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．氣候模式是一種由電腦模擬氣候系統的工具。最初的模式僅能簡單描述大氣垂直結構，隨著科學研究與電腦技術的進步，逐漸發展為能耦合各項參數等的地球系統模式。
．氣候模式可用於推估不同溫室氣體排放情境下的未來氣候變化。氣候系統本屬於混沌的系統且計算量龐大，全球科學界透過耦合模式比對計畫共享資料，作為全球氣候政策的重要依據。
．臺灣自 2011 年起自主研發臺灣地球系統模式，在國際評比中表現優異。未來透過持續的發展與國際合作，臺灣可更精準應對氣候變遷挑戰，為決策者提供科學依據。

讀者是否曾經感到疑惑，為什麼天氣預報只能勉強預報到一週後，氣候模式（climate models）卻可以模擬 100 年後的狀態呢？氣候模式提供的結果可信嗎？

氣候模式其實是一種將大氣、海洋、陸地與生物地球化學過程數學化後，以電腦程式進行模擬的研究工具，建立在大量的科學知識及電腦科技上。接下來將一同探究氣候模式的建構原理、發展歷程及應用，並說明臺灣在氣候模式發展上的重要進展與貢獻。

什麼是氣候模式？

氣候模式的建構原理是將地球表面與大氣分割為許多格點（grid cells，圖一），在每個格點上套用已知的物理及化學定律，以模擬各種氣候過程的變化，包括大氣流動、水氣蒸發、雲的形成、降水、海洋洋流與陸地植被變化等。這類模式常被稱為全球環流模式（general circulation models, GCMs）或全球氣候模式（global climate models）。

隨著科學家對地球系統理解的程度加深，以及電腦軟硬體技術與計算能力的提升，現今的氣候模式已逐漸擴充至涵蓋更多的生物與地球化學過程（biogeochemical processes），例如碳循環、氮循環等。這類模型被稱為地球系統模式（earth system models, ESMs），能模擬自然與人為過程的交互作用，提供更完整的氣候模擬能力。

氣候模式的發展

氣候模式的先驅是日裔美籍氣候學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe），他因對氣候模式建構的重要貢獻，於 2021 年獲頒諾貝爾物理學獎。真鍋淑郎在他於 1964 年發表的論文中，使用一個僅具有垂直維度的氣候模式，將大氣垂直分層後，以簡單的能量收支概念，計算每一層大氣達到熱平衡時的溫度，成功模擬出平均氣溫隨高度變化的垂直分布，並探討平流層臭氧、二氧化碳（CO₂）、大氣對流、水氣及雲對氣溫的影響。

受到真鍋淑郎的研究啟發，科學家也開始分別針對大氣、海洋、陸地與海冰等地球系統的重要組成部分，各自建立數學模型以模擬其變化 。 圖二是聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）所發布的 IPCC 第四次評估報告中彙整的氣候模式發展歷程 ， 以各次評估報告的時期為分界 ，呈現氣候模式的進展。

大氣模式首先在 1970 年代發展出具備三維結構的雛型，能模擬二氧化碳產生的溫室效應。而到了 1980 年代，大氣模式開始加入非常簡化的地表狀態（land surface）及靜態海冰（prescribed ice） 。至於最初期的海洋模式也在 1980 年代出現，當時僅能模擬表層混和層，還不包含洋流等動態特徵，所以被稱為 「沼澤型海洋模式」 （swamp ocean） ，並在 1990 年左右，也就是 IPCC 第一次評估報告時期，正式與大氣模式耦合在一起〔註〕 。

〔註〕耦合是指不同系統間彼此影響，例如海表面溫度會影響大氣溫度，大氣溫度也會影響海冰融化，這類模式稱為「耦合模式」（coupled model）。

海洋與大氣耦合過程的發展，主要是受到聖嬰現象（El Niño）研究的推動。1987 年，茲比亞克（Steve Zebiak）與凱恩（Mark Cane）兩位科學家共同發表了一篇深具影響力的論文，成功地將大氣與簡單海洋模式耦合在一起，並模擬出聖嬰現象。該模式模擬出赤道東太平洋海表面溫度上升的型態，以及聖嬰現象約 3～ 4 年的週期特徵，使科學家能在 1～ 2 年前就預測聖嬰事件的發生。這項成就大幅促進了海氣耦合模式的發展及科學界對聖嬰現象的理解。

隨後海洋模式也逐漸加入更多細節，包含表層洋流、深海環流等。到了 2007 年 IPCC 第四次評估報告時，大部分海氣耦合模式已包含動態海冰模式。雖然海冰的覆蓋面積不大，但由於冰的反照率高，加上海冰會阻斷海氣介面的能量交換，因此對於地球系統的能量收支有顯著的影響。

另外，科學界對氣膠（aerosol）相關的模擬始於1980 年代，美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）研究員查特菲爾德（Robert Chatfield）與荷蘭化學家克魯岑（Paul Crutzen）〔註 1〕於 1984 年 發表了一篇開創性的論文，首次模擬來自地表的硫化物經由大氣對流傳送到高空後，透過光化學反應在對流層中、上層形成二氧化硫 （SO₂） 的過程，進而影響雲的形成與太陽輻射的吸收。受到這篇論文的啟發，1980 年代末到 1990 年代之間，全球各地的研究團隊陸續建立出自己的大氣化學傳送模式 ……【更多內容請閱讀科學月刊第671期】