天气预报总是测不准？那气候变化是怎么预测的？

今年10月公布的诺贝尔物理学奖第一次将目光投向了与人类命运息息相关的气候变化。11月3日，在上海举行的“世界顶尖科学家碳大会：气候变化与生物多样性论坛”上，来自不同领域的顶尖科学家们一致认为，气候是道综合题，气候变化伤害的不仅仅是生物多样性，还可能诱发更多疾病传播，甚至导致人类社会经济秩序大变动。

环球同此凉热，应对 气候变化这一全球性挑战，迫切需要汇聚全人类的智慧探求科学的解决之道。 但事实上，气候这一议题实在过于宏大，我们目前甚至连天气预报都预测不准，该如何去预测气候变化呢？今天就来聊一聊。

11月1日，第四届世界顶尖科学家论坛在上海滴水湖畔开幕，包括68位诺贝尔奖得主在内的“最强大脑们”齐聚一堂，共议当今世界面临的全球性挑战。

图源：世界顶尖科学家论坛

领域专家们探究气候变化和生物多样性损失的原因，评估不同项目的有效性，并为政策制定者提供实质性数据以应对气候变化带来的打击。

事实上，建立气候模式，构建物理模型是研究地球气候的重中之重，这些能够为气候预测奠定科学基础。但在此之前，我们得先解决两大关键难题：如何读懂变幻莫测的天气数据？如何量化人类对气候的影响？

天气是个典型的混沌系统

我们首先厘清天气和气候两个概念。两者存在细微不同，天气是指一定区域一定时间内大气中发生的各种气象变化， 如温度、湿度、气压、降水、风、云等的情况。而气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。

图源：pixabay

地球天气变化巨大，是因为太阳辐射在地理上和时间上的分布十分不均匀。由于地球是圆的，地球的地轴又是倾斜的，所以在空间上，到达高纬度地区的太阳光比到达赤道附近低纬度地区的太阳光要少，而在时间上，太阳光的不均匀辐射产生了季节性差异。温度的差异造成了冷暖空气之间的密度比，从而导致了不同纬度之间、海洋和陆地之间、高低气团之间的巨大热量传输，从而形成了我们地球上的天气。天气的波动是非常不稳定的，而且幅度很大，而气候相对来说要稳定得多，幅度也比天气小得多。

气候模式由天气预测模型发展而来，这是建立在物理定律的基础上的。天气是一个典型的混沌系统，它介于有序与无序之间，短期看它是随机的，长期看又在一定范围里波动。理论上，我们当然可以建立能够预测未来数十年、甚至数百年的可靠气候模式，但是天气的波动往往会造成计算误差的无限放大。

在1980 年前后，今年诺贝尔物理奖得主之一克劳斯·哈塞尔曼成功地找出了将天气和气候联系在一起的方法。

他提出了如何将不断变化的混沌天气现象描述为快速变化的噪音，从而为进行长期气候预测奠定了坚实的科学基础。此外，他还提出了一些证明人类对全球温度造成的影响的方法。

前不久，瑞典皇家科学院公布了诺奖名单，决定将2021年的诺贝尔物理学奖授予美国籍科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼和意大利科学家乔治·帕里西。真锅淑郎与克劳斯·哈塞尔曼共同获得了一半的诺贝尔物理学奖，获奖理由是：建立了地球气候的物理模型，能够量化变化情况、以及可靠预测全球变暖。

图源：诺奖官网

读懂充满噪声的天气数据

事实上，我们可以把从充满噪声的天气数据中建立气候模型比作遛狗：

狗有时会挣脱牵引绳，有时会跑在你前面、后面或与你并肩前行，有时则会绕着你的腿跑。你能从狗的运动轨迹中看出你是在走路还是站立不动吗？或者能看出你是在快步行走还是小步慢走吗？

图源：pixabay

狗的运动轨迹就像天气变化，你的行进轨迹就像通过计算得出的气候。我们能否用这些混乱的、充满噪声的天气数据，总结出气候的长期趋势呢？

影响气候变化的情况极易发生变化，在今年的拉尼娜事件发生之前，我们就发现了副热带高压的异常，要知道中东赤道太平洋的平均海温只要上升0.5℃，就会对气候变化产生影响。气候模式准确的关键在于，要将快速的天气变化作为噪声整合进对气候的计算中，并体现出这些噪声对气候的影响。

克劳斯·哈塞尔曼创造了一套随机气候模式，将这些变化的可能性都整合进了模式中，灵感来自爱因斯坦的布朗运动理论。他利用这项理论说明，大气的快速变化其实可以导致海洋的缓慢变化。

在完成气候变化模型之后，克劳斯·哈塞尔曼又开发了识别人类对气候系统影响的方法。他发现，这些模型，连同观测结果和理论结果，都包含了关于噪声和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化都会留下独特的信号、指纹，而且这些信号可以被分离出来。这种识别指纹的方法也可以应用于人类对气候系统的影响，克劳斯·哈塞尔曼因此为进一步的气候变化研究铺平了道路。通过大量的独立观测，这些研究展示了人类对气候影响的大量痕迹。

随着气候系统中复杂相互作用的过程被更彻底地绘制出来，尤其是有了卫星测量和天气观测的帮助，气候模型变得越来越完善。这些模型清楚地显示出温室效应正在加速：自 19 世纪中期以来，大气中的二氧化碳含量增加了 40%。地球的大气已经有几十万年没有如此多的二氧化碳了。相应地，温度测量显示，在过去 150 年里，地球温度上升了 1 ℃。

温室效应：

气候研究的重要课题

随着极端天气的日趋频繁，全球气候变暖一次次被提及。气候变暖与地球大气层的一大重要机制“温室效应”有关。1896年，诺贝尔化学奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）发表了关于“大气中的二氧化碳对地球温度的影响”的论文，第一次关注到了“温室效应”，可以说是当之无愧的气候科学研究的先行者。

大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故称之为“温室效应”。

大气中的温室气体 —— 二氧化碳、甲烷、水蒸气和其他气体 —— 会首先吸收地球的红外辐射，然后释放其吸收到的能量，加热周围和下方的空气，从而造成气温上升。温室气体实际上只占地球干燥大气的一小部分，二氧化碳仅占 0.04%，其中 99% 都为氮气和氧气。最强大的温室气体是水蒸气，但我们无法控制大气中水蒸气的浓度，而二氧化碳的浓度则是可以控制的。大气中的水蒸气含量极大地依赖温度，进而得以形成反馈机制。大气中的二氧化碳越多，温度越高，空气中的水蒸气含量也就越高，从而增加温室效应，导致温度进一步升高。如果二氧化碳含量水平下降，部分水蒸气会凝结，温度也随之下降。

万事皆有度，温室效应对地球上的生命至关重要，因为它控制着温度。温室效应的加剧造成了地球生态环境的破坏，愈演愈烈的话，很可能会出现某些灾难性的后果。

因此，量化温室效应，成为了气候变化研究的另一重要难题。

量化温室效应不易，

从傅立叶手中递来的接力棒

大家可能会觉得温室效应该很容易理解，但要量化温室效应的各种因子是非常困难的。早在200年前，法国物理学家约瑟夫·傅里叶对短波辐射和长波辐射之间的能量平衡展开了研究，虽然弄清了地球大气在这一平衡中扮演的角色，但实际上大气中的辐射过程远比这复杂得多。

图源：sohu.com

气象学家延续了多年前傅里叶的工作——弄清向地球发来的短波太阳辐射与地球向外发出的长波红外辐射之间的平衡关系。傅立叶之后，研究辐射能在地球大气中的传输和转换过程就逐渐变成了一门学科——大气辐射传输学，它是气象学和大气物理学中一个较为古老的分支，近年来又获得新的发展。大气辐射传输学的理论基础建立在分子光谱学和电磁波传播理论之上，其实同光学和波动学非常接近。

从气象学和大气科学发展的初始阶段起，大气辐射及传输的研究就占据了重要地位，因为辐射过程是影响气候和大气环流的一个基本因子。60年代之后，红外、激光、微波等大气遥感技术，特别是气象卫星遥感和大型电子计算机的应用，极大地促进了大气辐射传输学的理论和实验研究。

20 世纪 50 年代，日本大气物理学家真锅淑郎研究的目的就是为了理解二氧化碳水平的增加如何导致气温的上升。他不仅关注了大气辐射的平衡，还领导了与大气辐射相关的物理模式的发展，将对流造成的气团垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。简单地说，前人是比较静态地考虑大气辐射平衡，但他则开创性地将天气变化的变量纳入到气候模式里，使得最后得到的科学结论更接近于现实情况。

真锅淑郎是第一个探索辐射平衡与对流引起的气团垂直输送之间相互作用的科学家，同时他还考虑到了水循环贡献的热量。来自地面的红外热辐射部分被大气吸收，使空气和地面变暖，而另外一些则辐射到太空。热空气比冷空气轻，所以它通过对流上升。热空气还携带着水蒸气（也是一种强大的温室气体）。

空气越暖，水蒸气的浓度就越高。再往上，到大气较冷的地方会形成云滴，释放储存在水蒸气中的潜热。他和克劳斯·哈塞尔曼的模型证实了，这种升温确实是由二氧化碳浓度增加导致的；还预测了靠近地面的温度上升，而上层大气的温度变低。如果太阳辐射的变化是温度升高的原因，那么整个大气应该在同一时间被加热。

近年来，大气辐射传输学突飞猛进的另一个重要原因是气候研究的发展，这里所说的气候研究，不是传统的描述和统计气候学，也不是一般的动力气候，而是现代的物理气候学研究，例如人类活动对未来气候环境影响的研究及全球变化中的气候研究等，一个最突出的例子是关于二氧化碳和其他微量气体诱导气候效应的研究。在此类研究中，大气辐射传输具有极大的重要性。

真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼为人类作出了巨大贡献，为我们了解地球气候提供了坚实的科学基础。这些气候模型的结果是非常明确的——地球确实正在变暖，大气中温室气体含量增加导致了地球变暖。人类活动所排放的气体就是气温升高的原因。

尾声

在天文和航天领域，我们已经能够非常精确地预测飞船发射后何时将与空间站完成交会对接。

但在天气预报上仍然会有如此多的不确定，可能有人会问，难道预报地球上的副热带高压比预报地球之外的英仙座流星雨还难吗？

事实上，飞船发射、星球运行和天气气候确实都被同样的自然定律支配，但天气气候要复杂得多。“蝴蝶效应”对天气预报的影响远远大于预测哈雷彗星，近似准确的输入得出近似准确的输出，这在很多科学领域是基本成立的，但是在气象科学却是需要非常谨慎地对待。

人类对类似于气候这种复杂系统的了解仍在非常初步的状态，霍金说过，“我认为21世纪将是复杂性的世纪”。相信未来会有更多科学家投身于这个领域，复杂系统的面纱一定会慢慢揭开。

（本文部分参考了瑞典皇家科学院对2021年诺贝尔物理学奖的通俗科学背景解读）

来源：上海科技馆

编辑：荔枝果冻

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