氣候系統和氣候變化研究獲2021年諾貝爾物理學獎的啟示
張人禾1* 劉 哲2 穆 穆1 譚言科1 張 強3
1. 復旦大學 大氣與海洋科學系/大氣科學研究院，上海
2. 國家自然科學基金委員會 地球科學部，北京
3. 清華大學 地球系統科學系，北京
張人禾復旦大學特聘教授，中國科學院院士，國家杰出青年科學基金獲得者。主持國家自然科學基金創新研究群體項目、重大項目和國家973項目等。主要從事氣候動力學研究，研究方向包括熱帶大尺度海氣相互作用、亞洲季風、青藏高原氣象學等。曾榮獲國家科學技術進步獎二等獎（排名第1）、中國青年科技獎等學術獎勵。發表SCI論文170余篇。
摘 要
2021年，諾貝爾物理學獎授予了大氣科學領域從事氣候系統和氣候變化研究的美國科學家真鍋淑郎和德國科學家克勞斯·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，說明該成果在認識地球氣候這一復雜物理系統、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展中的重要作用，進而指出大氣科學與其他自然科學和社會科學多學科的交叉融合，是推動氣候系統和氣候變化研究取得開創性成果的重要原因。本文還對該領域未來發展作了展望，說明了從地球系統科學的視角開展地球系統多圈層相互作用及其與人類活動聯系的研究、跨圈層整合的地球觀測系統的建立以及地球系統模式的發展，是氣候系統和氣候變化領域未來重要的研究方向。
關鍵詞：2021年諾貝爾物理學獎；氣候系統；氣候變化；人類活動
2021年10月5日，瑞典皇家科學院宣布2021年諾貝爾物理學獎一半授予美國科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），另一半授予意大利科學家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），表彰他們“對理解復雜物理系統的開創性貢獻”。三位獲獎人中，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼為大氣科學家，從事氣候系統和氣候變化研究，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知基礎”和在“地球氣候物理模擬、量化變異和可靠預測全球變暖”方面的卓越貢獻。
這是與大氣科學相關研究第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）三位科學家因大氣化學研究獲得1995年諾貝爾化學獎，他們的開拓性貢獻是對大氣中的化學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）因將氣候變化與長期宏觀經濟分析的結合，獲得2018年諾貝爾經濟學獎。
氣候變異和氣候變化對人類生存環境以及經濟社會發展正在發生重要影響，特別是氣候變暖造成的影響已經成為人類社會發展所面臨的巨大挑戰，氣候變化目前是各國政府和公眾以及國際科技界廣泛關注的問題。本文評述了2021年度兩位氣候學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域研究的未來發展給出了評述。
1 獲獎原因和背景
地球氣候是一個典型的復雜物理系統，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在從季節內、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、生活使用化石燃料排放進入大氣圈的溫室氣體、氣溶膠等物質以及土地利用的變化。因此，地球氣候是一個復雜物理系統，認識和理解這一復雜系統，是人類社會所面臨的巨大挑戰。
20世紀60年代中期，包括真鍋淑郎在內的美國“地球物理流體動力學”國家實驗室的科學家，相繼建立了全球大氣環流模式（AGCM）和海洋環流模式（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學模型［1］，即全球海氣耦合數值模式（A-OCGCM），從此開創了人類對地球氣候的多圈層耦合模擬、實現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，是人類生產生活使用的化石燃料排放到大氣中的二氧化碳所產生的溫室效應，造成大氣變暖。1960年，美國科學家查里斯·大衛·基林（Charles David Keeling）根據觀測，最早發現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學模型，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致地表大氣溫度升高大約2.3℃［3］。該工作從理論上開創性地給出了大氣二氧化碳增加與大氣變暖的量化關系。隨后他們進一步利用一個高度簡化的三維大氣環流模式，發現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）、水循環加強、平流層降溫［4］。這些結果首次系統揭示了大氣中二氧化碳增加對大氣系統不同分量的影響。
針對復雜地球氣候系統，克勞斯·哈塞爾曼1976年創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”（如大氣）和慢變的“氣候系統”（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”是對短周期快變“天氣系統”不斷隨機激發的響應［5］。該項研究創造性地建立了復雜地球氣候系統中不同時間尺度變化之間的聯系，指出了復雜地球氣候系統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“指紋”方法應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方法。
2 獲獎意義
真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼開創了人類對復雜地球氣候系統的理解以及對其變化的量化。特別是在理解和預測人類活動影響地球氣候系統方面，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。他們的開創性工作，為認識復雜地球氣候系統以及人類活動對地球氣候系統的影響奠定了科學基礎。
真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的開創性工作引發了大量的后續研究，特別是氣候變暖的人為成因及其影響和風險研究，近幾十年得到了各國公眾和政府的普遍關注。1988年，世界氣象組織（WMO）和聯合國環境規劃署（UNEP）建立了IPCC，專門針對氣候變化的科學事實、社會經濟影響、以及未來氣候變化風險開展評估。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：自然科學基礎》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年全球溫升預計將達到或超過1.5℃；氣候變化加劇水循環，影響降雨特征，增加了極端高溫、降水、干旱和熱帶氣旋發生可能性和強度；冰川、冰蓋、積雪顯著減少，凍土融化；沿海地區的海平面持續上升，沿海低洼地區將發生更頻繁、更嚴重的洪水和海岸侵蝕。
歷次IPCC評估報告對氣候系統和氣候變化的科學認識，為國際社會和各國政府制定應對方案提供了重要依據，為國際氣候談判和決策提供了重要支撐。為了應對和減緩氣候變暖對人類社會發展帶來的挑戰，國際上形成了一系列國際協議，如1992年制定的《聯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《巴黎協定》。由此可以看到，對復雜地球系統以及人類活動影響地球氣候系統的科學認識，不僅開創了新的科學領域，提升了對氣候系統及其變化的科學認識和理解，同時也對人類社會發展的道路選擇產生了重要影響。
3 啟示和展望
從大氣科學相關領域獲得4次諾貝爾獎來看，這些成果都是基于學科交叉融合，學科交叉融合已成為現代大氣科學發展的一個重要特征，是現代大氣科學發展的一個固有“基因”和內在動力。這些諾貝爾獎級成果均與“氣候系統”和“氣候變化”有著密切關系（大氣中臭氧的變化也與氣候變化相關聯［7］）。“氣候系統”和“氣候變化”是“地球系統”的核心內容之一，是驅動21世紀地球系統科學發展的一個重要引擎。
從大氣科學的發展演化來看，交叉融合推動了現代大氣科學的蓬勃發展。隨著傳統氣象學與數學、物理、化學等學科的深度融合，誕生了“大氣動力學” “大氣物理學” “大氣化學”等分支學科，演化成一門從現象、到機理、再到預測的現代科學。隨著大氣科學在經濟社會可持續發展中扮演越來越重要的作用，大氣科學與其他相關領域亦在發生有機的交叉融合，“大氣環境”“水文氣象”“農林氣象”“交通氣象”“商業氣象”“氣候經濟學”等學科不僅拓展了大氣科學研究范疇的外延，也使得“強調過程機理”和“重視預測預報”等理念融入其他學科，推動了其他學科的發展。從知識鏈條來看，大氣學科深遠影響著物理、化學等基礎學科（如1995年諾貝爾化學獎和2021年諾貝爾物理學獎成果）和社會經濟知識領域（如2007年諾貝爾和平獎和2018年諾貝爾經濟學獎）。目前大氣科學與生物學、生態學、醫學等領域亦在融合演進，其中，“生態氣象”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”領域的突破性成果將成為角逐諾貝爾生理學或醫學獎的有力競爭者。
從氣候系統和氣候變化領域的未來發展來看，雖然它們起始于大氣科學學科［8］，但隨著研究的深入和時代發展，其內涵和外延遠遠超出了大氣科學范疇。對氣候系統和氣候變化的更加深入理解，需要從更廣泛的地球系統科學的視角開展研究。地球系統中的物理、化學、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）狀態和動力學［9］。其次，應更加注重綜合地球觀測系統的設計和建立。目前的地球觀測系統基本上是為滿足單一學科或業務需求而設立［10］,未來需要研究建立涵蓋地球系統各圈層以及人類活動的空、天、地一體化觀測系統，滿足氣候系統和氣候變化領域多學科性交叉研究的需求。最后，應更加注重地球系統模式的研發。地球系統模式是研究、評估和預測氣候系統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各圈層的數學物理模型和表征人類活動的社會經濟模型，合理體現地球系統的物理、化學和生物過程以及地球系統各分量的相互耦合過程。
從研究范式來看，應更加注重理論、觀測和模式發展之間的融合，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據等新技術的應用，從數據科學的視角發掘新的知識，并通過揭示數據間的因果關系開展預報預測。對于科研資助和管理部門，除了對儀器、設備等硬件研制進行資助外，應該更加注重資助“軟件”（如地球系統模式以及其中的各種分量模式）的研發。另外，除了對前沿熱點科學問題進行支持外，還應積極支持“冷門”研究，如當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域。
參 考 文 獻
［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. 調整國家自然科學基金申請代碼, 優化大氣學科資助布局. 科學通報, 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. 氣候觀測系統及其相關的關鍵問題. 應用氣象學報, 2006, 17(6): 705—710.
