發表日期：2024-10-22     作者：陳昭安 國家災害防救科技中心 專案助理研究員，趙品諭 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員

由過去歷次聯合國政府間氣候變遷專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）的評估報告，以及臺灣今年發布的國家氣候變遷科學報告2024，顯示過去數十年的氣候變遷科學研究進展，以及從觀測與未來推估的全球暖化趨勢。當我們在閱讀這些評估報告或相關研究文獻時，可以常常看到氣候研究利用各種數值模式做為實驗工具，例如AGCM、GCM、ESM 等等，模擬氣候在過去、現今與未來可能的變遷趨勢。這些縮寫代表不同類型的數值模式，他們的架構與功能又有哪些異同，將在本文介紹說明。

 

GCM 這個英文縮寫一開始指的是環流模式 General Circulation Model^{[1] [2] [3]}，後來也可表示為全球氣候模式 Global Climate Model ^[3]。General Circulation Model 環流模式將大氣或海洋的三維空間劃分為水平方向與垂直方向的網格結構(如圖1所示)，將系統的物理定律轉化為數學方程式，利用數值模式隨著時間積分計算，來描述大氣或海洋系統中的物理過程、流體運動、能量收支平衡的關係，以及系統中不同物理過程或是相鄰網格之間的交互作用(如圖2所示)，進而幫助科學家了解氣候系統的運作機制與變化^[2]。

Global Climate Model (GCM)全球氣候模式顧名思義是用來模擬全球氣候變化的數值模式，在一個全球氣候模式中通常會考慮大氣、海洋、陸地、冰雪圈等主導全球氣候變化的關鍵因素^[3]。無論是環流模式或全球氣候模式，都可以透過不同實驗設定，例如不同溫室氣體排放濃度，協助科學家進行氣候研究，理解氣候系統在不同情境下可能的氣候變化。大氣與海洋環流模式常被使用於氣候研究的氣候模式中，因此，環流模式與全球氣候模式這兩種表達方式通常可交互使用。

GCM又可依據其組成進一步區分表示^[3][4][5]：對於僅考慮大氣過程的環流模式稱為大氣模式Atmospheric General Circulation Model，一般縮寫表示為AGCM；僅考慮海洋過程的環流模式則稱為海洋模式Oceanic General Circulation Model，一般縮寫表示為OGCM；同時考慮大氣與海洋過程，以及大氣海洋之間交互作用的環流模式，則稱為海氣耦合模式，以AOGCM(Atmosphere-Ocean General Circulation Model )或CGCM (Coupled General Circulation Model)表示；區域氣候模式 (Regional Climate Models) 簡稱為RCM。

 

ESM是地球系統模式Earth System Model的縮寫，地球系統的影響因素除了主要的大氣組成與海洋組成，還包括冰雪圈、陸地、植被生態動力、碳循環、氣膠、甲烷與永凍土、海洋生地化循環、土地利用、大氣化學與氣候交互作用、野火、對流層與平流層交互作用等過程^[5]，以及人類活動對地球系統影響等因素之交互作用，進而對氣候造成影響(如圖3所示)。在地球系統模式的氣候變遷模擬實驗中，不僅可呈現溫室氣體濃度改變對大氣、海洋的溫度、降雨與環流等變化之影響，也可以表現暖化氣候對植被、碳循環、其他生地化過程與生態系統之作用，以及這些過程又如何進一步與其他地球系統組成的交互作用。因此，ESM模式的架構與運作更接近真實地球且完整，能夠更接近真實地模擬長期氣候變化的潛在影響，在氣候變遷研究與應用，能夠提供更全面與詳細的資訊，但也因此在模擬運算過程更為複雜。

 

氣候變遷科學議題對於氣候系統的理解與探索更為深入，以及氣候模式發展技術演進，也反映在GCM與ESM的模式發展。氣候模式最初的形式還並未考慮三維的空間結構，僅是由簡單的數學方程式計算，來表示大氣中的基本熱力學與動力學物理過程運作。在20世紀中期，隨著電腦運算技術的進步，科學家們能夠將三維空間的流體的物理過程與能量收支平衡關係建立在GCM中(參考網站1)，這些模式能夠模擬大氣和海洋的環流，以及它們如何隨時間變化，使得GCM 能夠重現全球尺度的氣候運作，並且成為研究全球氣候變遷的重要工具。因此，從模式發展的歷程來看，GCM 可以說是 ESM 的前身，代表了地球系統模式建立的基礎階段。隨著科學和技術的進步，ESM 在 GCM 的架構之上進行組成擴增與改進^[5]，進而能夠更全面的重現氣候系統的變化與反饋過程，成為能夠模擬更複雜的地球系統相互作用的工具。

因此，就基本架構上，GCM和 ESM都是能夠用來模擬和推估地球氣候系統的數值模式。GCM與ESM皆將地球的三維空間以網格化表示，兩者皆透過流體的物理定律與動力過程，以數學方程式計算格點上與彼此之間的變數變量。隨著數值模式的時間積分，呈現出地球氣候系統隨時間的演進與變化。在當中的物理過程，兩者都可模擬地球系統中的大氣組成與海洋組成；例如在大氣組成的部分可表現對流活動、大尺度環流運動、輻射傳輸與大氣層內的能量收支平衡；而海洋組成的部分，可模擬洋流、溫鹽環流以及海洋內部的能量收支平衡與傳輸。GCM與ESM皆廣泛被使用於研究氣候變化，因此兩者皆可透過實驗情境設定，例如不同程度的溫室氣體排放，進行數十年甚至上百年時間尺度的氣候模擬，來估算未來氣候系統可能的變化趨勢，在氣候研究中扮演關鍵角色。簡而言之，GCM 和 ESM 的共通之處在於它們都用來模擬地球氣候系統的物理過程，並且都在氣候變化研究中發揮了重要作用。

 

GCM主要考慮大氣與海洋的動力與熱力過程，可模擬氣候系統中的溫度變化、季風演進、熱帶氣旋、海洋環流、海洋溫度與鹽度的垂直結構分布等等，考慮較單純的氣候系統變化。而ESM除了前述GCM的功能之外，還考慮了地球氣候系統其他組成的運作，例如：碳循環、海洋與陸地的生物地質化學過程、大氣化學過程、人為作用、土地利用改變、森林砍伐等等，因此能透過模式模擬，對於氣候變遷情境如何影響大氣與碳循環的交互作用、植物生長、海洋酸化等議題，以及這些組成的變化如何回饋氣候系統，能夠以更貼近真實世界運作，預測長期的氣候變化和對生態、人類社會經濟的綜合影響。這些資訊無法由單純只考慮大氣與海洋組成的GCM推得。

過去為了拓展對氣候變遷研究之理解、推估未來氣候的可能發展，與評估氣候變遷帶來的潛在風險與衝擊，科學家需要能夠模擬地球氣候系統中複雜交互作用的研究工具，這樣的需求持續推動了環流模式、氣候模式以及後來的地球系統模式發展。IPCC第六次評估報告指出，人為活動導致溫室氣體增加，進而影響全球暖化與氣候變遷，在氣候研究上的證據越來越充分。暖化帶來的氣候變遷對生態系統、經濟和社會的廣泛影響，是當今全球共同面臨的嚴峻挑戰。藉由GCM與ESM幫助我們對於未來氣候的各種可能情境進行更深入的理解，提供更細緻的推估資訊以建立風險衝擊評估。

 

[1] Houghton, J. T. (Ed.). (1996). Climate change 1995: The science of climate change: contribution of working group I to the second assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Vol. 2). Cambridge University Press.

[2] McAvaney, B.J., et al. 2001: Model Evaluation. In: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 881pp. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/TAR-08.pdf

[3] Albritton, D.L., et al. 2001: Technical Summary. In: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 881pp. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/07/WG1_TAR_TS.pdf

[4] Baede, A.P.M., et al. 2001: The Climate System: an Overview. In: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 881pp. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/TAR-01.pdf

[5] Flato, G., J. Marotzke, B. Abiodun, P. Braconnot, S.C. Chou, W. Collins, P. Cox, F. Driouech, S. Emori, V. Eyring, C. Forest, P. Gleckler, E. Guilyardi, C. Jakob, V. Kattsov, C. Reason and M. Rummukainen, 2013: Evaluation of Climate Models. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assess ment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

[6]  Top Ten Breakthroughs of NOAA 200 Years Celebration: The First Climate Model, from https://celebrating200years.noaa.gov/breakthroughs/climate_model/welcome.html#model

[7]  NASA Center for Climate Simulation, Creating the Models, from https://www.nccs.nasa.gov/services/climate-data-services

[8]  Background of GFDL Earth System Models, from https://www.gfdl.noaa.gov/earth-system-model/

 

本文轉載自「臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台電子報076期」：

陳昭安，趙品諭，2024：氣候模式GCM、ESM之簡介與兩者異同。臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台電子報，第76期。