剛獲了諾獎的科學家怎樣預測了全球變暖？

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10月5日，2021年諾貝爾物理學獎正式揭曉，其中一半授予兩位氣候學家真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼，以表彰他們“對地球氣候的物理模擬、量化變率和可靠地預測全球變暖”。這是歷史上諾貝爾物理學獎首次被授予氣候學家。本刊約請中國科學院大氣物理研究所研究員周天軍為讀者做深度解讀。

真鍋淑郎

克勞斯·哈塞爾曼

科學家如何從物理上證明二氧化碳能使全球氣候變暖

關於工業革命以來的氣候變化，國際社會重點關注兩個核心問題，第一個核心問題就是如何從物理上證明二氧化碳能導致全球氣候變暖。

真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作，清晰地回答了這個問題。在證明二氧化碳對氣候變化的作用和複雜物理機制方面，國際上傑出的學者和傑出的工作很多，但真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作是開創性的第一個。如果不是韋瑟爾德於2011年在75歲時去世，他應該與今年90歲的真鍋淑郎一起獲獎。真鍋淑郎博士來自美國國家海洋大氣局地球流體動力學實驗室，同時是普林斯頓大學教授。

1967年6月，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德合作在美國氣象學會《大氣科學雜志》上發表了題為《給定相對濕度分布的大氣熱平衡》的著名論文。在文章中，基於輻射傳輸科學的最新進展，他們利用簡化的一維輻射對流平衡模型將大氣分為多個層，通過考慮輻射和對流的作用，真實地模擬重現了觀測的大氣垂直溫度廓線。

他們進一步基於該模型，計算了大氣中二氧化碳濃度從150ppm（指空氣中含有百萬分之一百五的二氧化碳）增加到300ppm，以及從300ppm增至600ppm時的溫度變化，結果發現，二氧化碳濃度每翻一倍，全球平均溫度將會變暖約2.3℃。這是最早的關於二氧化碳導致全球增暖的定量估算，非常接近今年8月公布的聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次科學評估報告給出的最佳估計值3.0℃。

這篇論文的創新之處，在於建立了一個數學上可靠，並首次能夠產生物理上真實結果的氣候模式，其關於二氧化碳影響全球增暖的物理機制的工作，基本上終結了此前關於二氧化碳是否導致全球變暖的辯論。

其學術成就之二，是研發了世界上第一個考慮三維大氣環流的氣候模式，從而衍生出現代氣候模式的發展，開啟了基於地球流體力學運動規律的三維氣候模式的發展及其在全球變暖研究中的應用新時代。1975年，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德合作在美國氣象學會《大氣科學雜志》上發表了題為《二氧化碳濃度加倍對一個環流模式的氣候影響》的論文，這篇論文被認為標志著環流氣候模式的誕生。

在這篇論文中，他們構建了一個理想海陸分布的海氣耦合模式，其海洋只是被簡單地處理為“濕地”、不能描述海洋環流及其熱輸送的變化。通過這樣一個理想處理的環流模式，他們證明二氧化碳增加所導致的全球增暖要比簡單的輻射對流模式的結果要強，同時，他們指出全球變暖具有極地強化現象（即北極的增暖要強於全球平均），還會令全球水循環增強。此後，隨著科學認知的提升、高性能計算的發展和計算能力的提高，氣候模式在世界上許多國家得到快速發展，能夠更為全面地反映大氣過程、海洋環流過程、冰凍圈過程、植被生態過程和大氣化學過程等，從而構成能夠完整描述大氣、海洋、陸面和海冰等的氣候系統模式，在模擬歷史變化、開展檢測歸因和預估未來變化中發揮著越來越重要的作用。因此，將真鍋淑郎稱為“現代氣候模式之父”實不為過。

人類活動在工業革命以來的增暖中到底貢獻多大

關於工業革命以來的氣候變化，國際社會重點關注的第二個核心問題，是人類活動在工業革命以來的增暖中到底貢獻多大。

在這一問題的解答上，克勞斯·哈塞爾曼的貢獻無可替代。即使沒有人類活動的影響，氣候也會存在不同時間尺度的冷暖振蕩，這被稱作“自然變率”。只有在理解自然變率這一“噪音”規律的基礎上，我們才能有效尋找我們關注的“信號”——人類活動影響的“指紋”，從而進一步定量估算人類活動在工業革命以來全球增暖中的貢獻。哈塞爾曼的工作，同時也向我們完美地展示了如何借助數學來回答氣候變化中的物理問題。

克勞斯·哈塞爾曼博士來自位於德國漢堡的馬普氣象研究所，是該研究所的創始人。哈塞爾曼的貢獻之一是提出了描述氣候變化的隨機氣候模型，把長時間尺度的氣候變化解釋為短時間尺度的天氣過程的“累積”，從而在混沌隨機的天氣過程和穩定的氣候變化之間架起了橋梁。

克勞斯·哈塞爾曼的隨機氣候模型，能夠完美解釋自然氣候變率。在人類出現於地球後的數萬年發展過程中，絕大部分時間對居住環境和相應氣候條件這種自然變化是被動地適應的。如何解釋這種自然振蕩的物理成因，哈塞爾曼1976年發表著名論文提出了隨機氣候模型，認為快速變化的白噪聲天氣的變率，可能造成氣候系統的慢變化紅噪聲響應。以大氣對海洋的強迫為例，時刻都處於運動之中的快速變化的大氣，能夠引起與之相耦合的緩慢變化的海洋產生年代際或更長尺度的運動。如今，“哈塞爾曼機制”和大名鼎鼎的“混沌之父”、提出“蝴蝶效應”的洛倫茲發現的“洛倫茲機制”並列為可解釋氣候系統自然變率的兩大機制之一，後者認為混沌性的短期天氣變率自身就可以產生氣候事件尺度的變率。

克勞斯·哈塞爾曼的另一個貢獻是，提出了包括溫室氣體在內的影響因子會在氣候變化序列中留下特定的信號，這種特定的信號可以被稱為“指紋”，通過分離出這種指紋，我們可以檢測出人類活動對氣候變化的影響。這是我們開展氣候變化檢測歸因研究的理論基礎。

克勞斯·哈塞爾曼的兩項成就，對定量估算人類活動在氣候變化中的貢獻十分關鍵。正是基於檢測歸因技術，IPCC第六次評估報告得出結論，“毋庸置疑，人為影響正在使得大氣、海洋和陸地變暖”。

兩位獲獎者成就立足於百年氣候變化科學探索

諾獎官方新聞稿寫道，“我們不能再說我們不知道——氣候模式是明確的：地球在升溫嗎？是的。是因為大氣中溫室氣體含量的增加嗎？是的。可以僅僅用自然因素來解釋嗎？不是的。人類的排放物是溫度升高的原因嗎？是的。”

對於上述四個問題的回答，真鍋淑郎的工作為回答前兩個問題奠定了基礎，而克勞斯·哈塞爾曼的工作則為回答後兩個問題奠定了基礎。兩位獲獎人的工作，彼此也相輔相成，因為氣候變化的檢測歸因依賴於氣候模式及其模擬試驗結果，沒有氣候模式支撐，克勞斯·哈塞爾曼的檢測歸因就無從實現；同時，若沒有克勞斯·哈塞爾曼關於信噪比和檢測歸因的理論研究及其方法，我們就無法利用氣候模擬試驗和統計技術來定量回答觀測中的變化到底有多少人類活動的貢獻，氣候模式的重要作用就要打折扣。

兩位氣候物理學家的獲獎研究表明，我們關於氣候的知識，是基於對觀測的嚴格分析，建立在堅實的科學基礎之上的。氣候變化的理論和結論，都是基於非常嚴格、複雜的數學和物理理論得出的。

回顧氣候變化科學的百年征程，氣候變化科學的物理理論得到科學界的認同和表彰委實不易。

1827年，法國數學家和物理學家約瑟夫·傅裏葉發現了溫室效應；

1861年，英國物理學家丁澤爾在實驗室裏證明溫室效應；

1896年，諾貝爾化學獎得主、瑞典化學家斯萬特·阿倫尼烏斯在溫室效應的物理原理基礎上提出了人造溫室效應的可能性，他認為，工業化會造成二氧化碳增多，導致全球溫度升高，他認為如果大氣二氧化碳增加一倍，溫度將升高5-6℃，反之，如果大氣中的二氧化碳濃度減半，則將足以使地球進入下一個冰河世紀；

1901年，斯萬特·阿倫尼烏斯的同事氣象學家尼爾斯·古斯塔夫·埃科赫姆第一次使用溫室效應這個詞來描述大氣吸熱與逆輻射過程；

1949年，劍橋大學R.M.古迪首次創造性地提出利用輻射-對流過程來解釋對流層頂和平流層低層溫度的熱力平衡；

1956年，美國約翰霍普金斯大學普拉斯指出15二氧化碳波段上的輻射效應，若二氧化碳加倍，全球將變暖3.6℃，若減半則將變冷3.8℃。

輻射傳輸理論的豐厚研究積累，最終使得真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德於1967年利用簡化的一維輻射對流平衡模型，真實地模擬重現了觀測的大氣垂直溫度廓線，並定量估算了二氧化碳導致的全球增暖，提出了其中水汽的重要反饋作用。大氣物理學界跨越世紀的豐厚研究成果的整體支撐，是真鍋淑郎等在全球變暖物理機理研究上取得突破的重要支撐。這也意味著，氣候變化科學作為一門具有嚴格數學和物理基礎的科學，也從此被科學界所認同，這一認同和表彰的確來之不易。

氣候科學建立在物理學的基礎之上，並極大地受益於數學、化學和計算科學的發展以及高性能計算機、空基和地基遙測遙感技術的整體支持。真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的獲獎，是氣候科學發展歷史上的一個里程碑，氣候學界將站在巨人的肩膀上繼續前行。

兩位獲獎人還曾經直接對IPCC科學報告的編寫做出貢獻。兩位獲獎者都是IPCC第一次評估報告（1990）和第三次評估報告（2001）的作者，哈塞爾曼還是1995年第二次評估報告的作者。

延伸閱讀

真鍋淑郎與中國氣象界交往密切

2005年7月，真鍋淑郎先生（前排右一）在中國科學院大氣物理所參加科學研討。

真鍋淑郎與中國淵源頗深，與中國氣象界交往密切，多次到中國交流講學。中國科學院大氣物理研究所葉篤正院士(2005年國家最高科技獎獲得者)、陶詩言院士、曾慶存院士（2019年國家最高科技獎獲得者）等曾經和真鍋淑郎共事，他們都在美國國家海洋大氣局的地球流體力學實驗室一起工作過，與真鍋淑郎先生結下深厚的友誼。

2005年國家最高科技獎獲得者葉篤正先生訪問地球流體力學實驗室期間的合作者就是真鍋淑郎先生，二人合作於1982年在國際期刊發表了關於土壤濕度記憶力的重要學術文章，推動了國際上關於青藏高原氣候影響的數值模擬研究。2005年8月6日，“國際氣象學和大氣科學協會”科學大會特別研討會“從大氣環流到全球變化：資深院士葉篤正教授90華誕慶祝會”在中國科學院大氣物理研究所舉辦，真鍋淑郎先生專程趕來北京參會，表達他對葉篤正先生的敬意。

周天軍研究員介紹說：“2009年，應日本名古屋大學水循環研究中心安成哲三教授的邀請，我到那裏做訪問教授，真鍋淑郎恰好也應安成教授的邀請來做短訪。我們都住在名古屋大學校園裏的客座教授公寓，有了聊天的機會。當時真鍋淑郎盡管年近80，但精力充沛，永遠有著說不完的觀點和點評，他性格之開朗和健談，給我留下深刻印象。他曾說，能夠利用手上所有的資源來做自己最喜歡做、最好奇做的事，這是他最開心的事情。”

來源 北京日報客戶端 | 記者 王鴻良

編輯 蔡文清

流程編輯 劉偉利