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2020-2021

赵纯:大气科学的“数字革命”——科学预测气候变化成为可能 | 2021年·第8期
发布时间:2022-09-30    2683   墨子沙龙

内容来自墨子沙龙线下活动(2021年10月),演讲者是中国科学技术大学赵纯教授。


一年一度的诺贝尔奖在10月初又要公布了,在这之前让我们先回顾一下去年的各个诺贝尔奖项。以下是对2021年诺贝尔物理学奖的解读。


2021年诺贝尔奖表彰对理解复杂物理系统的开创性贡献。我们首先简单地看一下三位获奖人的基本背景。


真锅淑郎,1931年出生在日本,在东京大学获得本科和博士学位后来到NOAA-GFDL实验室工作,之后他又在日本、美国间往返过很多次。这次他获奖时,是在美国。



哈塞尔曼,出生在德国汉堡。他一度移民到英国,之后又返回到德国,在汉堡大学获得本科学位,又在哥廷根大学获得博士学位。他也在很多机构从事过科研工作,其中值得提的是他曾经担任过马克斯·普朗克气象研究所的所长,以及德国气候计算中心的科学主任。



帕里西,1948年出生在意大利,是三人中最年轻的,在罗马第一大学获得博士学位,之后往返于很多国家的研究机构,包括意大利、美国、法国等。



回到这次诺贝尔物理学奖的主题——“对理解复杂物理系统的开创性贡献”。我们首先来看一下什么是“复杂的物理系统”。实际上,“复杂的物理系统”是一个非常广泛的名词,没有一个明确的定义,但基本上有以下几个特征。


首先,复杂的物理系统具有大量的组成部分;第二,会受到很多偶然性的支配,在这种情况下,我们很难用数学来很好地描述它们。同时,这些组成部分之间又会有非线性的相互作用,这就导致了对这种系统的研究是非常困难的。这一次物理学奖所涉及的地球气候系统,就是一个非常典型的复杂的物理系统。


在下面的简图中,我们可以看到地球气候系统有很多的组成部分,每个组成部分本身就很复杂,然后又相互作用在一起。


地球气候系统


蝴蝶效应:混沌和无序

混沌和无序是复杂系统的重要特征。把这两个词儿凑一块儿,你肯定很快就会想到一个名词——蝴蝶效应。什么是蝴蝶效应呢?一个通俗的解释版本是:“亚马逊雨林中的蝴蝶扇动了一下翅膀,北京上空就下起了一场暴雨”。但你可能并不知道,蝴蝶效应在科学上的真正含义。


这还要从混沌系统中蝴蝶效应的发现者——洛伦兹说起。早在1963年,气象学家爱德华·洛伦兹(Edward Lorenz)为了模拟天气系统中的对流运动,写下了一个简化版的方程。

这个方程可能在一般人看来还是很复杂的,但实际上原始的方程比简化版要更加复杂。我们就从简化的方程来看,它告诉我们两个基本的特征。


1. 方程是完全确定性的


这就意味着,这个天气系统完全就像一个精密的钟表,你设置好时针、分针、秒针的初始位置,它就可以精确地走时,没有任何随机、不确定性因素的干扰。


2.方程是高度非线性的


这意味着,不能通过简单的数学计算来准确地预测出来这个系统的行为。我们只能求助计算机来暴力计算,我们只能近似求解,不能得到数学上的解析解。


然而,当你真的将这个方程输入计算机后,你会看到下面的画面。



动点经过长期运动所形成的轨迹就像一支张开了翅膀的大蝴蝶!这大概就是把混沌现象叫做蝴蝶效应的真正原因吧。


代表方程解的动点会在两扇翅膀之间晃来晃去的,飘忽不定。它一会儿在这边晃两圈,一会儿又跳到了另一扇翅膀。它的运动表现得似乎毫无规律。


然而,他还发现了更神奇的事儿。从稍微不同的初始状态迭代这个方程,却会得到完全不同的轨迹。洛伦兹开始还以为是自己的程序出了错误,怎么可能初始条件相差万分之一,后续的结果却有巨大的误差呢?经过反复的验证,他才了解到,原来这个方程并没有错,而是在向洛伦兹传达一个惊天动地的关于数学世界的大秘密:这个超级简单的非线性方程是对初始条件超级敏感的!


我们怎么去理解超级敏感?举个例子,射击时,如果出现了一个非常小角度的偏差,完全可能让子弹脱靶,即子弹飞行的轨迹及其落点对子弹出射的角度是非常敏感的。


蝴蝶效应表明即使一个满足牛顿定律的确定系统,也有可能因为非线性而产生随机的表现,并且因为对初始条件不完美的测量或设定,使得我们根本无法对系统进行准确模拟与预测。


这就意味着,开始的时候,你预测的天气仅仅有万分之一的误差,但经过两天以后,你的模型就和真实天气系统产生了天壤之别,简直就毫无关系了。


地球气候系统:是否不可预测?

从前面的讨论中我们得到一个基本的结论,即使是一个满足牛顿定律的确定系统,也可能因为非线性而产生随机运动,并且因为对初始条件不完美的测量,我们无法对这个系统进行准确的预测。


我们再回到主题——天气和气候,根据前面的混沌效应,是不是它就不可预测了?


对这个问题的回答,就是今年诺贝尔物理学奖得主主要的贡献。他们的工作发现,虽然在微观尺度上,混沌效应的确存在,但在宏观尺度,比方说全球气候变化这样的一个宏观系统当中,混沌效应所产生的不确定性可以被视为噪声涨落而被忽略掉,从而我们可以得到一个确定性的结论。


因此我们不仅能够预测全球大尺度气候的宏观行为,甚至我们还可以用一些方法从这样的全球变化趋势里,去评估出我们人类活动对它的贡献。这三位获奖人当中,前面两位——真锅淑郎和哈塞尔曼,他们的贡献主要就属于理解和预测了一个特定的复杂系统的变化。而帕里西的贡献属于研究了复杂系统的宏观性质。


复杂物理系统是什么?为什么它复杂?复杂在哪里?为什么它很难研究、很难预测?三位获奖者对回答这些问题做出了开创性贡献。接下来我把重点放到前面两位,他们对地球气候系统这个特定的复杂系统有开创性贡献,即:通过对地球气候系统的物理建模,来量化气候变化率,以及可靠地预测全球变暖。第三位获奖人的研究领域并不是我的研究领域,我不是很熟悉,所以也不会太多提及。


气候变化


我们可以把地球气候系统分成很多组成部分。总体上,我们把它分成大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。在这样一个复杂的系统里,各个组成部分都会影响地球的气候。


有一点非常重要,气候变化是一个偏宏观的量,它是长期的、平均的变化,而不是天气那样的每天波动。



看上边这张图,图中上面的曲线是每一年的平均温度,你会看到它总体有一个上升的趋势,但是不同年份之间会有波动。下面这条曲线是每十年平均以后的温度,可以看到,在对十年的气温进行平均以后,这样的波动基本上就没有了,我们所看到的就是一个基本稳定的变化趋势。这就是长期的气候变化和短期的天气波动之间的区别。在气候变化当中,我们除了关注长期平均值的变化,也会关心极端天气发生概率的变化。


气候变化为什么重要?我们为什么要去关注它?首先,很多研究事实已经证明了,气候变化会导致冰川融化,海平面上升,极端天气频率增多、强度增大,等等。另外有一些研究也指出,全球变暖以后会加剧一些传染病的流行。所有这些变化,对全球人类都会有非常大的影响,所以非常值得我们去关注。



气候变化为什么会发生?这是因为我们地球系统的辐射平衡被破坏了。


地球系统中,主要有两种方式会使得平衡被破坏。第一是太阳入射到我们地球大气顶的净辐射量,如果净辐射量发生变化了,显然整个的能量收支平衡就被破坏了。第二是我们地球发射的长波辐射发生了改变,这也会导致我们地球系统能量收支发生变化。


那么什么过程会导致这两种方式的变化?首先是太阳——如果太阳活动发生了变化,显然从太阳入射到我们地球的能量就会发生变化。第二点,太阳光到达大气以后,并不是所有能量都进入地球系统当中,有很大一部分会被大气中的云和颗粒物反射回去,所以,如果这一部分损耗改变了,也会影响辐射的收支平衡。


此外,地球发射的长波辐射也会对辐射平衡造成影响,而这正是此次诺奖获得者工作的重点。大气中的温室气体会使得长波返回到宇宙当中的能量发生改变,这就是温室气体的温室效应。


很显然,气候一旦变化了,我们当然关心到底是自然的变化,还是因为我们人类的影响。只有搞清楚了这一点,我们才能真正地搞清楚气候为什么变了。


大气科学:典型的交叉学科

在对天气和气候变化的探究中,有一门学科起了非常重要的作用,这就是大气科学。它给气候预测以及气候归因奠定了坚实的基础。


地球大气跟整个地球相比,看似非常微不足道,只是很薄的一层,但它对我们地球非常重要。大气科学的研究对象就是这么非常薄的一层,主要研究地球或者行星大气中发生的各种现象及变化规律。



这门学科有一个非常不一样的特点,尤其是跟我们高中初中的学科很不一样的——高中初中我们不会开设这样的学科,开设的是物理、化学、数学之类的课程。大气科学是一门交叉学科,它和很多学科息息相关。计算机科学和信息科学的发展,直接导致了气候预测的实现。而物理学的发展推动了大气物理学的发展,化学的发展推动大气化学的发展。还有人文、经济、环境,天文等等学科,都跟大气科学有非常多的交叉。


大气科学的发展历史

公元前340年,第一位建立广泛大气科学领域的人是古希腊哲学家亚里士多德。在著作《气象学》(Meteorolosis)中,他最先叙述和粗浅地解释了风、云、雨、雪、雷、雹等天气现象。现在气象学的英文Meteorology就是从亚里士多德的原书名演变而来的。



而真正的现代大气科学要等到1903年,以皮叶克尼斯为代表的一批学者提出使用数学、物理的方法来进行大气各要素预报。但这时信息科学、计算机科学的发展还没有到一定的程度,所以他虽然用物理、数学列了一些方程,但是没有办法求解。皮叶克尼斯等提出,物理学的定律可以被用于预报天气,大气的预报可以被视作数学物理的初值问题。



随着信息科学和计算机科学的发展,到1946年的时候, “现代计算机之父”冯·诺依曼提出可以用计算机来进行大气模型的求解。一位非常著名的大气科学家查尼,和他一起进行了第一次大气模型的计算机运行。在这张照片中,后面黑色的庞然大物,就是世界上第一台电子计算机ENIAC。他们利用这台计算机,第一次对大气模型进行了求解,也是第一次成功的数值天气预报。



随着第一个大气模型的成功求解,大气模型乃至大气科学的发展进入了迅速发展的崭新阶段。在刚开始的大气模型中,我们主要关注大气当中的运动。后来我们发现,大气和陆面之间是有物质能量交换的,所以在大气模型中会去耦合陆面上的一些过程。再到后面,我们发现还有海洋的一些过程参与,再到后面我们发现大气里面还有很多的成分……一直到现在,终于得到了相对比较完善的大气数值模型了。大气模型是地球系统模型非常重要的组成部分。基于这样的模型,我们就可以预测未来大气是怎么样去运动的。


随着大气模型或者气候模型的发展,越来越多的科学家加入大气预测或者气候预测的研究中。有一个非常重要的组织——成立于1988年的“政府间气候变化专门委员会”(简称IPCC),它每隔几年对气候变化进行一个评估,并且重新预测未来的气候会如何变化。



上面这张图是IPCC最新发布的一个气候模拟,包括历史的模拟以及对未来的预测。当我们有了很多地球系统模型和大气模型的演算,我们发现了一个问题:地球的气候是在变的,它并没有达到稳态,温度在不断增加。同时我们也发现,人类活动好像在其中扮演了非常重要的角色。



这几张图中,下面的蓝色曲线代表没有人类干预的情况下,基于大气模型所算出来的温度,红色阴影部分是考虑了人类的影响,所预测出来的全球温度,这个温度跟我们所观测到的全球温度变化更加一致。可见,人类在气候变化中一定扮演着非常重要的角色。


大气科学家的不懈探索

全球在变暖,而且人类扮演重要角色,对这方面的研究,真锅淑郎和哈塞尔曼做出开创性和奠定性的贡献。



首先,他们成功地运用了统计物理和非线性动力学方法,从宏观的层次求解了全球大气运动方程,使得对气候变化可以有一个科学的预测。另外,他们又精确地预测了二氧化碳浓度的升高是如何导致大气温度升高的,并且定量计算了人类活动在其中扮演的角色。


傅里叶(Baron Jean Baptiste Joseph Fourier,1768-1830)


其实早在19世纪20年代,法国著名数学家、物理学家傅立叶就做了一些推论。傅里叶计算出,一个地球大小的物体,在它与太阳的距离上,如果只是由于太阳辐射的影响而变暖,那么它的实际温度应该比地球低得多。他在发表的文章中研究了各种可能的额外热源,虽然傅里叶最终建议,星际辐射可能占了其他热源的一大部分,但他也考虑到一种可能性——地球的大气层可能是一种隔热体。傅立叶对地球大气层可能起到某种绝缘体作用的考虑,被广泛认为是现在所知的“温室效应”的雏形。


丁达尔(John Tyndall,1820-1893)


到19世纪60年代,受傅里叶等人工作的启发,爱尔兰物理学家丁达尔开始关注这一问题,并成功测量了空气中不同成分吸收的红外辐射热量 。通过一套复杂精巧的试验装置,丁达尔测量出大气的主要成分(如氧气、氮气)对红外辐射的吸收极弱,而水蒸气、二氧化碳等能够大量吸收红外辐射。


到了1896年,后来的诺贝尔化学奖得主阿伦尼乌斯解释了温室效应的原理。1899年,另一位科学家埃科霍尔姆,第一个提到温室效应的概念。但是他当时认为,这可能是对人类有利的——因为当时人类正在惧怕我们会进入一个冰期。他认为,只要控制二氧化碳的排放,人类是可以调节地球未来的气候的。


1950年,大卫·基林开始了对大气二氧化碳的长期的准确观测,他开发了第一台可以较可靠地测量大气当中二氧化碳浓度的科学仪器,并在夏威夷建了一个观测站,对二氧化碳浓度进行持续监测。这也是迄今为止世界上时间最长的大气二氧化碳浓度的观测记录。观测结果证明,现在大气当中二氧化碳的浓度确实在快速增加。

 

那么,真锅淑郎在大气科学的发展里扮演了什么样的角色?首先我们之前提到,我们开始考虑温室效应的时候,只考虑了最基本的能量收支。而真锅淑郎在模型当中,考虑到了实际上还存在的更准确的大气过程。考虑进这些过程之后,才能够更准确地预测出二氧化碳的变化到底对我们地球上的大气温度有多大的贡献。


20世纪60年代时,计算机的能力是非常有限的。因此,在当时的简化物理模型当中,真锅淑郎也只能保留非常核心的物理过程。但是他对大气物理的核心过程掌握得非常的准,利用非常简化的模型做出了精确的预测。他把全球的大气简化成一个圆柱体,即使是这样的简化,用当时非常先进的计算机也要花费几百个小时。


真锅淑郎的计算给了我们许多新的观点。第一,他发现了地表的温度升高并不是由于太阳辐射的变化引起的,而是由于二氧化碳浓度的升高。第二,他也给了我们一个量化的数字——如果二氧化碳的浓度增倍,则地表的温度会增加2.36度。2021年最新的IPCC第六次报告当中指出二氧化碳翻倍以后,全球的增温大约是在2.5到4度,跟真锅淑郎的预测差距并不大。也就是说,他虽然使用了非常简化的模型,但由于考虑了核心的部分,还是非常准确地预测出了二氧化碳翻倍以后我们地球温度的变化。


哈塞尔曼的贡献和前面提到的蝴蝶效应有一定的关系。地球的气候系统也是复杂系统当中的一类,它也具有蝴蝶效应。


天气基本上是不可能提前很久预测的,部分原因是不可能确定大气中每个点的天气数据,部分原因是天气现象是混乱的——即使是很小的变化也可能最终导致后来大得多的变化。哈塞尔曼展示了气候与天气不同——天气的混沌波动可以描述为数据噪声,可以在气候建模中加以解释。这些随机变化被建立在哈塞尔曼的气候模型中。


通过随机变化的参数化方法,哈塞尔曼模型将天气的混沌描述为数据的噪声,并基于丰富的观测资料验证了气候模型的准确性。同时,他发展了一套指纹识别方法,即一个基于物理学原理来识别气候变化归因的方法。这种方法能帮助我们分离出自然变化和人类活动的影响,这样就能够更加清楚气候的变化有多少是人类的贡献了。


大气科学、气候变化不管我们怎么研究,最终我们还是希望要有应对。非常希望大家每一天的生活中都能注意绿色出行、节约能源。这些都对我们应对气候变化是有帮助的。否则,我们预测、分析得再准,也没有太大的意义。



作者简介

赵纯,中国科学技术大学教授,博士生导师。长期从事大气模式的研发和应用,主要专注如何利用数值模拟的方法来研究大气多尺度过程间相互作用机制,包括区域大气污染、极端天气以及它们之间的相互作用。


演讲者:赵纯;演讲时间:2021年10月

文字整理:zhr;审读:wj

排版:dar