡化的複雜性，無法簡化為計算機模型。因此，大氣中二氧化碳濃度增加的實際影響，例如北極陸地和海冰的融化，似乎比大型計算機模擬預測的要快。但敏感度範圍並非僅僅是計算機執行大氣和海洋（兩種巨大的翻滾流體在相互作用）如何對更多二氧化碳捕獲更多熱量做出反應的模擬的簡單產物。它還基於封存在南極冰中的古老空氣、石頭中放射性元素的穩定衰變以及對地球遙遠過去的其它觀測。在氣候方面，遙遠的過去不僅僅是過去，它還是對未來世界可能再次經歷的情況的預演。
以始新世為例，大約 3000 萬年前，地球近期歷史上最溫暖的時期，當時大氣中二氧化碳濃度升至 700 ppm 以上，棕櫚樹和類似鱷魚的動物在靠近北極的緯度地區繁衍生息。氣候模型很難解釋始新世的極地為何如此溫暖，即使二氧化碳濃度遠高於今天。“我們要麼看到新的反饋在高溫度下在極地地區開始發揮作用，可能與植被和氣溶膠或霧霾有關，”施密特說。或者“這可能是奇異的物理現象。”
另一方面是大約 26,000 年前的末次盛冰期，當時全球平均氣溫下降了 4 攝氏度。* 這足以將北半球大片地區覆蓋在厚達數公里的冰蓋之下，冰蓋向南延伸至紐約市。追蹤過去 4.2 億年的氣溫表明，如果二氧化碳濃度翻一番，氣候變化將超過 2 攝氏度——但氣溫將超過該數字多少尚不清楚。
當然，使預測變得複雜的原因不僅僅是雲。弄清楚我們地球家園的能量平衡是複雜的。火山爆發似乎對全球氣候的影響比以前認為的更大（這給有抱負的地球工程師帶來了更多希望），海洋吸收的熱量也是如此，這兩者都有助於冷卻氣候，至少在短期內是這樣。僅僅瞭解圍繞南極洲旋轉並使該大陸處於嚴寒狀態的南大洋環流就可以改進氣候模型。這是一個關鍵的觀測輸入，但與咆哮的 40 度和狂暴的 50 度（強風和隨之而來的巨浪使船舶甚至機器人滑翔機難以觀測）的現實相比，提出要求容易得多。而且不僅僅是南大洋：太平洋和大西洋如何環流、吸收和釋放熱量仍然是模型未能捕捉到的現實。“變暖的演變還取決於海洋變暖的速度，”愛丁堡大學氣候科學家加布裡埃爾·黑格爾指出。
氣候變化也不僅僅是由二氧化碳以及化石燃料燃燒和其他人類活動產生的其他溫室氣體驅動的。它還受到為農田清理森林或允許樹木重新生長、太陽強度變化無常以及來自中國和其他不受控制的氣溶膠汙染暫時玷汙大氣的影響。“這有點像在一個繁忙的十字路口觀察交通一小時，”蘇黎世聯邦理工學院的氣候科學家雷託·克努蒂說。“透過這樣做，您可以瞭解很多交通規則，但要預測未來十年或一個世紀交通將如何變化將非常困難。”
正如諺語所說：所有模型都是錯誤的，但有些是有用的。所有這些現實世界的不確定性的影響或許可以綜合起來，並轉化為一個約束所有模型的因素，一種基於貝葉斯統計技術的氣候變化模型的主環，該技術根據與每個貢獻因素相關的機率來估計總體不確定性。“我們還沒有完全設計出那個實驗，”施密特說。但“通往綜合的道路非常清晰。”
雲的物理特性及其看似變幻莫測的行為——這種活動催生了人類對反覆無常的天空之神的愛好——困擾著現代氣候科學家和氣象學家，儘管衛星提供的天空之眼應該有所幫助，更強大的計算機也應該有所幫助，在更強大的計算機上執行的模型可以細化到僅 1 平方公里的網格，並最終捕捉到那些雷暴雲。然後是像大眾汽車公司這樣的人的失敗，該公司的員工在他們製造的汽車的排放問題上撒謊，甚至足以抵消模型執行中考慮的汙染，從而抵消該模型產生的未來預測。換句話說，反饋具有未知的未知數。
儘管如此，計算機模型——即使是蓋伊·卡倫達在 1938 年的手工計算或 1979 年查尼報告的猜測——在預測已經發生的氣候變化方面做得很好，這表明長期氣候敏感性可能不如未來幾十年氣候將如何反應那麼重要。“關鍵是要預測在它發生之前會發生什麼，”施密特說。“要了解 2050 年會發生什麼，關鍵不是氣候敏感性，而是我們所處的排放路徑。”
儘管如此，大多數氣候科學家都同意他們所有前輩的觀點：大氣中二氧化碳濃度加倍將意味著全球平均氣溫升高約 3 攝氏度，上下浮動約 1 攝氏度。檢驗這種共識是否正確的一種方法是繼續文明目前燃燒化石燃料、砍伐森林和其他排放溫室氣體的活動。
“即使沒有加速，到 2065 年我們也可能超過 2 攝氏度的變暖，到本世紀末將超過 2.5 攝氏度，”國家大氣研究中心的氣候科學家凱文·特倫伯斯說。“由於冰融化和較暗的表面，可能會出現加速。但也可能巴黎[氣候變化談判]會帶來一些好處，並且排放率開始有所下降。讓我們希望如此。”
*更正於 2015 年 12 月 4 日：此句已更新，以反映末次盛冰期期間的正確降溫幅度。