气候变化正在改变我们的天气，精确的气候模式对欧洲等大陆做好应对极端天气的准备至关重要。
更新、更详细且更精确的模拟有助于各国增强韧性，并为未来事件进行规划。
科学家预计随着气候变暖，对流风暴的频率和强度将发生变化。理解这些变化对于确保关键基础设施在极端天气下的韧性至关重要。
然而，要精确预估对流天气，需要“高分辨率”气候模式。但气候服务往往缺乏此类详细数据，通常只能依赖现有的粗略气候模式输出结果。
因此，城市洪涝管理、太阳能板和农作物的冰雹损害以及闪电对电网的影响等适应性规划，往往只能依靠粗略的假设。
幸运的是，新一代被称为“对流可分辨模式”（CPM）的气候模式，正在显著提升我们预估高影响极端天气变化的能力。
在一对新发表的论文中（发表于《Climate Dynamics》），我们展示了CPM应用的最新进展如何为欧洲气候变化风险评估提供了显著更多的信息。
高分辨率模式
为了模拟地球气候，模式会将地球表面及其上方的大气划分为一个巨大的网格。随后，模式会针对每个网格单元计算温度、湿度和降雨量等气候变量。
全球模式的网格间距通常在10至100公里量级。建模人员必须在更小网格单元带来的更多细节与更高分辨率模式运行所需的更强大算力之间取得平衡。
“对流可分辨模式”（CPM）是地球气候的超高分辨率模式，其网格间距小于5公里。CPM能更好地模拟大气中的小尺度过程。正如其名称所示，这包括对流——它是许多破坏性极端天气事件中的关键过程。（您可以在Lizzie Kendon博士此前在Carbon Brief上发表的客座文章中，阅读更多关于对流和CPM的内容。）
下图展示了这一更高的细节水平。图中显示了伦敦地区的情况：左图为典型区域气候模式所使用的12公里网格框，右图为CPM所使用的2.2公里网格框。
CPM已广泛应用于天气预报，但超级计算能力的提升意味着它们正日益可用于长期气候预估，例如英国气候预估（UKCP）和欧洲气候预测系统（EUCP）项目。
UKCP和EUCP分别为英国和欧洲未来数十年提供高分辨率气候模拟，可用于基于风险的规划。
例如，山洪——主要由亚日尺度上的强降雨引发——在未来欧洲各地可能变得更加频繁。城市的脆弱性尤其高，城市洪涝风险以及受影响人口数量预计将增加。
CPM首次为短时强降水极端事件的未来变化提供了可靠预估。我们的研究表明，夏季每小时降雨量的增强幅度超出了此前的预期，并且已显示超过关键洪水预警阈值的频率发生了显著变化。
CPM还表明，传统气候模式可能低估冬季平均降雨量的变化，而冬季对流性阵雨是其中的关键因素。
凭借更详细的过程表征，CPM能够成功模拟强对流风暴的关键物理过程。这包括解析风暴内的气流——即上升气流和下沉气流——以及更好地表征冰雹、软雹（“霰”）和闪电。
精确模拟冰相过程对于正确模拟风暴内的电荷至关重要。例如，近期研究表明，纳入这些过程可能导致未来闪电变化预估与早期研究结果的符号相反。
CPM还为风速极端事件以及“刺风急流”的未来变化提供了新信息。刺风急流是某些气旋中存在的极高风速核心区，需要高分辨率模式才能得到充分表征。它们是造成某些最具破坏性的地面阵风的原因之一，例如英国1987年大风暴。
理解CPM预估的不确定性
迄今为止，我们从CPM预估中获得的大部分认识，都基于针对特定区域的单一CPM模拟。但是，通过对同一区域运行多个不同的CPM（每个由不同的气候建模中心开发），我们可以检验结果的稳健性，并进一步了解未来高影响天气的不确定性。
针对欧洲的一组全新多模式CPM预估首次使我们能够评估这种不确定性，并让我们得以一窥可用于风险评估的新一代气候预估。
这些新预估是两个项目共同努力的成果：前文提及的EUCP，以及CORDEX-FPSCONV。后者是“欧洲与地中海对流现象旗舰试点研究”，隶属于“协调区域气候降尺度试验”。
由22个不同气候建模小组组成的联合团队，针对阿尔卑斯山上空的一个共同区域运行了不同的CPM模式。该区域还包括部分地中海海域以及一些常受短时极端降水影响的邻近陆地区域。这些极端事件可能导致灾难性洪水，尤其是在该地区典型的小型陡峭河流集水区发生时。
该区域地理条件非常复杂，包括一个几乎封闭的海域（周围是城市化的海岸线）以及复杂的山脉系统。这使其在较粗尺度的气候模式中极难表征，因而是检验CPM的良好案例。
阿尔卑斯案例研究
研究的第一部分评估了多模式CPM在当前阶段对阿尔卑斯地区气候的表征程度有多真实。
此前的研究使用单一模式的研究已经证明，CPM在降雨表征方面带来了显著改进，尤其体现在降雨时间和极端降雨强度方面。
我们的多模式研究证实，这些改进中的许多在不同CPM之间是一致的，这增强了我们对研究结果的信心。特别是，CPM在降雨发生情况以及高影响极端事件强度的表征方面始终表现更佳，解决了粗分辨率模式长期存在的问题。
下图显示，3公里尺度的CPM在捕捉夏季强降雨事件强度方面，明显优于上一代（12公里）模式。
在阿尔卑斯地区，对流通常在傍晚时分产生降水，而且这种降雨的日内时间分布也得到了始终更好的捕捉。
第二部分考察了在极高排放情景RCP8.5下，直至本世纪末12次模拟中的降雨变化情况。结果一致表明，使用CPM时，夏季和秋季未来暴雨强度的增加会被放大。
此外，纵观各模式的结果离散程度，与对应的较粗模式相比，我们看到结果具有更高的确定性。结果离散度的降低，加之对模式更准确表征小尺度过程的信心增强，表明CPM有望降低未来降雨预估的不确定性。
在EUCP中，我们目前正开始运用新的多模式CPM预估，以在部分关键影响领域提供更好的气候变化信息。
在欧洲阿尔卑斯山地区，破坏性山洪主要由当地短时强降雨风暴引发。通过将CPM高空间和时间分辨率的输出与公里级分辨率水文模式相结合，我们可以开始评估此类事件的未来变化。
针对阿尔卑斯河流流域的早期结果（最初仅使用单一CPM的数据）表明，与当前相比，在高排放情景下，此类山洪的频率和规模将会增加。集合CPM预估使我们能够检验该结果的稳健性，并让我们初步估计山洪未来变化的不确定性。
后续步骤
通过EUCP，针对欧洲大陆大部分地区的小型多模式CPM预估集合即将推出。这将为探索欧洲其他地区未来的极端天气、其影响及其不确定性创造新的机会。
就英国而言，此项工作由英国气候预估予以补充，其中包括由12次模式运行组成的集合，分辨率为2.2公里，来自单一CPM，由英国气象局哈德利中心全球气候模式的不同版本驱动。
EUCP多模式预估以前所未有的规模提供了大量信息，有助于理解未来高影响天气事件变化的不确定性。
山洪只是CPM新信息将极具价值的几个影响领域之一。得益于对陆面和土壤湿度更为详细的表征，我们还有望在干旱和热浪方面获得进一步的新见解。其他重要领域包括气候变化对发电（例如可再生能源的风能）和输电（包括冰雹和闪电对电力基础设施的影响）的影响，以及对城市热环境和人类健康的影响。
然而，新信息也带来了一些新的科学挑战。CPM仍需要过多的算力，使我们无法运行足够大的集合，以充分表征欧洲所有地区的不确定性。
对于欧洲大多数地区而言，集合规模无法与阿尔卑斯地区相比。需要开发新方法，以充分利用有限数量CPM模拟的现有数据，并将其与更大规模的较粗分辨率气候模式集合信息相结合。
幸运的是，一些建模小组已在探索混合技术，将CPM建模与机器学习等统计方法相结合，以更全面地呈现预估的不确定性。
