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10月5日，2021年诺贝尔物理学奖正式揭晓，其中一半奖项授予真锅周郎和克劳斯·哈塞尔曼两位气候学家，以表彰他们“对地球气候的物理模拟、变率的量化和对全球变暖的可靠预测” . 这是历史上第一次将诺贝尔物理学奖授予气候科学家。 本刊特邀中国科学院大气物理研究所研究员周天军为读者深度解读。

真锅周郎

克劳斯·哈塞尔曼

科学家如何从物理上证明二氧化碳使世界变暖

关于工业革命以来的气候变化，国际社会关注的焦点有两个核心问题。 第一个核心问题是如何从物理上证明二氧化碳会导致全球变暖。

Yoshiro Manabe 和 Richard Weatherld 的工作清楚地回答了这个问题。 在证明二氧化碳对气候变化的作用及其复杂的物理机制方面，世界上有许多杰出的学者和杰出的著作，但真锅周郎和理查德·韦瑟尔德的工作开创性第一。 如果 Weatherld 没有在 2011 年去世，享年 75 岁，他将与今年 90 岁的 Manabe 一起获奖。 Shuro Manabe博士来自NOAA地球流体动力学实验室，普林斯顿大学教授。

1967年6月证明全球暖化，真锅义郎和理查德·韦瑟拉德在美国气象学会大气科学杂志上发表了题为“给定相对湿度分布的大气热平衡”的著名论文。 文章中，他们基于辐射传输科学的最新进展，利用简化的一维辐射-对流平衡模型将大气层划分为多层，并通过考虑辐射和对流的影响，真实地模拟和再现了大气层。观察到大气线的垂直温度剖面。

基于该模型，他们进一步计算了大气中二氧化碳浓度从150ppm（指空气中二氧化碳含量为150ppm）增加到300ppm，以及从300ppm增加到600ppm时的温度变化。 加倍将导致全球变暖约 2.3°C。 这是对二氧化碳引起的全球变暖最早的量化估计，非常接近联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）今年8月发布的第六次科学评估报告给出的3.0°C的最佳估计.

该论文的创新之处在于首次建立了数学上可靠的气候模型证明全球暖化，可以产生物理上真实的结果。 其在二氧化碳影响全球变暖的物理机制方面的工作，基本结束了此前关于二氧化碳是否导致全球变暖的争论。

他的第二个学术成果是研发了世界上第一个考虑三维大气环流的气候模型，带动了现代气候模型的发展，开启了基于地球循环规律的三维气候模型的发展。流体动力学及其在全球气候变化中的作用。 变暖研究应用的新时代。 1975年，真锅秀郎和理查德·韦瑟德在美国气象学会大气科学杂志上发表了题为“二氧化碳浓度加倍对环流模型的气候影响”的论文。 这篇论文被认为标志着环流气候模型的诞生。

在这篇论文中，他们构建了理想海陆分布的海气耦合模型。 海洋被简单地视为“湿地”，无法描述海洋环流和热输送的变化。 有了这样一个经过理想处理的循环模型，他们证明了二氧化碳增加引起的全球变暖比简单的辐射对流模型的结果更强烈。 平均），并将加强全球水循环。 此后，随着科学认知的提高、高性能计算的发展和计算能力的提高，气候模型在世界许多国家得到迅速发展，能够更全面地反映大气过程、海洋环流过程、冰冻圈过程和植被过程。 生态过程和大气化学过程等，从而构成了能够全面描述大气、海洋、陆地表面、海冰等的气候系统模型，在模拟历史变化、开展探测和监测等方面发挥着越来越重要的作用。归因，并预测未来的变化效果。 因此，将真锅称为“现代气候模型之父”一点也不为过。

自工业革命以来人类活动对变暖的贡献有多大

关于工业革命以来的气候变化，国际社会关注的第二个核心问题是人类活动对工业革命以来变暖的贡献有多大。

在回答这个问题时，Klaus Hasselmann 的贡献是不可替代的。 即使没有人类活动的影响，气候也会在不同时间尺度上出现冷暖振荡，这就是所谓的“自然变率”。 只有在了解自然变异的“噪声”规律的基础上，才能有效地寻找我们关心的“信号”——人类活动影响的“指纹”，从而进一步量化估计人类活动的贡献工业革命以来的全球变暖。 贡献。 哈塞尔曼的工作也完美地向我们展示了如何用数学来回答气候变化的物理问题。

德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所的 Klaus Hasselmann 博士是该研究所的创始人。 Hasselman的贡献之一是提出了描述气候变化的随机气候模型，将长期气候变化解释为短时间尺度天气过程的“积累”，从而将混沌随机天气过程与稳定气候之间架起了桥梁变化。

Klaus Hasselmann 的随机气候模型完美地解释了自然气候的多变性。 人类出现在地球后数万年的发展过程中，大部分时间都是被动适应生存环境的自然变化和相应的气候条件。 如何解释这种自然振荡的物理原因，哈塞尔曼在1976年发表了一篇著名论文，提出了随机气候模型，认为快速变化的白噪声天气的多变性可能导致气候系统对缓慢变化的红噪声响应。 以大气对海洋的强迫为例，瞬息万变的大气始终处于运动状态，可以使与其耦合的缓慢变化的海洋产生年代际或更长时间尺度的运动。 今天，著名的“混沌之父”和提出“蝴蝶效应”的洛伦兹发现的“哈塞尔曼机制”和“洛伦兹机制”并列为能够解释气候系统自然变率的两大机制之一，后者认为混沌的短期天气变率本身可以产生气候事件尺度变率。

Klaus Hasselmann 的另一个贡献是他提出包括温室气体在内的影响因素会在气候变化的序列中留下特定的信号。 这个特定的信号可以称为“指纹”，通过分离出这个指纹，我们可以检测到人类活动对气候变化的影响。 这是我们开展气候变化检测与归因研究的理论基础。

克劳斯·哈塞尔曼 (Klaus Hasselmann) 的两项成就是定量估算人类活动对气候变化的贡献的关键。 正是基于检测和归因技术，IPCC第六次评估报告得出“毫无疑问，人为影响正在使大气、海洋和陆地变暖”的结论。

两位获奖者的成就基于一个世纪的气候变化科学探索

诺贝尔奖官方新闻稿写道：“我们不能再说我们不知道——气候模式很明确：地球在变暖吗？是的。是因为大气中温室气体数量的增加吗？是的。可以单独使用自然因素来解释它吗？不。人类排放是否导致温度升高？是的。”

对于以上四个问题的回答，真锅周郎的工作为回答前两个问题奠定了基础，而克劳斯·哈塞尔曼的工作为回答后两个问题奠定了基础。 两位获奖者的工作也相得益彰，因为气候变化的检测与归因依赖于气候模型及其模拟测试结果，没有气候模型的支持，Klaus Hasselmann 的检测与归因就无法实现； 同时，如果没有 Klaus Hasselmann 在信噪比和检测归因方面的理论工作及其方法，我们将无法使用气候模拟实验和统计技术来定量回答人类活动对观测到的变化有多大贡献，气候模型的重要作用将被打折扣。

两位气候物理学家的获奖研究表明，我们对气候的了解是基于对观测的严格分析，建立在坚实的科学基础之上。 气候变化的理论和结论是建立在非常严格和复杂的数学和物理理论基础上的。

回顾气候变化科学的百年历程，气候变化科学的物理理论得到科学界的认可和推崇实属不易。

1827年，法国数学家、物理学家约瑟夫·傅里叶发现了温室效应；

1861年，英国物理学家丁泽尔在实验室证明了温室效应；

1896年，诺贝尔化学奖得主、瑞典化学家阿伦尼乌斯根据温室效应的物理原理提出了人为温室效应的可能性。 他认为工业化会增加二氧化碳，导致全球温度升高。他认为，如果大气中的二氧化碳增加一倍，温度将上升5-6°C。 反之，如果大气中的二氧化碳浓度减半，就足以让地球进入下一个冰河时代；

1901 年，Swante Arrhenius 的同事、气象学家 Nils Gustav Eckchem 首次使用温室效应一词来描述大气吸热和逆辐射的过程；

1949年，剑桥大学的RM Goody首次创造性地提出用辐射-对流过程来解释对流层顶和平流层低层温度的热力学平衡；

1956年，美国约翰霍普金斯大学的普拉斯指出了15µ二氧化碳波段的辐射效应。 如果二氧化碳增加一倍，全球变暖3.6°C，如果减半，全球变暖3.8°C。

辐射传输理论丰富的研究积累最终导致真锅义郎和理查德韦瑟尔德在1967年使用简化的一维辐射-对流平衡模型真实地模拟和再现了观测到的大气垂直温度剖面，以及碳引起的全球变暖定量估算了二氧化碳，并提出了水蒸气的重要反馈作用。 大气物理学界跨越百年的丰富研究成果的整体支撑，是真锅周郎等人在全球变暖物理机制研究上取得突破的重要支撑。 这也意味着，气候变化科学作为一门具有严密数学和物理基础的科学，从此得到了科学界的认可。 这种认可和认可，确实来之不易。

气候科学建立在物理学的基础上，极大地受益于数学、化学和计算科学的发展，以及高性能计算机、天基和地基遥测和遥感的全面支持。 Yoshiro Manabe和Klaus Hasselmann的获奖是气候科学发展史上的一个里程碑，气候科学界将站在巨人的肩膀上继续前行。

两位获奖者还直接为 IPCC 科学报告的编写做出了贡献。 两位获奖者都是 IPCC 第一次评估报告（1990 年）和第三次评估报告（2001 年）的作者，哈塞尔曼也是 1995 年第二次评估报告的作者。