诺贝尔物理学奖首次被授予气候学家如何从物理上证明二氧化碳使气候变暖

10月5日，2021年诺贝尔物理学奖正式揭晓，其中一半授予两位气候学家真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼，以表彰他们“对地球气候的物理模拟、量化变率和可靠地预测全球变暖”。这是历史上诺贝尔物理学奖首次被授予气候学家。本刊约请中国科学院大气物理研究所研究员周天军为读者做深度解读。

科学家如何从物理上证明二氧化碳能使全球气候变暖

关于工业革命以来的气候变化，国际社会重点关注两个核心问题，第一个核心问题就是如何从物理上证明二氧化碳能导致全球气候变暖。

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℃。

这篇论文的创新之处，在于建立了一个数学上可靠，并首次能够产生物理上真实结果的气候模式，其关于二氧化碳影响全球增暖的物理机制的工作，基本上终结了此前关于二氧化碳是否导致全球变暖的辩论。

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。

人类活动在工业革命以来的增暖中到底贡献多大

关于工业革命以来的气候变化，国际社会重点关注的第二个核心问题，是人类活动在工业革命以来的增暖中到底贡献多大。

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·哈塞尔曼博士来自位于德国汉堡的马普气象研究所，是该研究所的创始人。哈塞尔曼的贡献之一是提出了描述气候变化的随机气候模型，把长时间尺度的气候变化解释为短时间尺度的天气过程的“累积”，从而在混沌随机的天气过程和稳定的气候变化之间架起了桥梁。

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。

克劳斯·哈塞尔曼的另一个贡献是，提出了包括温室气体在内的影响因子会在气候变化序列中留下特定的信号，这种特定的信号可以被称为“指纹”，通过分离出这种指纹，我们可以检测出人类活动对气候变化的影响。这是我们开展气候变化检测归因研究的理论基础。

克劳斯·哈塞尔曼的两项成就，对定量估算人类活动在气候变化中的贡献十分关键。正是基于检测归因技术，IPCC第六次评估报告得出结论，“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖”。

真锅淑郎

克劳斯 · 哈塞尔曼

两位获奖者成就立足于百年气候变化科学探索

诺奖官方新闻稿写道，“我们不能再说我们不知道——气候模式是明确的：地球在升温吗?是的。是因为大气中温室气体含量的增加吗?是的。可以仅仅用自然因素来解释吗?不是的。人类的排放物是温度升高的原因吗?是的。”

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。

两位气候物理学家的获奖研究表明，我们关于气候的知识，是基于对观测的严格分析，建立在坚实的科学基础之上的。气候变化的理论和结论，都是基于非常严格、复杂的数学和物理理论得出的。

回顾气候变化科学的百年征程，气候变化科学的物理理论得到科学界的认同和表彰委实不易。

1827年，法国数学家和物理学家约瑟夫·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里证明温室效应;

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;

1901年，斯万特·阿伦尼乌斯的同事气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃科赫姆第一次使用温室效应这个词来描述大气吸热与逆辐射过程;

1949年，剑桥大学R.M.古迪首次创造性地提出利用辐射-对流过程来解释对流层顶和平流层低层温度的热力平衡;

1956年，美国约翰霍普金斯大学普拉斯指出15μ二氧化碳波段上的辐射效应，若二氧化碳加倍，全球将变暖3.6℃，若减半则将变冷3.8℃。

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。

气候科学建立在物理学的基础之上，并极大地受益于数学、化学和计算科学的发展以及高性能计算机、空基和地基遥测遥感技术的整体支持。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的获奖，是气候科学发展历史上的一个里程碑，气候学界将站在巨人的肩膀上继续前行。

两位获奖人还曾经直接对IPCC科学报告的编写做出贡献。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，哈塞尔曼还是1995年第二次评估报告的作者。