氣候系統(tǒng)和氣候變化研究獲2021年諾貝爾物理學(xué)獎的啟示

 

張人禾1* 劉 哲2 穆 穆1 譚言科1 張 強3

 

1. 復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海

 

2. 國家自然科學(xué)基金委員會 地球科學(xué)部，北京

 

3. 清華大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京

 

張人禾 復(fù)旦大學(xué)特聘教授，中國科學(xué)院院士，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主持國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目、重大項目和國家973項目等。主要從事氣候動力學(xué)研究，研究方向包括熱帶大尺度海氣相互作用、亞洲季風(fēng)、青藏高原氣象學(xué)等。曾榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎（排名第1）、中國青年科技獎等學(xué)術(shù)獎勵。發(fā)表SCI論文170余篇。

 

摘 要

 

2021年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了大氣科學(xué)領(lǐng)域從事氣候系統(tǒng)和氣候變化研究的美國科學(xué)家真鍋淑郎和德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼。本文通過回顧獲獎成果歷史背景、分析獲獎意義，對本次諾貝爾獎成果做了解讀，說明該成果在認(rèn)識地球氣候這一復(fù)雜物理系統(tǒng)、甄別自然因素和人類活動對其影響方面的開拓性工作以及在推動人類社會發(fā)展中的重要作用，進而指出大氣科學(xué)與其他自然科學(xué)和社會科學(xué)多學(xué)科的交叉融合，是推動氣候系統(tǒng)和氣候變化研究取得開創(chuàng)性成果的重要原因。本文還對該領(lǐng)域未來發(fā)展作了展望，說明了從地球系統(tǒng)科學(xué)的視角開展地球系統(tǒng)多圈層相互作用及其與人類活動聯(lián)系的研究、跨圈層整合的地球觀測系統(tǒng)的建立以及地球系統(tǒng)模式的發(fā)展，是氣候系統(tǒng)和氣候變化領(lǐng)域未來重要的研究方向。

 

關(guān)鍵詞：2021年諾貝爾物理學(xué)獎；氣候系統(tǒng)；氣候變化；人類活動

 

2021年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2021年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予美國科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），另一半授予意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），表彰他們“對理解復(fù)雜物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。三位獲獎人中，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼為大氣科學(xué)家，從事氣候系統(tǒng)和氣候變化研究，他們獲獎的理由是“奠定了地球氣候變異和人類對其影響的認(rèn)知基礎(chǔ)”和在“地球氣候物理模擬、量化變異和可靠預(yù)測全球變暖”方面的卓越貢獻(xiàn)。

 

這是與大氣科學(xué)相關(guān)研究第4次獲得諾貝爾獎。保羅·克魯岑（Paul Jozef Crutzen）、馬里奧·莫里那（Mario Molina）、舍伍德·羅蘭（Sherwood Rowland）三位科學(xué)家因大氣化學(xué)研究獲得1995年諾貝爾化學(xué)獎，他們的開拓性貢獻(xiàn)是對大氣中的化學(xué)過程在臭氧形成和分解中的作用給出了解釋。艾伯特·戈爾（Albert Arnold Gore Jr.）和聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）獲得2007年諾貝爾和平獎，以表彰在增進和傳播人為氣候變化知識、提出消解人為氣候變化對策方面的活動。威廉·諾德豪斯（William Nordhaus）因?qū)夂蜃兓c長期宏觀經(jīng)濟分析的結(jié)合，獲得2018年諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎。

 

氣候變異和氣候變化對人類生存環(huán)境以及經(jīng)濟社會發(fā)展正在發(fā)生重要影響，特別是氣候變暖造成的影響已經(jīng)成為人類社會發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)，氣候變化目前是各國政府和公眾以及國際科技界廣泛關(guān)注的問題。本文評述了2021年度兩位氣候?qū)W家獲諾貝爾獎的原因和背景、獲獎意義，也對此次諾貝爾獎的啟示及該領(lǐng)域研究的未來發(fā)展給出了評述。

 

1 獲獎原因和背景

 

地球氣候是一個典型的復(fù)雜物理系統(tǒng)，其變化具有明顯的多時間尺度和多空間尺度特征。時間尺度上主要體現(xiàn)在從季節(jié)內(nèi)、年際、年代際到百年甚至更長尺度，空間尺度可以從局地到全球，并且各種時間和空間尺度的變化還存在相互作用。地球氣候的自然變化受到氣候系統(tǒng)五大圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈和巖石圈）的影響，海—陸—氣相互作用是決定地球氣候自然變化的核心。地球氣候同時還受到自然和人為兩類外強迫因素的影響。自然外強迫主要包括太陽輻射和火山活動，人為外強迫則主要是人類生產(chǎn)、生活使用化石燃料排放進入大氣圈的溫室氣體、氣溶膠等物質(zhì)以及土地利用的變化。因此，地球氣候是一個復(fù)雜物理系統(tǒng)，認(rèn)識和理解這一復(fù)雜系統(tǒng)，是人類社會所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

 

20世紀(jì)60年代中期，包括真鍋淑郎在內(nèi)的美國“地球物理流體動力學(xué)”國家實驗室的科學(xué)家，相繼建立了全球大氣環(huán)流模式（AGCM）和海洋環(huán)流模式（OGCM）。由于地球氣候的變異取決于海—陸—氣相互作用，單獨的AGCM或OGCM無法刻畫地球氣候及其變異。1969年，真鍋淑郎首次建立了涵蓋全球大氣、海洋和陸面過程的一體化數(shù)學(xué)模型［1］，即全球海氣耦合數(shù)值模式（A-OCGCM），從此開創(chuàng)了人類對地球氣候的多圈層耦合模擬、實現(xiàn)了對地球氣候及其變異的量化研究。

 

對地球氣候最主要的人為影響，是人類生產(chǎn)生活使用的化石燃料排放到大氣中的二氧化碳所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，造成大氣變暖。1960年，美國科學(xué)家查里斯·大衛(wèi)·基林（Charles David Keeling）根據(jù)觀測，最早發(fā)現(xiàn)大氣中化石燃料燃燒釋放的二氧化碳含量在增加［2］。然而大氣中的二氧化碳與氣候變暖之間的量化關(guān)系卻一直是個難題，對二氧化碳影響地球氣候的程度及其后果缺乏定量認(rèn)識。1967年，真鍋淑郎和合作者建立了在給定相對濕度分布條件下的大氣輻射對流平衡數(shù)學(xué)模型，證明了在實際大氣相對濕度分布情形下，二氧化碳加倍可以導(dǎo)致地表大氣溫度升高大約2.3℃［3］。該工作從理論上開創(chuàng)性地給出了大氣二氧化碳增加與大氣變暖的量化關(guān)系。隨后他們進一步利用一個高度簡化的三維大氣環(huán)流模式，發(fā)現(xiàn)在二氧化碳加倍的情形下，模式中的對流層增暖（高緯更顯著）、水循環(huán)加強、平流層降溫［4］。這些結(jié)果首次系統(tǒng)揭示了大氣中二氧化碳增加對大氣系統(tǒng)不同分量的影響。

 

針對復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)，克勞斯·哈塞爾曼1976年創(chuàng)建了一個隨機氣候變異模型，從時間尺度上分離了模型中快變的“天氣系統(tǒng)”（如大氣）和慢變的“氣候系統(tǒng)”（如海洋、冰凍圈、陸地植被等），將前者作為隨機強迫項，說明了慢變“氣候系統(tǒng)”是對短周期快變“天氣系統(tǒng)”不斷隨機激發(fā)的響應(yīng)［5］。該項研究創(chuàng)造性地建立了復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)中不同時間尺度變化之間的聯(lián)系，指出了復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)中快變過程對慢變過程的影響。隨后在1993年，他提出了一個最優(yōu)線性濾波器（指紋），用于檢測存在自然氣候變異噪聲時隨時間變化的多變量氣候變化信號，將該最優(yōu)“指紋”方法應(yīng)用于氣候觀測或模擬資料時，可以得到具有最大信噪比的氣候變化檢測變量［6］。該工作為識別大氣中二氧化碳增加對大氣變暖的影響提供了基礎(chǔ)方法。

 

2 獲獎意義

 

真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼開創(chuàng)了人類對復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)的理解以及對其變化的量化。特別是在理解和預(yù)測人類活動影響地球氣候系統(tǒng)方面，真鍋淑郎首先量化了大氣中二氧化碳增加對大氣增溫的影響程度，克勞斯·哈塞爾曼提出的氣候變化最優(yōu)指紋檢測提供了識別人類活動排放的二氧化碳對大氣增溫影響的方法。他們的開創(chuàng)性工作，為認(rèn)識復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)以及人類活動對地球氣候系統(tǒng)的影響奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

 

真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的開創(chuàng)性工作引發(fā)了大量的后續(xù)研究，特別是氣候變暖的人為成因及其影響和風(fēng)險研究，近幾十年得到了各國公眾和政府的普遍關(guān)注。1988年，世界氣象組織（WMO）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）建立了IPCC，專門針對氣候變化的科學(xué)事實、社會經(jīng)濟影響、以及未來氣候變化風(fēng)險開展評估。截至目前，IPCC已進行了6次評估報告。其中，2021年8月最新發(fā)布的IPCC第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》中（https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i /），明確指出人類活動影響全球氣候變化是毋庸置疑的。在過去 2000 年中，近50年間的全球地表升溫要快于任何其他50年，未來20年全球溫升預(yù)計將達(dá)到或超過1.5℃；氣候變化加劇水循環(huán)，影響降雨特征，增加了極端高溫、降水、干旱和熱帶氣旋發(fā)生可能性和強度；冰川、冰蓋、積雪顯著減少，凍土融化；沿海地區(qū)的海平面持續(xù)上升，沿海低洼地區(qū)將發(fā)生更頻繁、更嚴(yán)重的洪水和海岸侵蝕。

 

歷次IPCC評估報告對氣候系統(tǒng)和氣候變化的科學(xué)認(rèn)識，為國際社會和各國政府制定應(yīng)對方案提供了重要依據(jù)，為國際氣候談判和決策提供了重要支撐。為了應(yīng)對和減緩氣候變暖對人類社會發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，國際上形成了一系列國際協(xié)議，如1992年制定的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》、1997年提出的《京都議定書》以及2016年實施的《巴黎協(xié)定》。由此可以看到，對復(fù)雜地球系統(tǒng)以及人類活動影響地球氣候系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識，不僅開創(chuàng)了新的科學(xué)領(lǐng)域，提升了對氣候系統(tǒng)及其變化的科學(xué)認(rèn)識和理解，同時也對人類社會發(fā)展的道路選擇產(chǎn)生了重要影響。

 

3 啟示和展望

 

從大氣科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域獲得4次諾貝爾獎來看，這些成果都是基于學(xué)科交叉融合，學(xué)科交叉融合已成為現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的一個重要特征，是現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的一個固有“基因”和內(nèi)在動力。這些諾貝爾獎級成果均與“氣候系統(tǒng)”和“氣候變化”有著密切關(guān)系（大氣中臭氧的變化也與氣候變化相關(guān)聯(lián)［7］）。“氣候系統(tǒng)”和“氣候變化”是“地球系統(tǒng)”的核心內(nèi)容之一，是驅(qū)動21世紀(jì)地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的一個重要引擎。

 

從大氣科學(xué)的發(fā)展演化來看，交叉融合推動了現(xiàn)代大氣科學(xué)的蓬勃發(fā)展。隨著傳統(tǒng)氣象學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的深度融合，誕生了“大氣動力學(xué)” “大氣物理學(xué)” “大氣化學(xué)”等分支學(xué)科，演化成一門從現(xiàn)象、到機理、再到預(yù)測的現(xiàn)代科學(xué)。隨著大氣科學(xué)在經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展中扮演越來越重要的作用，大氣科學(xué)與其他相關(guān)領(lǐng)域亦在發(fā)生有機的交叉融合，“大氣環(huán)境”“水文氣象”“農(nóng)林氣象”“交通氣象”“商業(yè)氣象”“氣候經(jīng)濟學(xué)”等學(xué)科不僅拓展了大氣科學(xué)研究范疇的外延，也使得“強調(diào)過程機理”和“重視預(yù)測預(yù)報”等理念融入其他學(xué)科，推動了其他學(xué)科的發(fā)展。從知識鏈條來看，大氣學(xué)科深遠(yuǎn)影響著物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科（如1995年諾貝爾化學(xué)獎和2021年諾貝爾物理學(xué)獎成果）和社會經(jīng)濟知識領(lǐng)域（如2007年諾貝爾和平獎和2018年諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎）。目前大氣科學(xué)與生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域亦在融合演進，其中，“生態(tài)氣象”已初步形成理論體系，而“健康氣象”方興未艾?；蛟S在未來，“氣候變化與健康”領(lǐng)域的突破性成果將成為角逐諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的有力競爭者。

 

從氣候系統(tǒng)和氣候變化領(lǐng)域的未來發(fā)展來看，雖然它們起始于大氣科學(xué)學(xué)科［8］，但隨著研究的深入和時代發(fā)展，其內(nèi)涵和外延遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大氣科學(xué)范疇。對氣候系統(tǒng)和氣候變化的更加深入理解，需要從更廣泛的地球系統(tǒng)科學(xué)的視角開展研究。地球系統(tǒng)中的物理、化學(xué)、生物和社會分量、過程和相互作用，確定了地球（包括生物和人類）狀態(tài)和動力學(xué)［9］。其次，應(yīng)更加注重綜合地球觀測系統(tǒng)的設(shè)計和建立。目前的地球觀測系統(tǒng)基本上是為滿足單一學(xué)科或業(yè)務(wù)需求而設(shè)立［10］,未來需要研究建立涵蓋地球系統(tǒng)各圈層以及人類活動的空、天、地一體化觀測系統(tǒng)，滿足氣候系統(tǒng)和氣候變化領(lǐng)域多學(xué)科性交叉研究的需求。最后，應(yīng)更加注重地球系統(tǒng)模式的研發(fā)。地球系統(tǒng)模式是研究、評估和預(yù)測氣候系統(tǒng)和氣候變化及其影響的重要工具，在模式中需要包括表征地球系統(tǒng)各圈層的數(shù)學(xué)物理模型和表征人類活動的社會經(jīng)濟模型，合理體現(xiàn)地球系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程以及地球系統(tǒng)各分量的相互耦合過程。

 

從研究范式來看，應(yīng)更加注重理論、觀測和模式發(fā)展之間的融合，加強各類研究相互交流，使之互為依托、相輔相成、互相促進。要重視人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用，從數(shù)據(jù)科學(xué)的視角發(fā)掘新的知識，并通過揭示數(shù)據(jù)間的因果關(guān)系開展預(yù)報預(yù)測。對于科研資助和管理部門，除了對儀器、設(shè)備等硬件研制進行資助外，應(yīng)該更加注重資助“軟件”（如地球系統(tǒng)模式以及其中的各種分量模式）的研發(fā)。另外，除了對前沿?zé)狳c科學(xué)問題進行支持外，還應(yīng)積極支持“冷門”研究，如當(dāng)時真鍋淑郎所從事的溫室氣體與大氣增溫研究就不屬于熱點研究領(lǐng)域。

 

參 考 文 獻(xiàn)

 

［1］Manabe S. Climate and the ocean circulation: 1. the atmospheric circulation and the hydrology of the earth’s surface. Monthly Weather Review, 1969, 97(11): 739—774.

 

［2］Keeling CD. The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere. Tellus, 1960, 12(2): 200—203.

 

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

 

［4］Manabe S, Wetherald RT. The effects of doubling the CO2 concentration on the climate of a general circulation model. Journal of the Atmospheric Sciences, 1975, 32(1): 3—15.

 

［5］Hasselmann K. Stochastic climate models: part I. Theory. Tellus, 1976, 28(6): 473—485.

 

［6］Hasselmann K. Optimal Fingerprints for the detection of time-dependent climate change. Journal of Climate, 1993, 6(10): 1957—1971.

 

［7］Zhou S, Zhang R. Decadal variations of temperature and geopotential height over the Tibetan Plateau and their relations with Tibet ozone depletion. Geophysical Research Letters, 2005, 32: L18705.

 

［8］劉哲, 丁愛軍, 張人禾. 調(diào)整國家自然科學(xué)基金申請代碼, 優(yōu)化大氣學(xué)科資助布局. 科學(xué)通報, 2020, 65(12): 1068—1075.

 

［9］Reid WV, Chen D, Goldfarb L, et al. Earth system science for global sustainability: Grand challenges. Science, 2010, 330(6006): 916—917.

 

［10］張人禾. 氣候觀測系統(tǒng)及其相關(guān)的關(guān)鍵問題. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2006, 17(6): 705—710.