現(xiàn)代物理知識雜志

2022年2月5日12:00現(xiàn)代物理知識雜志官方賬號

|作者：林巖鑾

(清華大學地球系統(tǒng)科學系)

本文選自《物理》2022年第12期

摘要2021年諾貝爾物理學獎授予了兩位氣候學家和一位理論物理學家，以表彰他們在“理解復雜物理系統(tǒng)領域所做出的開創(chuàng)性貢獻”。文章主要介紹其中一位氣候學家真鍋淑郎(Syukuro Manabe)的工作。作為一個復雜物理系統(tǒng)，全球氣候系統(tǒng)具有高度的復雜性，作為對這個復雜系統(tǒng)的高度近似，真鍋淑郎的輻射對流平衡模型計算首次明確無誤地量化了二氧化碳翻倍導致的升溫幅度(2.36℃)。另外，他也被公認為世界氣候模式之父，氣候模式已經成為研究全球氣候變化機理和預估未來全球氣候變化不可或缺的工具。文章主要介紹輻射對流平衡模型的思想以及最近的發(fā)展和存在的問題。在全球氣候模式方面，簡要介紹模式的組成，側重強調模式的物理基礎以及存在的問題，討論未來的發(fā)展趨勢和方向。

關鍵詞2021年諾貝爾物理學獎，輻射對流平衡，全球變暖，全球氣候模式

01引 言

地球，作為人類生存的家園，充滿了難以想象的復雜性。其中的5大圈層(大氣、海洋、陸地、冰凍圈、生物圈)不僅自身充滿變數(shù)，還通過能量和物質在不同圈層間的交換相互影響，最終形成了豐富復雜的地球系統(tǒng)。地球系統(tǒng)經歷了漫長的演變，但人類對這個系統(tǒng)的影響從工業(yè)革命之后逐漸開始。自工業(yè)革命以來，人類活動導致二氧化碳的排放激增，地球上的自然碳匯無法吸收人類活動產生的過量二氧化碳氣體，使得其含量逐年快速遞增?；?0世紀50年代后期開始的在夏威夷莫納羅亞火山進行的測量，人們開始清楚地認識到大氣中的二氧化碳濃度在不斷上升。這一上升趨勢被稱為“基林曲線”，如圖1所示，是以開始測量的科學家查理斯·大衛(wèi)·基林(Charles David Keeling)的名字命名的。從圖1我們可以看到，二氧化碳濃度已經從1958年的不到320 ppm增加到最近的近420 ppm，而且還在繼續(xù)增加。溫室氣體就像溫室的玻璃，允許太陽短波輻射的進入，卻減少了地面向太空的長波輻射——形成了我們熟知的溫室效應。溫室效應無疑將造成全球氣候變暖，但究竟會變暖多少，以及變暖之后會帶來怎樣的影響，是全球變化研究亟需回答的問題。

圖1 大氣二氧化碳含量的變化——“基林曲線”(圖片來自https://keelingcurve./)

對溫室效應的研究可以追溯到19世紀，傅里葉(Fourier)在1824年發(fā)表了《地球及其表層空間溫度概述》，人們開始了解到組成大氣層的某些氣體能夠捕獲輻射能量。到20世紀，光子的吸收和發(fā)射過程被發(fā)現(xiàn)，進一步推動了輻射理論的形成。隨著我們對大氣中各種氣體吸收和發(fā)射光譜的深入了解以及計算機的發(fā)展，已經有可能對整個大氣層(通常從地表到平流層頂)分層進行逐層的輻射能量收支計算。

20世紀60年代末，真鍋淑郎(Syukuro Manabe)等人開發(fā)了第一個全面考慮溫室氣體(包括水汽)輻射吸收以及對流能量輸送的一維模型，并首次對大氣中二氧化碳翻倍造成的溫度變化進行了量化計算。同時他們開始開發(fā)三維的大氣環(huán)流模式，并考慮陸面和海洋，成為現(xiàn)代日益復雜的氣候系統(tǒng)模式和地球系統(tǒng)模式的前身和基礎。普林斯頓大學地球科學和國際事務教授邁克爾·奧本海默(Michael Oppenheimer)說：“Suki是第一個現(xiàn)代氣候模型的制作人，如果沒有Suki發(fā)起的氣候科學模式，我們可能仍然知道地球的溫室效應由于人類活動而增加，并且地球正在變暖，但將這兩個事實聯(lián)系起來會更加困難，而且不可能在任何有用的細節(jié)水平上定量預測未來?！盵1]

2021年的諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了三位物理學家，表彰他們“對我們理解復雜系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻”。其中一位便是普林斯頓大學—美國大氣海洋局地球物理流體動力實驗室(GFDL)的真鍋淑郎，以致敬其對地球氣候物理模型的開創(chuàng)性工作和對全球變暖的量化預測。他的主要貢獻包括第一個輻射對流模型(radiative-convective equilibrium，RCE)和第一個完整意義上的全球氣候模式，他也因此被稱為氣候模式之父。文章圍繞他的輻射對流平衡模型和全球氣候模式展開了一些基本的介紹，并討論目前存在的問題和未來的發(fā)展趨勢，這些工作體現(xiàn)了物理知識的積累和計算機科學的發(fā)展是如何有效推進氣候變化研究進展的。

02

輻射對流平衡模型

2.1 輻射平衡模型

要理解地球的冷暖變化，首先需要知道地球溫度究竟因何變化？我們在燒開水的時候，鍋中水吸收的能量遠大于其自身向四周散發(fā)的熱量，導致溫度上升；而把火關掉后，鍋中水則凈向外放出熱量，溫度逐漸下降。其實地球在宇宙空間中也如出一轍，只不過能量的收支是通過電磁波輻射進行的——任何物體只要溫度大于絕對零度，都會以電磁波的形式向外輻射能量。根據(jù)普朗克輻射定律，物體溫度越高，其輻射電磁波的波長越短，且能量越高。太陽表面的溫度近6000 K，輻射主要以可見光波段的電磁波為主；而地球表面只有近300 K，輻射的主要是紅外長波，我們肉眼無法察覺。所以對地球而言，能量源來自太陽的短波輻射，而能量損失則是自身的長波輻射。

黑體——能夠吸收外來全部電磁輻射的理想化物體，常應用于輻射相關的研究中。其輻射能量可以根據(jù)斯特藩—玻爾茲曼定律進行量化：

其中，σ為斯特藩—玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為5.67×10-8W/(m2?K4)。

圖2 地球與空間的輻射熱交換示意圖

對于地球整體而言，其輻射能量收支狀況的表征，即凈輻射，決定了系統(tǒng)是升溫還是降溫(圖2)。從長期平衡來看，地球溫度基本保持恒定，可以認為凈輻射為0，如果不考慮大氣對太陽和地球輻射的影響，這時依據(jù)輻射平衡可知：

其中，A是地球平均反射率，取0.3作為計算值；S是太陽常數(shù)，指在日地平均距離上大氣層頂垂直于太陽光線的單位面積每秒鐘接收的太陽輻射，取1367 W/m2。計算得到輻射平衡時地球表面的有效溫度為Te=255 K(-18℃)，這顯然與我們的認知大相徑庭，地球實際的全球地表平均溫度在288 K(15℃)左右，原因就在于大氣的溫室效應。

地球大氣雖然看不見摸不著，卻對地球系統(tǒng)的能量收支起了重要的作用。上面的簡單計算表明，如果沒有大氣地表的溫度會比現(xiàn)在低得多，那有了大氣之后會怎樣呢？首先需要考慮大氣中各種氣體的輻射特性。氮氣和氧氣雖然是大氣的主要成分，但由于它們是雙原子分子，沒有溫室效應。大氣中主要的溫室氣體是臭氧、二氧化碳和水汽等。這些氣體的吸收光譜是由它們的分子結構和量子力學特性決定的，具體可以參考胡永云的文章[2]。由于大氣基本不吸收可見光，很難直接從太陽輻射獲取能量，主要是通過對地表長波輻射的吸收得到部分加熱的。

由于大氣在垂直方向上有明顯的溫度和溫室氣體含量(主要是水汽)的變化，我們不能把大氣像地表一樣當做簡單的一層來考慮。在了解了大氣的垂直溫度結構(這個垂直結構本身受輻射影響)后，不難想象，我們可以通過逐層計算太陽短波輻射和長波輻射在每層中的收支情況，得出大氣的垂直溫度廓線和地表溫度。具體而言，可以把整個地球大氣簡化為一個一維的大氣柱模型，每一層大氣被加熱或冷卻的速率與它收到的凈輻射有關，而這層大氣自身的輻射又與自身的溫度和溫室氣體含量有關。整個的求解其實是一個初值問題的漸近解或平衡解計算問題。

模型需要給定各種溫室氣體的分布，比如CO2是固定的300 ppm，臭氧的分布廓線按當時的觀測進行擬合，最大值約在22 km處。地表反照率給定為0.102。具體計算中把整個大氣大致按質量分成18層(大氣層頂高度大約為43 km)，再加上地表，初始狀態(tài)為一個等溫的大氣層[3]。確定了逐層的輻射計算后，還需要考慮大氣層頂和地表的邊界條件，例如在輻射平衡狀態(tài)下可以假定大氣層頂進來的太陽短波輻射和出去的長波輻射相等，地表得到的凈太陽短波輻射和凈長波輻射相等，不存在溫度的不連續(xù)性等。

圖3 輻射平衡和考慮對流調整(調整到干絕熱遞減率和濕絕熱遞減率)之后的大氣溫度廓線[3]

輻射平衡的意思就是對地表和大氣來講能量的收支都僅通過輻射來確定。與真實的大氣溫度垂直分布相比，輻射平衡給出的分布在大氣高層吻合較好，也較好地模擬出了平流層，這主要是臭氧對太陽紫外輻射吸收的結果。但在大氣低層偏離較大，具體的問題是對流層溫度的垂直梯度過大(圖3顯示可達到每千米近20℃)，也就是說下層的氣團總比其上方的氣團熱很多；地表則更加炙熱，達到了60℃左右。我們知道地球大氣的溫度遞減率超過每千米9.8℃(干絕熱遞減率，即氣塊在地球大氣中絕熱上升過程中由于膨脹做功導致的溫度下降的速率)就是不穩(wěn)定的，會發(fā)生對流，從而輸送能量，加熱大氣，改變溫度的垂直廓線。

2.2 輻射對流平衡(RCE)模型

之前的計算僅以地表的輻射平衡為出發(fā)點，這會導致不合理的地表溫度和大氣溫度廓線(圖3黑色實線)。真鍋淑郎等的第一個創(chuàng)新是把地表和大氣考慮為一個整體，考慮大氣層頂?shù)哪芰科胶?，同時考慮到地表的輻射能量凈收支(地表吸收的太陽短波輻射通常大于凈長波輻射)用來平衡整個大氣的凈輻射冷卻從而確保地表的凈能量收支為零。具體來講就是地表到大氣的感熱和潛熱通量必須平衡整個大氣的輻射冷卻。具體的做法是在模式中引入了對流調整方案[3]。對流調整是對模型施加限制，使得下層空氣的密度不低于上層。大氣密度受到氣壓、溫度、水汽含量等多種要素的影響，但早期的版本只考慮了氣壓和溫度的影響(水汽含量對空氣密度的影響通常小于2%)。在實際計算中，采用逐步迭代的方法，一旦溫度梯度大于規(guī)定值(采用濕絕熱遞減率每千米6.5℃)時，認為發(fā)生對流調整，通過迭代使溫度分布回到規(guī)定值。如此一來，對于任一高度層上的大氣，短波輻射、長波輻射和對流造成的熱通量達到平衡，稱為輻射對流平衡。

他們的第二個創(chuàng)新是對水汽的考慮。作為一種溫室氣體，水汽是大氣中最為多變的一個變量，時空變化巨大。就算在一維的RCE模型中，如何考慮水汽也至關重要。他們1964年的文章[3]假定大氣的絕對濕度(也就是水汽的絕對含量)不變，這在研究當時的氣候狀態(tài)時沒有太大的問題，但要研究溫室效應和全球變暖就不太適用了。在大氣溫度變化的情況下，飽和水汽壓會隨著溫度的升高而升高(根據(jù)克勞修斯—克拉珀龍方程，在300 K左右溫度每升高1℃，飽和水汽增加約7%)。實際情況是大氣的相對濕度基本保持不變，所以變暖會伴隨著大氣中水汽的增加。1967年的文章[4]主要就是增加考慮了這一點，實際做法是參考觀測假定相對濕度從近地面的77%隨高度逐漸下降到2%。

考慮這兩點之后，模型計算得到了和實際大氣吻合很好的溫度垂直廓線(圖4)。注意在輻射平衡下，假定相對濕度不變后得到的溫度遞減率比假定絕對濕度不變的溫度遞減率還要大。這主要是因為假定相對濕度不變后水汽隨著溫度下降而急劇下降，大大降低了溫室效應。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，在平流層輻射平衡假定和輻射對流平衡假定的差別不大，基本滿足輻射平衡，而在對流層差異巨大，不考慮對流的影響，無法得到和觀測接近的廓線，這表明在對流層除輻射外，必須考慮對流的能量輸送。

圖4 輻射平衡(分別考慮固定絕對濕度和相對濕度)和輻射對流平衡(固定相對濕度)下的溫度廓線[4]

在這個基礎上，真鍋淑郎等用這個模型計算了大氣的溫度廓線在CO2翻倍和減半下的狀態(tài)(圖5)，這也是諾貝爾獎網站上顯示的一個非常重要的圖?？梢钥吹皆贑O2濃度從300 ppm(體積比)增加到600 ppm后，地表溫度增加了2.36℃，而減少到150ppm后降低了2.28℃。這個溫度的變化比在假定絕對濕度不變的情況下要增加大約80%，體現(xiàn)了水汽對氣候變化強大的正反饋作用[4]。這個計算首次定量確定了CO2翻倍造成的地球增溫幅度。CO2翻倍后地球系統(tǒng)達到平衡后的增溫幅度通常稱作平衡氣候敏感度，這個模型計算的2.36℃成為平衡氣候敏感度第一個可靠的估計。隨后開始的政府間氣候變化專門委員會(IPCC)對平衡氣候敏感度的估計范圍一直在1.5℃到4.5℃之間，到了最近的第六次評估報告(AR6)認為可能的范圍是2—5℃(圖6)。造成這么大的不確定性的一個主要原因是云反饋的不確定性，如何降低平衡氣候敏感度的不確定性范圍是目前氣候科學中最為重要也最有挑戰(zhàn)的科學問題之一。

圖5 不同二氧化碳濃度下模型計算的溫度廓線[5]

另外一個有意思的發(fā)現(xiàn)是隨著CO2的增加，平流層溫度有明顯的下降，這是怎么回事呢？主要原因是平流層溫度主要由太陽短波輻射加熱率(主要是臭氧吸收)和溫室氣體的紅外輻射冷卻率的平衡決定。二氧化碳增加導致紅外輻射冷卻“效率(比輻射率)”增強，在太陽輻射加熱率(臭氧吸收)不變的情況下，平流層溫度必須降低來達到和以前一樣的紅外輻射冷卻率。這一重要的發(fā)現(xiàn)被后來的觀測證實。

圖6 IPCC歷次評估報告對平衡氣候敏感度(ECS)的估計[6]

2.3 輻射對流平衡模型的應用和發(fā)展

上面討論的模型很好地模擬了現(xiàn)在氣候的狀況以及對CO2的響應，但還有一些進一步改進的空間，比如這個模式的對流調整方法是強行把溫度廓線拉回濕絕熱遞減率，沒有明確的水循環(huán)，云是給定的，云對輻射的影響較為簡單等。后續(xù)RCE模型的發(fā)展采用了更為復雜的對流參數(shù)化方案，考慮云微物理(成云致雨過程)的影響等[7]。這些輻射對流平衡模型有很多的應用，下面簡要介紹這些模型揭示的一些有趣發(fā)現(xiàn)。

水汽作為一種主要的溫室氣體會隨著溫度的升高而不斷升高，其結果就是系統(tǒng)的長波輻射冷卻能力會達到一個上限(大氣的輻射上限大約是290 W·m-2[8])，也就是天頂?shù)拈L波輻射不再隨著地表溫度的增加而增加。如果這時候地球吸收的太陽短波輻射大于這個輻射上限，系統(tǒng)就無法通過升溫達到一個新的平衡態(tài)，導致溫度不斷升高，引發(fā)進一步的蒸發(fā)，大氣中的水汽繼續(xù)增加，增強溫室效應，最終導致溫室氣體失控[9]。根據(jù)目前的計算，科學家普遍認為金星就經歷過溫室氣體失控過程，導致金星上的水都蒸發(fā)最后逃逸到外太空，成為一顆酷熱沒有生命的星球[9]。目前輻射對流平衡模型計算的結果是：這個輻射上限在大氣長波光學厚度小的區(qū)間(optically thin regime)大概在275 W·m-2左右，但在對流活動極為活躍導致進入大氣長波光學厚度大的區(qū)間的輻射上限是295 W·m-2[7]。因此如果吸收的太陽輻射在這兩者之間時還可能出現(xiàn)多氣候平衡態(tài)(圖7)。目前地球吸收的天頂太陽輻射大約為240 W·m-2，離進入溫室氣體失控狀態(tài)還有很大的距離[7]。當然這些計算還沒有詳細考慮云對輻射的影響，因此還有較大的不確定性。云隨著全球變暖如何變化，對變暖是一個正的還是負的反饋，反饋的強度以及這種反饋是否依賴于氣候狀態(tài)本身是當前氣候變化研究領域最具挑戰(zhàn)的科學問題之一。

圖7 輻射對流平衡模型計算的凈強迫和地表溫度的關系：凈強迫小于F1時，只有一個平衡解；凈強迫在F1和F2之間時，有兩個線性穩(wěn)態(tài)平衡解；凈強迫在F2和F3之間時，有兩個線性穩(wěn)態(tài)平衡解和一個溫室氣體失控態(tài)；凈強迫大于F4時，只有一個溫室氣體失控態(tài)[7]

時至今日，一維輻射對流平衡模式已成為諸多教科書上的重要章節(jié)，被認為是有史以來氣候科學方面最偉大的論文之一。隨著計算機運算能力的不斷增長，對這種高度簡潔概括模型的需求似乎已成為過去。如今的輻射對流平衡模式不僅在空間的水平和垂直方向都更加精細，更是在模式中考慮更為復雜的環(huán)流、降水、云輻射相互作用等。然而，經典的輻射對流平衡模式并未被持續(xù)發(fā)展的復雜的全球氣候模式和地球系統(tǒng)模式完全取代，如今仍是研究氣候科學問題的有力工具。一個重要原因是輻射對流平衡模型在水平均質邊界條件處理上的簡潔性以及抓住了氣候系統(tǒng)中最為關鍵的熱力和輻射過程，可以幫助學界在相對簡單的情況下更好地認識最基本的氣候系統(tǒng)準平衡響應問題，極大地促進了氣候變化科學的進展。

從將對流高度簡化的對流調整模型，到現(xiàn)在顯式表達對流的云解析模型，從早期的一維模型到現(xiàn)在的三維模型，從以前的不考慮動力過程，到現(xiàn)在的考慮水平和垂直運動以及地球的旋轉等，輻射對流平衡模型仍然在幫助我們進一步更好地理解和闡明真實的復雜氣候系統(tǒng)中最為關鍵和本質的部分。例如：由于引入了復雜的輻射傳輸、表面通量、對流等參數(shù)化模塊，如今的輻射對流平衡模型可以自行計算云、水汽以及溫度的垂直分布，以至于如今采用更高分辨率的云解析的輻射對流平衡模型與早期單柱模型已經有明顯的差別，但這些更復雜的模型仍然產生了與早期單柱模型類似的溫度廓線，能讓我們在大尺度良好約束的情形下討論更為復雜的云、輻射和對流問題。

一個重要的例子是對流、云和輻射的復雜相互作用，即使在目前世界上最先進的全球氣候模式中，仍然有較大的偏差和不確定性。作為全球或者熱帶大氣平均狀態(tài)的理想模型，科學家們仍然在使用理想化的RCE模型研究許多有趣的問題，例如：科學研究發(fā)現(xiàn)在特定條件下，平?？雌饋黼s亂無章的隨機對流會突然組織起來形成結構化的對流組織(稱為對流自發(fā)聚合現(xiàn)象，如圖8所示)。對流自發(fā)聚合會改變整個大氣的云和水汽分布，從而影響輻射，同時還會影響大氣和下墊面的水汽和動量交換，影響環(huán)流。這個對流—輻射—水汽—表面通量等之間的反饋機制會極大地影響氣候系統(tǒng)對變暖的響應，因此，IPCC甚至專門組織了輻射對流平衡模型的多模式比較計劃[10]。

圖8 理想RCE模擬下的對流自發(fā)聚合現(xiàn)象[11]

此外，在三維的RCE模型中增加旋轉后，會模擬出很多類似理想“臺風”的旋轉對流渦旋(圖 9)。這些組織化的旋轉對流如何改變整個大氣的能量收支，以及它們如何隨全球變暖而變化也是一個激動人心的科學前沿問題。進一步來講，這些模擬甚至可以幫助我們理解現(xiàn)實世界中臺風的生成、頻數(shù)、尺度問題以及其在氣候系統(tǒng)中的作用[12]。

圖9 考慮地轉的理想RCE模擬中類似臺風的渦旋，和它的近地面風速(左圖：297 K；右圖：305 K)[13]

如果把輻射對流模型看成是真鍋淑郎給氣候變化科學畫的一幅素描的話，那他在全球氣候模式方面的一系列工作就是色彩斑斕的風景畫了。

03

全球氣候模式的發(fā)展

前面討論的RCE模型是一個一維單柱模型，可以認為是一個全球平均狀況的高度近似，對理解全球平均氣候狀態(tài)如何響應溫室氣體的變化具有深刻的科學意義。雖然簡化的氣候模式(如輻射對流平衡模式)可以定量地確定地球平均氣候態(tài)(全球平均氣溫及其垂直廓線)隨外強迫和溫室氣體的變化，但不能提供不同時空的演變特征和空間分布。因此隨著計算機能力的不斷提高，建立在堅實的數(shù)學和物理基礎上的全球氣候系統(tǒng)模式開始出現(xiàn)。這些模式在球面上通過數(shù)值離散方法求解納維—斯托克斯方程和能量收支方程，同時對各種無法直接求解的次網格過程，如對流、湍流和云降水過程，采用不同復雜程度的參數(shù)化方案進行表達。真鍋淑郎研發(fā)了最早的全球氣候模式，取得了一系列新的科學認識，極大地推動了氣候科學的進展[14—17]。

早期的全球氣候模式主要考慮大氣環(huán)流，對下墊面(海洋和陸面)的處理較為簡單，因此也稱為大氣環(huán)流模式[14,15]。后來逐步耦合更為合理的陸面和海洋環(huán)流模式，成為海氣耦合模式，也稱為全球氣候模式(global climate model)或氣候系統(tǒng)模式(climate system model)。這些模式通常不考慮地球系統(tǒng)中的生物、地球和化學過程。隨著模式的進一步發(fā)展，現(xiàn)在的地球系統(tǒng)模式(earth system model，ESM)還考慮地球不同圈層之間的相互作用、生物地球化學過程以及物質和能量在這些不同圈層之間的交換。

全球氣候模式對于理解整個地球系統(tǒng)的運行規(guī)律有十分重要的意義。在真鍋淑郎發(fā)展的全球氣候模式的基礎上，現(xiàn)在全球已經有40余個氣候模式參加了最新一輪的多模式比較計劃(CMIP6)。雖然這些氣候模式的網格結構、動力框架、物理過程、復雜程度甚至耦合方式存在一定程度的差異，但它們都是基于堅實的數(shù)學和物理原理開發(fā)出來的，都能較好地模擬過去的歷史氣候變化以及未來的全球變暖趨勢，這些都不斷增強了人們對于模型和模擬的信心。這些模型模擬在具體的升溫幅度和區(qū)域氣候方面的預估還有較大的不確定性，反映了地球氣候系統(tǒng)的復雜性以及我們對其理解的局限。氣候系統(tǒng)作為一個超級復雜系統(tǒng)，我們對其的科學認識還處在一個不斷深化的過程，最終的理解和科學認識離不開基礎學科如數(shù)學、物理以及計算機科學的快速發(fā)展。

04

結論和展望

地球作為一個復雜系統(tǒng)，還蘊藏著諸多的未知等待人類發(fā)現(xiàn)。氣候模式雖然能夠對未來地球的變化做出一定程度的預估，但我們目前還無法完全理解這些模式大規(guī)模計算背后的物理理論。一只南美的蝴蝶扇動翅膀，可能會給美國帶來一場龍卷風。一個微不足道的初始擾動，會使模式計算結果千差萬別。復雜系統(tǒng)的不確定性及其科學認識是我們面臨的最大挑戰(zhàn)之一，這次諾貝爾物理學獎頒發(fā)給三位研究復雜系統(tǒng)的科學家就是希望我們能在這方面進一步加強研究，更好地認識我們生活其中的地球，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。我們最終的目的是更好地理解地球這一典型的復雜系統(tǒng)究竟是怎么工作的，人類又將會怎樣影響地球的未來，而這需要在觀測、理論和模擬三方面共同推進。

觀測方面，我們已經積累了大量的氣候系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，從地面站點觀測到全球衛(wèi)星監(jiān)測，但更為重要的是如何在海量數(shù)據(jù)背后發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律和認知，引導人們對氣候科學做出創(chuàng)新性的認識。理論方面，當今對于復雜系統(tǒng)的認知還不夠清晰，很多天氣氣候現(xiàn)象背后的物理規(guī)律還處于探索之中，并且基礎物理學科本身也面臨著諸多困難有待解決，例如對流和湍流問題。復雜系統(tǒng)科學和基礎物理科學的進步將進一步推動氣候模式的發(fā)展和氣候科學的進步。最后，氣候模式仍然是我們理解和預估地球氣候系統(tǒng)演變的主要工具。一方面，我們需要不斷改進氣候模式的準確性、可靠性和模擬能力，同時為增進理解，我們還需要一系列不同復雜程度的氣候模式，包括本文重點介紹的輻射對流平衡模型，以及研究古氣候變化的中等復雜程度氣候模式，最終到綜合考慮各種生物地球化學和碳氮循環(huán)過程的完整的地球系統(tǒng)模式。

雖然目前大眾對氣候模式還有一些疑惑，但今年諾貝爾物理學獎的頒布無疑是對氣候模式和氣候科學研究的重大肯定。任何時候氣候模式和氣候科學都要建立在扎實的物理基礎上，未來還需要不斷改進模式的準確性和可靠性，同時更需要不斷增進對氣候系統(tǒng)本身的科學認識。一方面模型需要變得更加全面，考慮更多的過程，但同時我們也更加需要真鍋淑郎等科學家開發(fā)的簡化模型，抽絲剝繭般提取出研究問題的主要矛盾，真正把握復雜系統(tǒng)中的關鍵決定性因素。

致謝施文和張機時博士為本文撰寫提供了大量信息，周宇峰閱讀初稿提出了修改意見，在此向他們表示感謝。

參考文獻

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