張人禾院士：氣候系統(tǒng)和氣候變化研究獲2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的啟示

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

 

張人禾1* 劉 哲2 穆 穆1 譚言科1 張 強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì) 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(guó)科學(xué)院院士，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主持國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、重大項(xiàng)目和國(guó)家973項(xiàng)目等。主要從事氣候動(dòng)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(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第1）、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。發(fā)表SCI論文170余篇。

 

摘 要

 

2021年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(guó)科學(xué)家真鍋淑郎和德國(guó)科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼。本文通過回顧獲獎(jiǎng)成果歷史背景、分析獲獎(jiǎng)意義，對(duì)本次諾貝爾獎(jiǎng)成果做了解讀，說明該成果在認(rèn)識(shí)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(dòng)對(duì)其影響方面的開拓性工作以及在推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展中的重要作用，進(jìn)而指出大氣科學(xué)與其他自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)多學(xué)科的交叉融合，是推動(dòng)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(duì)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(dòng)聯(lián)系的研究、跨圈層整合的地球觀測(cè)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(jiǎng)；氣候系統(tǒng)；氣候變化；人類活動(dòng)

 

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(jiǎng)一半授予美國(guó)科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和德國(guó)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(duì)理解復(fù)雜物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。三位獲獎(jiǎng)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(jiǎng)的理由是“奠定了地球氣候變異和人類對(duì)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(cè)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(jiǎng)。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(jiǎng)，他們的開拓性貢獻(xiàn)是對(duì)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?duì)枺ˋlbert Arnold Gore Jr.）和聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）獲得2007年諾貝爾和平獎(jiǎng)，以表彰在增進(jìn)和傳播人為氣候變化知識(shí)、提出消解人為氣候變化對(duì)策方面的活動(dòng)。威廉·諾德豪斯（William Nordhaus）因?qū)夂蜃兓c長(zhǎng)期宏觀經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)合，獲得2018年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)。

 

氣候變異和氣候變化對(duì)人類生存環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(huì)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)，氣候變化目前是各國(guó)政府和公眾以及國(guó)際科技界廣泛關(guān)注的問題。本文評(píng)述了2021年度兩位氣候?qū)W家獲諾貝爾獎(jiǎng)的原因和背景、獲獎(jiǎng)意義，也對(duì)此次諾貝爾獎(jiǎng)的啟示及該領(lǐng)域研究的未來發(fā)展給出了評(píng)述。

 

1 獲獎(jiǎng)原因和背景

 

地球氣候是一個(gè)典型的復(fù)雜物理系統(tǒng)，其變化具有明顯的多時(shí)間尺度和多空間尺度特征。時(shí)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(zhǎng)尺度，空間尺度可以從局地到全球，并且各種時(shí)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(shí)還受到自然和人為兩類外強(qiáng)迫因素的影響。自然外強(qiáng)迫主要包括太陽輻射和火山活動(dòng)，人為外強(qiáng)迫則主要是人類生產(chǎn)、生活使用化石燃料排放進(jìn)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(gè)復(fù)雜物理系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)和理解這一復(fù)雜系統(tǒng)，是人類社會(huì)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(guó)“地球物理流體動(dòng)力學(xué)”國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dú)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(duì)地球氣候的多圈層耦合模擬、實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球氣候及其變異的量化研究。

 

對(duì)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(guó)科學(xué)家查里斯·大衛(wèi)·基林（Charles David Keeling）根據(jù)觀測(cè)，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(gè)難題，對(duì)二氧化碳影響地球氣候的程度及其后果缺乏定量認(rèn)識(shí)。1967年，真鍋淑郎和合作者建立了在給定相對(duì)濕度分布條件下的大氣輻射對(duì)流平衡數(shù)學(xué)模型，證明了在實(shí)際大氣相對(duì)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(jìn)一步利用一個(gè)高度簡(jiǎn)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(duì)流層增暖（高緯更顯著）、水循環(huán)加強(qiáng)、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(duì)大氣系統(tǒng)不同分量的影響。

 

針對(duì)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(gè)隨機(jī)氣候變異模型，從時(shí)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(jī)強(qiáng)迫項(xiàng)，說明了慢變“氣候系統(tǒng)”是對(duì)短周期快變“天氣系統(tǒng)”不斷隨機(jī)激發(fā)的響應(yīng)［5］。該項(xiàng)研究創(chuàng)造性地建立了復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)中不同時(shí)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(duì)慢變過程的影響。隨后在1993年，他提出了一個(gè)最優(yōu)線性濾波器（指紋），用于檢測(cè)存在自然氣候變異噪聲時(shí)隨時(shí)間變化的多變量氣候變化信號(hào)，將該最優(yōu)“指紋”方法應(yīng)用于氣候觀測(cè)或模擬資料時(shí)，可以得到具有最大信噪比的氣候變化檢測(cè)變量［6］。該工作為識(shí)別大氣中二氧化碳增加對(duì)大氣變暖的影響提供了基礎(chǔ)方法。

 

2 獲獎(jiǎng)意義

 

真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼開創(chuàng)了人類對(duì)復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)的理解以及對(duì)其變化的量化。特別是在理解和預(yù)測(cè)人類活動(dòng)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(duì)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(cè)提供了識(shí)別人類活動(dòng)排放的二氧化碳對(duì)大氣增溫影響的方法。他們的開創(chuàng)性工作，為認(rèn)識(shí)復(fù)雜地球氣候系統(tǒng)以及人類活動(dòng)對(duì)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(xiǎn)研究，近幾十年得到了各國(guó)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(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）建立了IPCC，專門針對(duì)氣候變化的科學(xué)事實(shí)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響、以及未來氣候變化風(fēng)險(xiǎn)開展評(píng)估。截至目前，IPCC已進(jìn)行了6次評(píng)估報(bào)告。其中，2021年8月最新發(fā)布的IPCC第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)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(dòng)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(jì)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(qiáng)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(píng)估報(bào)告對(duì)氣候系統(tǒng)和氣候變化的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為國(guó)際社會(huì)和各國(guó)政府制定應(yīng)對(duì)方案提供了重要依據(jù)，為國(guó)際氣候談判和決策提供了重要支撐。為了應(yīng)對(duì)和減緩氣候變暖對(duì)人類社會(huì)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，國(guó)際上形成了一系列國(guó)際協(xié)議，如1992年制定的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》、1997年提出的《京都議定書》以及2016年實(shí)施的《巴黎協(xié)定》。由此可以看到，對(duì)復(fù)雜地球系統(tǒng)以及人類活動(dòng)影響地球氣候系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，不僅開創(chuàng)了新的科學(xué)領(lǐng)域，提升了對(duì)氣候系統(tǒng)及其變化的科學(xué)認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)也對(duì)人類社會(huì)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(jiǎng)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(gè)重要特征，是現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的一個(gè)固有“基因”和內(nèi)在動(dòng)力。這些諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)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(dòng)21世紀(jì)地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要引擎。

 

從大氣科學(xué)的發(fā)展演化來看，交叉融合推動(dòng)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(dòng)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(jī)理、再到預(yù)測(cè)的現(xiàn)代科學(xué)。隨著大氣科學(xué)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jī)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(jì)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(qiáng)調(diào)過程機(jī)理”和“重視預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”等理念融入其他學(xué)科，推動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展。從知識(shí)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(jiǎng)和2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果）和社會(huì)經(jīng)濟(jì)知識(shí)領(lǐng)域（如2007年諾貝爾和平獎(jiǎng)和2018年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)）。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(jìn)，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。或許在未來，“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(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(duì)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(huì)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(dòng)力學(xué)［9］。其次，應(yīng)更加注重綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立。目前的地球觀測(cè)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(dòng)的空、天、地一體化觀測(cè)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(píng)估和預(yù)測(cè)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(dòng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(cè)和模式發(fā)展之間的融合，加強(qiáng)各類研究相互交流，使之互為依托、相輔相成、互相促進(jìn)。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(shí)，并通過揭示數(shù)據(jù)間的因果關(guān)系開展預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)。對(duì)于科研資助和管理部門，除了對(duì)儀器、設(shè)備等硬件研制進(jìn)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(duì)前沿?zé)狳c(diǎn)科學(xué)問題進(jìn)行支持外，還應(yīng)積極支持“冷門”研究，如當(dāng)時(shí)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(diǎn)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(guó)家自然科學(xué)基金申請(qǐng)代碼, 優(yōu)化大氣學(xué)科資助布局. 科學(xué)通報(bào), 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(cè)系統(tǒng)及其相關(guān)的關(guān)鍵問題. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2006, 17(6): 705—710.