全球变暖|刚获了诺奖的科学家怎样预测了全球变暖？二氧化碳

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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。
真锅淑郎
【全球变暖|刚获了诺奖的科学家怎样预测了全球变暖？】克劳斯·哈塞尔曼
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动力学实验室，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。