透視全球變暖的氣候大師

魏科 包慶

復(fù)雜系統(tǒng)由許多存在著相互作用的部分組成，或是由某種隨機(jī)性主導(dǎo)，或是組分?jǐn)?shù)量龐大，或是具有混沌的特點——若是系統(tǒng)受到一點擾動，就會產(chǎn)生巨大的改變。2021年諾貝爾物理學(xué)獎授予三位 “對我們理解復(fù)雜的物理系統(tǒng)做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”的科學(xué)家，他們是發(fā)展出首個氣候模式的真鍋淑郎、提出氣候變化歸因檢測方法的哈塞爾曼（K. Hasselmann）和在自旋玻璃問題上做出創(chuàng)新的帕里西（G. Parisi）。

地球足夠小，質(zhì)量僅是太陽的33萬分之一，在宇宙里僅是一個“暗淡藍(lán)點”“一粒懸浮在陽光中的微塵”。地球又足夠大，有復(fù)雜多變的天氣與洋流。所謂的 “蝴蝶效應(yīng)”告訴我們，一些看似細(xì)微的變動，會引發(fā)極為顯著的天氣變化，即表現(xiàn)了天氣的復(fù)雜性。大氣運動是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)，小到半徑幾十厘米發(fā)生在街角的小塵卷，大到半徑數(shù)百公里的臺風(fēng)，乃至范圍達(dá)到數(shù)萬公里的行星尺度波動，都是大氣運動在各種尺度上的表現(xiàn)。作為大氣運行能量來源的太陽輻射，在地表分布上有緯度差異，由于黃赤交角的存在，在時間上呈現(xiàn)年度周期變化，這讓大氣運行更加復(fù)雜多樣。不過，描述大氣狀態(tài)的大氣運動方程組看起來只有簡單的七個方程：三個方向上的運動方程（動量守恒方程）、質(zhì)量守恒的連續(xù)方程、理想氣體狀態(tài)方程、熱力學(xué)能量方程和水汽質(zhì)量方程。它們描繪的空間尺度跨度非常大，從塵卷到行星尺度跨越6～7個數(shù)量級。從時間尺度上來講，這套方程組適用于持續(xù)幾分鐘的擾動，也適用于幾天的天氣變化過程，甚至數(shù)萬年以上的氣候變化，跨越7～8個數(shù)量級。

很明顯，在研究中無法考慮每個擾動和過程，只能在不同情況中考察其重點。對于平時關(guān)注的天氣而言，主要是每天溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象觀測量及其變化，而可以忽略塵卷的發(fā)生，但是一定要考慮暴虐的臺風(fēng)過程；而若要預(yù)測中緯度地區(qū)未來數(shù)天到一周的天氣，則行星尺度的波動非常關(guān)鍵。如果關(guān)注未來百年的氣候，則要關(guān)心氣象觀測量的統(tǒng)計表現(xiàn)，那就完全可以忽略短時間的臺風(fēng)和暴風(fēng)雪，只考慮能量平衡和平均狀況。

這一套方程不僅囊括了時空上多種尺度的過程，也同時包含了強(qiáng)弱差距懸殊的不同效應(yīng)。例如對于中緯度地區(qū)的天氣系統(tǒng)而言，在自由大氣中，摩擦力的大小比氣壓梯度力小9個量級。那么完全忽略摩擦力的耗散作用，不會影響短期天氣預(yù)報的結(jié)果。然而在考慮長時間積分的時候，則要對其有合理的考慮。

大氣作為一個復(fù)雜體系，雖然人們已明確掌控其運動規(guī)律的方程，但這對于了解大氣運動和變化而言，僅僅是個開始。這套非線性的方程組，目前我們并無法求解其解析解，只能通過離散化求解數(shù)值解。在這一過程中，全球觀測數(shù)據(jù)的初始觀測值誤差、物理過程的不確定、計算方案的簡化等都會進(jìn)一步帶來誤差，從而使得數(shù)值解存在不確定性，增加其復(fù)雜度。在復(fù)雜體系中尋找確定性，就需要提煉出其核心過程。

2021年諾貝爾物理學(xué)獎的得主中有兩位研究全球變暖問題的氣候?qū)W家。他們的成果都有助于人們理解全球變暖的機(jī)制。這也是氣候變化研究中的核心問題，尤其是當(dāng)大氣中溫室氣體含量增倍或者減半的時候，會引起多大的氣候響應(yīng)。

人類對于大氣溫室效應(yīng)的認(rèn)識，可以追溯至著名物理學(xué)家傅里葉 （J. Fourier）的工作。1827年，傅里葉推測大氣可形成類似于玻璃溫室的屏障，對入射的太陽輻射幾乎透明，卻可以大量攔截和吸收地球表面向外的輻射通量。1860年，愛爾蘭物理學(xué)家丁達(dá)爾（J. Tyndall）進(jìn)一步確定溫室氣體主要是水汽、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等，其中吸收性最強(qiáng)的是水汽，其次是CO2。

1896年，瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯（S. Arrhenius）利用輻射能量和溫度之間的關(guān)系為傅里葉的推測提供了物理解釋。簡單來說，由于熱輻射功率與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，所以表面溫度達(dá)到約6000℃的太陽，其輻射的主要是可見光，而地球表面的輻射則主要處在紅外波段。地球大氣對于可見光是透明的，但對紅外波段具有吸收作用，這使得地面附近能夠保持平均15℃的氣溫。他進(jìn)一步討論了地球表面氣溫與大氣中CO2濃度之間的關(guān)系，即氣候敏感度問題。他得到的結(jié)果顯示，當(dāng)溫室氣體濃度加倍時，全球地表氣溫將增加5～6℃。這一數(shù)值遠(yuǎn)高于目前科學(xué)界的認(rèn)知，根源在于他沒有考慮大氣環(huán)流的熱量輸送和垂直對流的熱量交換，而把地表氣溫變化僅看作是由輻射過程控制的。這樣得到的實際是“輻射平衡”狀態(tài)下的地表氣溫。1931年，赫爾伯特（E. O. Hulbert）也討論了CO2濃度加倍時的溫室效應(yīng)問題，但由于赫爾伯特對CO2的吸收率估計過高，他的結(jié)果同樣偏大。

真鍋淑郎在1960年代研究氣候變化時，和阿倫尼烏斯有著類似的目標(biāo)——解釋CO2含量對氣候的影響。不過，他的研究不再只是輻射平衡模型，而是將對流引起的大氣輸運過程和水汽的潛熱考慮在內(nèi)。他考慮到：由于大氣干濕對流對于地表熱量具有向上輸運的效應(yīng)，故需要將大氣分為多個層次進(jìn)行考慮；而當(dāng)大氣向高層延伸時，大氣的加熱源不僅來自地表，在平流層的高度，還來自臭氧層對太陽紫外輻射的吸收。受制于當(dāng)時的計算條件，他將簡化進(jìn)行到極致，把整個地球大氣簡化為一個單柱模式[1]：在地面上只有一個點，向上伸展到平流層高層，垂直分為18層，僅考慮太陽輻射、長波輻射、向上熱通量（感熱和潛熱合并計算，不做區(qū)分）、對流的垂直輸送過程。這種高度近似抓住了地球能量平衡的主要過程，即從太陽獲得短波輻射，再通過長波輻射和各種熱量輸送過程，將能量傳輸?shù)饺?，最終達(dá)到地氣系統(tǒng)的能量收支平衡狀態(tài)。

在這個模式中，大氣的相對濕度基本保持不變，真鍋淑郎創(chuàng)造性地引入“對流調(diào)整”方案。當(dāng)?shù)蛯訙囟冗^高，導(dǎo)致垂直溫度遞減達(dá)到超臨界時，大氣轉(zhuǎn)變?yōu)閷α髦行誀顟B(tài)，并保持總能量不發(fā)生變化。通過這種方式，他考慮到了對流過程中潛熱釋放對熱量的輸送和對中高層大氣的加熱作用，最終使得大氣處于“輻射對流平衡”狀態(tài)。而如果不考慮這些過程，大氣則處于“輻射平衡”狀態(tài)。根據(jù)真鍋淑郎的計算，“輻射平衡”時地表氣溫極高，達(dá)到60℃左右，且在大氣中溫度遞減率數(shù)值極大，遠(yuǎn)超正常對流層大氣的垂直溫度遞減率的數(shù)值（約6.5℃/千米，即從海平面起，每升高1千米，大氣的溫度降低約6.5℃ ）；而在“輻射對流平衡”狀態(tài)，晴空大氣情況下的地表氣溫為27℃，考慮云的影響時，地表氣溫為14℃。這非常接近地球表面平均氣溫，對流層大氣的垂直溫度遞減率也接近實際。

以單柱模式為基礎(chǔ)，真鍋淑郎進(jìn)行了一系列數(shù)值試驗，評估CO2濃度變化造成的氣候影響，特別是CO2濃度加倍和減半情況下地球大氣溫度的變化。他于1967年指出[1]，當(dāng)全球CO2含量翻番的時候，對流層溫度升高，全球表面溫度升高約為2.36℃，而平流層則溫度降低，在高度30千米處降溫約5℃，40千米處降溫約10℃。盡管真鍋淑郎使用的是單柱模式，比現(xiàn)在的氣候模式簡單得多，但是其估算的數(shù)值非常接近目前高度復(fù)雜的數(shù)值模式的估算結(jié)果。例如，2021年8月9日聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第六次氣候變化評估（IPCC AR6）[2]預(yù)測CO2濃度翻番時全球氣溫將上升2.5～4℃，其中最佳估計是3℃，之前的第五次氣候變化評估報告（IPCC AR5）給出的預(yù)測范圍是1.5～4.5℃。

大氣科學(xué)，一方面是一門數(shù)理學(xué)科，它將大氣運動過程建立在物理原理的基礎(chǔ)上并用方程描述它；另一方面，運動方程只是開始研究的一小步，從運動方程中得到關(guān)于未來天氣和氣候變化的預(yù)測才能體現(xiàn)這一學(xué)科的價值。從這一點上來說，它必須借助高性能計算才能獲得發(fā)展。

在數(shù)值模式發(fā)展的早期，數(shù)值模式運算量龐大，必須對模型進(jìn)行高度簡化。1922年，英國氣象學(xué)家理查森（L. F. Richardson）最早進(jìn)行了數(shù)值計算天氣預(yù)報的嘗試，他設(shè)計了以德國為中心，水平網(wǎng)格距為200千米，垂直網(wǎng)格距約為200 百帕的五層數(shù)值模型，范圍包括歐洲。利用1910年5月20日的觀測資料，計算6小時后的地面氣壓變化。這一計算工作用了約3個月，結(jié)果顯示6小時后地面氣壓升高了146百帕——這么大的增幅在現(xiàn)實中幾乎不會出現(xiàn)。

理查森的錯誤，現(xiàn)在看來是因為對于大氣運動方程組的復(fù)雜程度了解不夠，尤其是對方程組里的快慢過程沒有做合理區(qū)分，導(dǎo)致計算中作為“噪聲”的快過程不合理發(fā)展。1946年查尼（J. G. Charney）提出尺度分析的概念，指出大氣中存在大尺度的慢過程和小尺度的快過程，而且只有將大氣中聲波和重力波等快過程去掉，才能獲得大尺度大氣演變的基本特征。

理查森曾估算，若依靠人力制作24小時的天氣預(yù)報，約需要64 000名計算員協(xié)同合作。因而在電子計算機(jī)發(fā)明之前，數(shù)值預(yù)報基本是不可能完成的任務(wù)。在世界第一臺電子數(shù)字積分計算機(jī)（ENIAC）研制成功后不久的1946年8月，查尼認(rèn)識了研制ENIAC的“計算機(jī)之父”馮·諾依曼，并加入他在普林斯頓大學(xué)的團(tuán)隊，成為數(shù)值預(yù)報的負(fù)責(zé)人。1950年，查尼對大氣運動方程組進(jìn)行了大規(guī)模簡化，采用500百帕高度的正壓渦度方程，濾去了大氣中的快過程，利用ENIAC進(jìn)行24小時預(yù)報，耗費24小時，取得了初步成功?！皵?shù)值天氣預(yù)報”一詞由此正式使用。

盡管計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，但是計算模擬天氣和氣候依然是個艱巨的任務(wù)。真鍋淑郎在加入美國氣象局大氣環(huán)流研究部之后，與都田菊郎一起，發(fā)展了一個兩層原始方程模式。隨著對氣候的關(guān)注，很快將其發(fā)展成為兩層大氣環(huán)流模式和九層大氣環(huán)流模式。真鍋淑郎意識到海洋在長期氣候演化中起到舉足輕重的作用，便與海洋模式專家布賴恩（K. Bryan）合作，于1970年代發(fā)展出最早的海氣耦合模式。普林斯頓大學(xué)有當(dāng)時最好的計算條件，但當(dāng)時的計算機(jī)算力還不如現(xiàn)在的手機(jī)和MP3播放器。即使模式非常簡單，當(dāng)時的UNIVAC 1108 計算機(jī)計算一個模式日也需要20分鐘，為了實現(xiàn)積分達(dá)到平衡態(tài)，則需要連續(xù)計算50天之久——在當(dāng)時很難保證穩(wěn)定運行這么多天。

在這樣的條件下，真鍋淑郎利用簡化的單柱模式、半球模式、大氣環(huán)流模式和海氣耦合模式，做了大量的數(shù)值模擬工作，討論了CO2加倍的氣候敏感度問題、極地放大問題、季節(jié)演變問題、冰期—間冰期變化、海洋環(huán)流變化、水汽循環(huán)等，這些都是全球氣候變化研究的基本問題和新的領(lǐng)域。

有人將真鍋淑郎先生比作氣候研究領(lǐng)域的邁克爾·喬丹。正如喬丹成為了籃球界劃時代的人物一樣，真鍋淑郎是氣候研究領(lǐng)域的標(biāo)志人物，他把氣候變化的科學(xué)研究提高到了一個更高的境界。

關(guān)于全球變暖的原因，哈塞爾曼通過首創(chuàng)氣候變化的檢測、歸因和指紋識別的方法，找出了答案。利用數(shù)值模擬，可以將自然過程和人類活動在氣候變化中留下的獨特“指紋”進(jìn)行區(qū)分，從而識別太陽輻射、火山爆發(fā)、氣溶膠變化或溫室氣體濃度變化引起的氣候異常。通過對氣候變化原因的解析，哈塞爾曼把人類活動和自然過程區(qū)分開來，證明了大氣溫度的升高是由于人類排放了過多的CO2，并建立起清晰的人類活動影響地球氣候系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)。

哈塞爾曼和CO2溫室效應(yīng)的“偶遇”至少可以追溯到1960年代他在加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校任教期間。在那里，他遇到了基林（C. Keeling）。后者從1958年起便連續(xù)測定大氣中的CO2，得到目前持續(xù)時間最長的測量記錄，并繪制了著名的 “基林曲線”。

哈塞爾曼所關(guān)心的海洋氣候演化問題同樣涉及多個時間尺度。風(fēng)力、氣溫的變化每時每刻都在發(fā)生，而海洋均勻升溫1℃卻需要千年以上的時間。天氣復(fù)雜多變，那其中是否還包含著關(guān)于氣候長期演化的信息？哈塞爾曼回答了這一問題，他展示了天氣和氣候變化趨勢之間的聯(lián)系。在哈塞爾曼提出的隨機(jī)氣候模型中，他將多變的天氣視作氣候變化中的“隨機(jī)噪聲”，并證明了這些“噪聲”對氣候演化趨勢造成的影響。1976年，他對比了隨機(jī)氣候模型的結(jié)果與北大西洋地區(qū)海洋表面溫度的數(shù)據(jù)[3]，這便成為該模型的首次應(yīng)用。

如何科學(xué)地將氣候模型預(yù)言的結(jié)果與觀測記錄做比較，是哈塞爾曼接下來研究的問題。他開發(fā)出了“指紋”識別的方法[4]。與他在建立隨機(jī)氣象模型時的思路類似，源自大氣本身不穩(wěn)定性的天氣變化可以視作“噪聲”，而氣候演化趨勢，則是有意義的“信號”，它們都混雜于觀測記錄之中。同時，借由物理機(jī)制和氣候模型，可以推測某一因素造成的觀測值的變化，尤其是這些變化量在空間上的分布特性和時間上的演化特性。不同的影響因素，如火山噴發(fā)和溫室氣體排放，對氣象觀測結(jié)果的影響有著不同的特性，這就好比它們留下的“指紋”。該方法的開創(chuàng)性在于，它不再像之前研究那樣，在單點搜索信號，而是綜合地在整體層面上處理觀測數(shù)據(jù)。這就像，人們在生活中并不通過聲音的響度、頻率等單一物理因素來分辨聲音，而只有通過“音色”這一綜合性的聲音特點，才能做到“聽音辨人”。

這一方法使得“CO2導(dǎo)致溫室效應(yīng)”這一論斷，獲得了統(tǒng)計學(xué)的理論基礎(chǔ)。換言之，我們今天將氣溫上升歸因于CO2濃度的變化，并不是因為同時觀測到了氣溫上升和CO2濃度升高兩種現(xiàn)象，也不是簡單地因為氣候模型產(chǎn)生了與數(shù)據(jù)一致的全球變暖的結(jié)果，而是因為，根據(jù)“指紋”方法，人類活動導(dǎo)致的CO2含量上升這一因素和全球變暖之間的關(guān)聯(lián)，已經(jīng)達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)對差異顯著性的要求。

2021年8月份發(fā)布的IPCC AR6報告[2]嚴(yán)正指出：“毋庸置疑，人類的影響使大氣、海洋和陸地變暖?！边^去20年（2001—2020年）全球表面平均氣溫比基準(zhǔn)值（1850—1900年平均值）高1.09℃。其中，陸地的增溫幅度是1.59℃，高于海洋0.88℃的增溫幅度。目前溫室氣體的增速和幅度，遠(yuǎn)超過去100萬年地球冰期—間冰期的全球溫室氣體的變化范圍，增速也超過了5600萬年前的古新世—始新世極暖期（PETM）的增加速度；而在PETM事件中，全球氣溫升高4～8℃，那個時期氣溫極高，比1850—1900年的平均值高出15～21℃，兩極完全沒有冰雪，一些熱帶和亞熱帶動植物甚至出現(xiàn)在極地地區(qū)。如果地球的氣候也朝著此方向發(fā)展，那將是目前人類社會無法承受的。

全球變暖正深刻影響著我們的世界，海平面、北極海冰、凍土層、山地冰川和極地冰蓋正在發(fā)生劇烈變化，極端天氣事件頻發(fā)，致命高溫、極端降水事件、強(qiáng)臺風(fēng)/颶風(fēng)正變得更為頻繁，長期高溫連接暴雨、旱澇急轉(zhuǎn)等復(fù)合性極端天氣事件的出現(xiàn)頻率也會大大增加。

根據(jù)IPCC AR6的評估，當(dāng)全球氣溫相較于基準(zhǔn)值升高1.5℃時，“十年一遇”和“五十年一遇”的極端高溫事件發(fā)生頻率將達(dá)到原來的4.1倍和8.6倍；若全球氣溫高于基準(zhǔn)值4℃，則將分別增加到9.4倍和39.2倍，屆時“十年一遇”將成為“每年一遇”，“五十年一遇”將成為“三年兩遇”。

2021年，全球遭遇了太多的極端氣候事件。就中國而言，年初遭遇了創(chuàng)紀(jì)錄的嚴(yán)寒天氣，春季反復(fù)遭遇沙塵暴，5月武漢、蘇州遭遇龍卷風(fēng)，甘肅白銀馬拉松遭遇寒潮，7月河南鄭州遭遇嚴(yán)重洪澇，北京則經(jīng)歷了雨水最多的夏季。放眼世界，6月底北美西部最高溫達(dá)到49.6℃，7月西歐暴雨導(dǎo)致洪災(zāi)，8月加拿大高溫達(dá)到48.8℃，9月格陵蘭島最高處首次下雨。真鍋淑郎在有生之年，已經(jīng)見證了自己曾經(jīng)預(yù)測的未來。

面對全人類共同的挑戰(zhàn)，需要國際社會的合作，需要各個部門的協(xié)調(diào)合作，需要能源的快速轉(zhuǎn)型，需要高科技的快速發(fā)展，才可能解決，而這方面依然面臨很多的困難。真鍋淑郎曾說：“制定氣候政策往往比預(yù)測氣候困難上千倍……氣候政策不僅涉及環(huán)境，還涉及能源、農(nóng)業(yè)、水以及大家可以想象的一切。當(dāng)世界上的這些重大問題都交織在一起時，你就可以理解解決這個問題有多難?！?/p>

應(yīng)對氣候變化需要國際社會采取更加果斷且富有雄心的碳減排思路，從而強(qiáng)有力地、快速地、持續(xù)地減少CO2和其他溫室氣體排放，全球?qū)⑦M(jìn)入“碳中和”的節(jié)奏里，努力到本世紀(jì)中葉實現(xiàn)“碳中和”。這是一個宏偉的目標(biāo)，將促進(jìn)整個世界經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，催生下一次科技革命的到來，人類社會與自然的關(guān)系將被重新定位。

[1]Manabe S， Wetherald R T. Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. Journal of the Atmospheric Sciences， 1967， 24（3）： 241-259.

[2]IPCC. Climate change 2021： The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press， in press.

[3]Hasselmann K. Stochastic climate models Part I. Theory. Tellus， 1976， 28（6）： 473-485.

[4]Hasselmann K. Optimal fingerprints for the detection of timedependent climate change. Journal of Climate， 1993， 6（10）： 1957-1971.

[5]Manabe S. The dependence of atmospheric temperature on the concentration of carbon dioxide. // Singer S F. Global effects of environmental pollution： A symposium organized by the American Association for the Advancement of Science held in Dallas， Texas， December 1968. Dordrecht： Springer Netherlands， 1970： 25-29.

關(guān)鍵詞：諾貝爾物理學(xué)獎 全球變暖 溫室效應(yīng) 復(fù)雜系統(tǒng)氣候模式 ■

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