真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德的工作,清晰地回答了这个问题。在证明二氧化碳对气候变化的作用和复杂物理机制方面,国际上杰出的学者和杰出的工作很多,但真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德的工作是开创性的第一个。如果不是韦瑟尔德于2011年在75岁时去世,他应该与今年90岁的真锅淑郎一起获奖。真锅淑郎博士来自美国国家海洋大气局地球流体力学实验室,同时是普林斯顿大学教授。

1967年6月,真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德合作在美国气象学会《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。在文章中,基于辐射传输科学的最新进展,他们利用简化的一维辐射对流平衡模型将大气分为多个层,通过考虑辐射和对流的作用,真实地模拟重现了观测的大气垂直温度廓线。

他们进一步基于该模型,计算了大气中二氧化碳浓度从150ppm(指空气中含有百万分之一百五的二氧化碳)增加到300ppm,以及从300ppm增至600ppm时的温度变化,结果发现,二氧化碳浓度每翻一倍,全球平均温度将会变暖约2.3℃。这是最早的关于二氧化碳导致全球增暖的定量估算,非常接近今年8月公布的联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次科学评估报告给出的最佳估计值3.0℃。

其学术成就之二,是研发了世界上第一个考虑三维大气环流的气候模式,从而衍生出现代气候模式的发展,开启了基于地球流体力学运动规律的三维气候模式的发展及其在全球变暖研究中的应用新时代。1975年,真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德合作在美国气象学会《大气科学杂志》上发表了题为“二氧化碳浓度加倍对一个环流模式的气候影响”的论文,这篇论文被认为标志着环流气候模式的诞生。

在这篇论文中,他们构建了一个理想海陆分布的海气耦合模式,其海洋只是被简单地处理为“湿地”,不能描述海洋环流及其热输送的变化。通过这样一个理想处理的环流模式,他们证明二氧化碳增加所导致的全球增暖要比简单的辐射对流模式的结果要强,同时,他们指出全球变暖具有极地强化现象(即北极的增暖要强于全球平均),还会令全球水循环增强。此后,随着科学认知的提升、高性能计算的发展和计算能力的提高,气候模式在世界上许多国家得到快速发展,能够更为全面地反映大气过程、海洋环流过程、冰冻圈过程、植被生态过程和大气化学过程等,从而构成能够完整描述大气、海洋、陆面和海冰等的气候系统模式,在模拟历史变化、开展检测归因和预估未来变化中发挥着越来越重要的作用。因此,将真锅淑郎称为“现代气候模式之父”实不为过。

在这一问题的解答上,克劳斯·哈塞尔曼的贡献无可替代。即使没有人类活动的影响,气候也会存在不同时间尺度的冷暖振荡,这被称作“自然变率”。只有在理解自然变率这一“噪音”规律的基础上,我们才能有效寻找我们关注的“信号”——人类活动影响的“指纹”,从而进一步定量估算人类活动在工业革命以来全球增暖中的贡献。哈塞尔曼的工作,同时也向我们完美地展示了如何借助数学来回答气候变化中的物理问题。

克劳斯·哈塞尔曼的随机气候模型,能够完美解释自然气候变率。在人类出现于地球后的数万年发展过程中,绝大部分时间对居住环境和相应气候条件这种自然变化是被动地适应的。如何解释这种自然振荡的物理成因,哈塞尔曼1976年发表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变率,可能造成气候系统的慢变化红噪声响应。以大气对海洋的强迫为例,时刻都处于运动之中的快速变化的大气,能够引起与之相耦合的缓慢变化的海洋产生年代际或更长尺度的运动。如今,“哈塞尔曼机制”和大名鼎鼎的“混沌之父”、提出“蝴蝶效应”的洛伦兹发现的“洛伦兹机制”并列为可解释气候系统自然变率的两大机制之一,后者认为混沌性的短期天气变率自身就可以产生气候事件尺度的变率。

对于上述四个问题的回答,真锅淑郎的工作为回答前两个问题奠定了基础,而克劳斯·哈塞尔曼的工作则为回答后两个问题奠定了基础。两位获奖人的工作,彼此也相辅相成,因为气候变化的检测归因依赖于气候模式及其模拟试验结果,没有气候模式支撑,克劳斯·哈塞尔曼的检测归因就无从实现;同时,若没有克劳斯·哈塞尔曼关于信噪比和检测归因的理论研究及其方法,我们就无法利用气候模拟试验和统计技术来定量回答观测中的变化到底有多少人类活动的贡献,气候模式的重要作用就要打折扣。

1896年,诺贝尔化学奖得主、瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯在温室效应的物理原理基础上提出了人造温室效应的可能性,他认为,工业化会造成二氧化碳增多,导致全球温度升高,他认为如果大气二氧化碳增加一倍,温度将升高5℃-6℃,反之,如果大气中的二氧化碳浓度减半,则将足以使地球进入下一个冰河世纪;

辐射传输理论的丰厚研究积累,最终使得真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德于1967年利用简化的一维辐射对流平衡模型,真实地模拟重现了观测的大气垂直温度廓线,并定量估算了二氧化碳导致的全球增暖,提出了其中水汽的重要反馈作用。大气物理学界跨越世纪的丰厚研究成果的整体支撑,是真锅淑郎等在全球变暖物理机理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格数学和物理基础的科学,也从此被科学界所认同,这一认同和表彰的确来之不易。

真锅淑郎与中国渊源颇深,与中国气象界交往密切,多次到中国交流讲学。中国科学院大气物理研究所叶笃正院士(2005年国家最高科技奖获得者)、陶诗言院士、曾庆存院士(2019年国家最高科技奖获得者)等人曾经和真锅淑郎共事,他们都在美国国家海洋大气局的地球流体力学实验室工作过,与真锅淑郎先生结下深厚的友谊。

叶笃正先生访问地球流体力学实验室期间的合作者就是真锅淑郎先生,二人合作于1982年在国际期刊发表了关于土壤湿度记忆力的重要学术文章,推动了国际上关于青藏高原气候影响的数值模拟研究。2005年8月6日,“国际气象学和大气科学协会”科学大会特别研讨会“从大气环流到全球变化:资深院士叶笃正教授90华诞庆祝会”在中国科学院大气物理研究所举办,真锅淑郎先生专程赶来北京参会,表达他对叶笃正先生的敬意。

2009年,应日本名古屋大学水循环研究中心安成哲三教授的邀请,我到那里做访问教授,真锅淑郎恰好也应安成教授的邀请来做短访。我们都住在名古屋大学校园里的客座教授公寓,有了聊天的机会。当时线,但精力充沛,永远有着说不完的观点和点评,他性格之开朗和健谈,给我留下深刻印象。他曾说,能够利用手上所有的资源来做自己最喜欢做、最好奇做的事,这是他最开心的事情。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。